炭素工业焙烧炉烟气污染治理技术的研究和应用

张 锐，丰庆国，董守东，万加兵（盐城兰丰环境工程科技有限公司，江苏 盐城 224051）

0 引言

现代工业中，火电、冶金、化工和建材等行业在生产过程中，都有大量含有粉尘的烟气排放，石墨电极是炭素行业的主要产品，焙烧炉是其主要的污染来源，炭素行业作为粘接剂的沥青烟气治理，一直是业内大气环境治理的大难题，也是严重制约行业高质量、可持续发展的主要因素。兰丰环境作为水泥行业的著名环保企业，也是专业从事烟气粉尘系统治理的国家级高新技术企业，利用其国家863超洁净排放项目的实施单位和国家烟气冶理重点实验室骨干成员单位的技术优势，在焙烧炉烟气冶理技术的研究和应用上，针对碳素焙烧的烟气特性，研究开发了炭素焙烧烟气多污染物深度净化的超低排放技术，生产出集脱硫、脱硝、除尘一体化的新一代除尘设备和功能材料，实现了国内第一套炭素行业焙烧炉烟气多污染物的深度净化和超低排放。

1 烟气特性及烟气治理的技术途径

炭素焙烧产生的烟气具备以如下特性：

（1）烟气中的沥青焦油较多。沥青焦油烟气成分复杂，含有数百种物质，其中酣类、蒽荼类、并芘等多环芳烃类物质对人类和动植物都有危害性，特别是苯并芘属于强致癌物质，应予特别的关注。

（2）烟气中的SO2含量较低，最高只有700 mg/m²； 烟气中的NOx含量一般，通常在500mg/m² 左右。

（3）出口烟气温度较低，正常在90～120℃，经过电捕焦后只有70～90℃。

（4）烟气中粉尘含量也不高，主要由一级电捕焦器收集。

针对焙烧炉的烟气特性，我们在采取了以下三种措施：

（1）采用三层喷淋层，严格控制每层间距2m，确保每层的覆盖率在250%以上。

（2）采取两层增效环，防止局部烟气塔壁短路现象（见图1）。

图1 双层增效环

（3）针对焙烧炉烟气成分复杂、有机物浓度高的特性，为满足高标准的除尘要求，研究认为气速小于1.8m/s的状态下，收尘效率更佳。

2 系统设计和技术特点

根据炭素焙烧的工艺特性和烟气多污染物深度净化、超低排放的技术要求，在系统设计中采用分级净化、多级联动、协同治理的核心技术，用SNCR脱硝技术，实现低浓度NOx的一级有效脱除；通过新型多功能高容炭基吸附材料高效去除烟气中的沥青烟和苯并芘（一级），兼顾SO2（一级）、NOx（二级）的共吸附脱除；采用新型深度袋式除尘技术高效去除烟尘（一级），吸附工艺与袋式除尘的有机耦合（喷射炭基脱硝材料），实现有机物、重金属等多污染物的二级脱除以及三级高效脱硝；通过双区托盘脱硫技术，配套多孔托盘、高效除雾喷淋装置，实现硫尘雾（二级）的高效净化；末端采用高效湿法电除尘进一步实现烟气中微细颗粒物PM2.5粉尘、SO3酸雾、气溶胶、重金属和有机污染物的深度净化（三级）。

2.1 脱硫系统

采用钙法脱硫工艺，流程如图2所示。脱硫剂：采用200目～320目石灰粉或石灰石粉；钙硫比：1.01～1.03；SO 脱除率≥99% 。

图2 脱硫工艺流程图

系统采用专利的脱硫增效技术，能够有效地降低液/气比，有利于塔内气流均匀，提升脱硫效率15%。采用深度湿法脱硫除尘一体化技术，通过高效除雾器、高效节能喷淋装置和多孔托盘装置提高脱硫除尘效率（见图3）。

图3 脱硫除尘一体化技术

除雾器采用一层管式加三层屋脊的独特设计，叶片间距从30mm到25mm，叶片倾角37°，确保全塔无除雾死角，可达到极限雾滴去除颗粒尺寸170μm。优化的喷淋布置方式，采用多种喷嘴组合，在提升自身雾化效果的同时提高二次碰撞的效果；为避免气液短路，专门设计了防壁流装置。采用多孔持液托盘技术，通过旋流撞击托盘，保证气流通畅、均匀。

系统设计的核心技术上，在系统关键点采用数值模拟分析（见图4），提升净化效率。

图4 系统模拟分析图

2.2 脱硝系统

采用SNCR烟气脱硝技术，通过炉内喷入脱硝还原剂，在850～1100℃的温度范围内，在无催化剂的环境下，还原剂优先与NOx进行反应，生成无害、无污染的氮气和水；通常在保证还原剂合理的运行成本条件下，氨的逃逸量不超过10×10-6的前提下，达到60%左右的脱硝效率。脱硝装置的采用独特的设计（见图5），具备以下技术特点：

（1）深度净化技术：采用先进压力控制系统有效提高还原剂的喷射力度、增强烟气渗透能力。

（2）采用技术先进喷枪，能够改善喷射角度和雾化粒径尺寸，让喷入的还原剂在烟气中分布更均匀，混合更充分。

（3）采用流场模拟技术，能够有效选择可持续维持恰当反应温度范围和足够反应停留时间的喷枪安装位置。

（4）运行稳定技术：还原剂采用多级喷射技术，可有效地提高SNCR脱硝效率；通过提高自动化控制系统响应特性，以适应负荷的不断变化。

图5 脱硝设备

2.3 湿法电除尘器系统

湿法电除尘器主要用于燃煤锅炉脱硫后的粉尘深度处理，排放可达5mg/m3，甚至更低，达到近零排放的要求。被广泛应用于电力、冶金、炭素等行业湿烟气深度净化、超低排放。作为用于处理含微量粉尘和微颗粒的除尘设备，湿法电除尘器主要用来除去含湿气体中的尘、酸雾、水滴、气溶胶、PM2.5等有害物质，是治理大气粉尘污染的理想设备。

湿法电除尘器的除尘原理与干式电除尘器基本相同，主要有荷电、收集和清灰三个阶段，含尘气体通过进口经气流分布板进入电场，同时喷嘴将雾化后的水雾喷入电场中的气流中，水雾与粉尘碰撞凝聚成较粗的颗粒，粉尘与水滴在电荷的作用下被集尘板捕集，收集灰尘形成连续向下流动的一层水膜，剩余烟气经烟囱排向大气（见图6）。

图6 湿法电除尘器的除尘原理

湿法电除尘器的结构如图7所示。

图7 湿法电除尘器的结构

我们在研发高效湿法电除尘器时，结合用户需求，进行了设计优化、创新，形成如下技术特点：

（1）可靠的固定装置：采用重锤+整体固定框架+张紧绝缘箱的可靠固定措施，避免阴极线因高气速气流的冲击而出现晃动，确保除雾效率。

（2）高效的电晕极线：采用高效极线（钛合金、2205、铅锑合金），具有放电点多、效率高、起晕电压低、耐腐性好、使用寿命长等优点。

（3）先进雾化凝并技术：采用连续喷淋雾化水，通过其传质、碰撞、凝并作用，促使雾滴增大，保证雾滴和气溶胶的高效去除。

（4）特殊蜂窝式导电管束：管束内壁表面进行特殊亲水性处理，保证内壁在工况下形成连续的液相膜，除雾效率高，清灰效果好。

（5）先进绝缘保护系统：绝缘箱采用热风正压保护装置，绝缘性能更为可靠，避免“污闪”现象。

（6）智能的人机控制系统：采用DCS控制系统，实现分散控制、集中管理。满足企业的高柔性、高效益的发展要求。

3 工程应用效果

部分工程项目现场实际见图8。

图8 工程项目现场

通过实际的工程应用效果统计（见表1），采用本工艺技术进行烟气治理的项目，均获得了较好的净化效果，达到了烟气超低排放的目标要求。

4 结语

（1）通过持续的技术研发和设计优化，我们生产出国内第一套炭素行业焙烧炉烟气脱硫、脱硝和湿法电除尘系统装置，用于工程项目，取得了良好的净化效果，实现了炭素工业焙烧炉烟气的超低排放。

（2）本系统设计中，通过焙烧烟气的超低排放技术，可以有效地实现一级脱硝、二级脱硫、三级除尘、四级脱硝、三级脱碳及其有机物的深度联动治理，有效地实现炭素行业焙烧炉烟气的超低排放指标：粉尘≤5 mg/m3；SO2≤35 mg/m3；NOx≤50 mg/m3；沥青烟≤10 mg/m3，苯并芘≤0.3 μg/m3。

表1 工程应用效果

（3）系统设计充分考虑循环利用、以废治废，多功能炭基吸附材料就来自于炭素产品的直接应用，吸附质被送回焙烧解析，并被氧化脱除。系统安全性和智能化化程度较高，研发了阻燃防爆除尘装置，配备智能化控制系统。

（4）系统整体设计、协同治理，延长了系统的使用寿命，降低了环保的投资和运行成本。设计中烟气的停留时间较短，既提高了设备的除尘效率，也保护了设备不易发生腐蚀。