大气治理

阳极焙烧烟气治理技术及解决方案

2020-02-14 16:14:52 《轻金属》 作者:宋海琛

本文分析了焙烧烟气的特点,以及目前以电捕焦油器为核心设备的不同焙烧烟气净化处理方法在处理沥青烟、二氧化硫、苯并芘等方面所面临的问题,提出了蓄热式焚烧炉(RTO)+循环流化床焙烧烟气一体化处理方法,从根本上解决焙烧烟气多种污染物难以协同治理的问题。

炭素厂阳极焙烧炉生产过程中会散发含有氟化物(掺入残极的情况下)、沥青烟、粉尘、SO2以及苯并芘等有害物质,按照《铝工业污染物排放标准》(修改单)(GB25465-2010)、《工作场所有害因素职业接触限值》(GBZ2-2007)及工业和信息化部发布的《铝行业准入条件》(2012年修订)的要求,必须对炭素焙烧炉烟气加以治理。目前,国家先后出台了《重点区域大气污染物防治“十二五”规划》、以及《京津冀及周边地区2017年大气污染防治工作方案(2+26)》、《环境保护税法》等一系列的环保法律法规,部分省份出台了更加严格的地方标准。因此,开发行之有效的工艺,净化焙烧烟气,使其实现长期、稳定、可靠的达标排放势在必行。

1 焙烧炉烟气的特点

铝用阳极的原料一般为煅后焦、沥青和残极,并按照一定的比例混合、震动成型,在敞开式焙烧炉进行高温焙烧,得到预焙阳极。在焙烧的过程中产生的烟气为阳极焙烧烟气,根据不同现场的检测分析结果,烟气中各种污染物的成分见表1。

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由表1可知,该烟气具有成分复杂、粘结性强、多种污染物并存、且易发生着火等特点。因此治理起来难度较大,难以通过单一的烟气治理方法处理掉焙烧烟气中所有的污染物,一般需要采用串联的烟气治理工艺对焙烧炉烟气进行综合治理。

2焙烧烟气治理方法分析

由于焙烧烟气成分复杂,到目前为止,国内还没有完全成熟的工艺技术可以实现焙烧烟气完全无害化处理。在对焙烧烟气的处理中,企业重点关注于烟气中的沥青烟、粉尘和氟化物的治理。最近几年,焙烧烟气中的二氧化硫以及苯并芘开始受到关注。目前国内主要采用表2所示的技术方案。

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上述处理方法主要存在废水、捕集后沥青烟的二次污染;运行不稳定,不能实现污染物的长期达标排放;烟道、设备着火后的安全风险;氧化铝吸附沥青烟后,造成流动性降低,返回电解生产难以被有效使用。国外焙烧烟气一般采用蓄热式焚烧炉(RTO)进行处理[3],先去除掉烟气中的沥青烟和苯并芘等有机物,再根据需要采用碱性吸附的方法去除掉烟气中的氟化物和二氧化硫等有害物质。

3 焙烧烟气运行问题分析

国内现有的焙烧烟气中虽然采用的技术比较多,在长期的运行中经常会出现如下一些问题。

3.1 系统运行不稳定

焙烧烟气净化在长期使用的过程中,经常出现系统运行不稳定,不能长期稳定达标排放的问题。最直接的表现是烟囱经常出现黄烟、黑烟或棕色烟。该问题主要是由于电捕焦油器故障或者干法断料、粘结造成的。在焙烧烟气净化启动初期或运行1~2年后更容易出现该问题,一旦出现该问题,就需要对系统进行大修。

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3.2 电捕焦油器极板结疤、极线结块由于焙烧烟气中含有沥青烟等粘性物质,以及焙烧炉出来的部分挥发性物质,这些物质在焙烧炉中未充分燃烧的情况下,会粘结在电捕焦油器的极板、极线上。粘结后造成电捕焦油器放电不均匀,严重影响沥青烟的捕集效率。由于沥青烟在低温下具有较强的粘结性,且电捕焦油器内部操作空间受限,很难清理,如图3所示。

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3.3 系统着火

正如3.2节分析可知,由于沥青烟粘结在系统设备的内壁上,且含有粉尘等可燃物,一旦遇到明火就会发生着火现象,比较容易出现着火的位置在环形焙烧炉的出口烟道、电捕焦油器等部位,严重影响系统的稳定运行。

为了保证系统安全,设置了短路烟道,当系统着火时,进行烟道切换,使着火烟气直接排入大气,或者进行蒸汽灭火,如图4所示。

3.4 设备和管道腐蚀

为了对焙烧烟气降温,系统一般设置全蒸发冷却塔。但根据多家企业运行情况反馈可知,冷却水的全蒸发难以实现,水滴在酸性的条件下会对后续的风机、管道、阀门等设备产生腐蚀。这也造成了随着设备的运行,系统的负压逐渐降低、系统漏风增加、排放指标下降等问题。

3.5 捕集的焦油难以处理

从电捕焦油器捕集下来的物质主要成分为沥青,还含有粉尘和氟化物(主要为固氟)。根据国家危险废物名录规定:冶炼过程产生焦油属于危险废弃物。根据相关规定,这部分物质只能送至具有专业资质的机构进行无害化处理或企业内部无害化利用。根据现有技术,企业内部无害化利用的技术并不成熟,多为堆存处置。图5、6为某厂电捕捕集后焦油的堆存方式。

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3.6 苯并芘处理

苯并芘是焙烧烟气PAH中的一种,为气态的有机物,这些物质电捕焦油器基本没有捕集效果,因此在仅采用电捕焦油器的治理系统中,苯并芘存在大量超标的可能;利用氧化铝干法吸附可以除去烟气中气态污染物,但氧化铝吸附为物理吸附,在电解槽受热后是否存在二次挥发还需进一步的研究。

3.7 系统优化

针对现有焙烧运行过程出现的问题,环保厂家已进行了优化和改进措施,如在净化工艺上采用多级串联的技术,分段处理焙烧烟气中不同的污染物;采用改进的喷雾系统保证冷却塔的全蒸发喷淋,且保持出口烟气温度在较小的范围波动;电捕焦油器采用带电清洗、火花自动追踪和自动喷淋灭火等技术,减少沥青粘结在极线和极板上,减少设备着火风险;采用高频电源提高电捕焦油器的效率;采用电压跟踪与自动调整技术确保电捕焦油器的平稳运行;采用全蒸发和干法吸附减少设备和管路系统腐蚀等。

以上措施大大提高系统运行的稳定,部分实现焙烧烟气的达标排放,但仍存在一些问题无法克服。根据国家环保标准的提高和行业发展的需要,以及焙烧烟气的特点,本文提出了蓄热式焚烧炉(RTO)+碱性吸附一体化处理工艺,试图从根本上解决焙烧烟气处理过程中遇到的问题。

4 RTO+碱性吸附一体化处理工艺

从焙烧炉出来烟气进入RTO,在RTO内通入天然气进行燃烧,烟气中沥青烟和苯并芘,以及部分可燃性的碳分解燃烧转变成二氧化碳和水。

RTO为蓄热式焚烧装置,该装置由燃烧区、蓄热区、烟道和阀门切换等部分组成。烟气进入RTO后通过切换阀门进入蓄热区,利用上一工作时的热量加热进入烟气,加热后的烟气进入高温燃烧区,在通入天然气的条件下,将烟气中的沥青烟和有机物分解成CO2 和水,高温烟气再经过蓄热体排出时,将热量贮存在蓄热体内。在下一个工作周期时,上一工作周期的进口烟道变为出口烟道,出口烟道改为进口烟道,交替循环。

该工艺方法的特点是污染治理彻底,无二次污染,做到污染物的全流程治理;系统运行稳定性和安全性高,无需担心烟道和设备着火问题;系统在干态下运行,设备、管道无腐蚀;系统运行无副产品。一体化技术的核心除了工艺外,还要开发出适合行业烟气特点的关键设备。该技术的关键设备是RTO设备和碱法吸附系统的应用与开发。根据焙烧烟气沥青烟含量高、粘结性强的特点,开发了焙烧烟气专用的RTO蓄热式焚烧设备,该设备具有燃烧效率高、能耗小、沥青烟焚烧彻底、蓄热体不易堵塞和粘结等特点。目前已经应用在沥青烟烟气的处理上,经现场检测,烟囱出口处沥青烟浓度达到4.5mg/Nm3,苯并芘浓度达到1.2x10-4mg/Nm3,整体净化效率达到98%,均满足国家规定的要求。碱法脱硫系统实现SO2 排放浓度低于35mg/Nm3,粉尘排放低于5mg/Nm3的超净排放要求。

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5 结论

焙烧烟气由于其特殊的烟气性质,是行业系统治理的难题。以往治理方法中存在二次污染、治理不彻底、系统运行不稳定等问题。总结现有技术工艺的不足,开发的RTO+碱性吸附一体化处理工艺,最终可以实现烟囱出口沥青烟低于5mg/Nm3,苯并芘低于3×10-4mg/Nm3,SO2排放浓度低于35mg/Nm3,粉尘排放低于5mg/Nm3,远低于国家现行排放标准的要求,实现炭素阳极的长期稳定生产。

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