炭素厂沥青熔化工段沥青烟气焚烧净化及余热利用系统的研究

摘要：针对目前炭制品行业沥青熔化生产工艺中的沥青烟气净化存在的问题,给出一种沥青烟气直燃式焚烧净化技术方案,并结合烟气余热利用加热工艺生产用导热油,最终实现沥青烟气净化的同时将焚烧产生的热量综合利用。

铝电解用阳极、阴极以及钢铁行业石墨电极、高功率石墨电极等炭素制品生产企业在其工艺生产的配料环节中均会使用液体沥青作为粘结剂，但在沥青熔化工段中的固体沥青熔化和液体沥青储存的两个环节中均会散发大量的沥青烟气。沥青烟气中除了含有微小的沥青液滴外还含有碳环烃、环烃衍生物等有机化合物，其中的苯并芘、苯并蒽、咔唑等多环芳烃类等有机物多为致癌和强致癌物质，尤其以3、4 - 苯并芘为代表的强致癌物质可附着于空气中的飘尘中进入人体呼吸系统对人体造成伤害，所以对沥青熔化工段产生的沥青烟气必须净化处理后才能排放。

1 现有沥青烟气净化技术及存在问题

现阶段，炭素行业为缓解沥青熔化工段产生的沥青烟带来巨大的环保压力采取了多种净化技术，但大多净化技术对沥青烟气的净化效果并不理想。沥青熔化工段的工艺生产分为两个步骤，第一步，在沥青熔化炉中将固态沥青熔化; 第二步，将溶化后液体沥青在沥青储槽中储存和保温。沥青熔化阶段产生的沥青烟气浓度约为1300～1600mg /Nm3 ( 数据来源于实测) ，液体沥青储槽散发的沥青烟气浓度约为800 ～ 1000mg /Nm3 ( 数据来源于实测) ，沥青熔化阶段产生的沥青烟量约为液体沥青储槽散发的沥青烟气量的5～6倍。

1.1 电捕焦油器净化技术

沥青熔化工段产生的沥青烟多采用一级或多级电捕焦油器净化技术，其工作原理为: 利用净化系统的排烟引风机将沥青烟气引入电捕焦油器，沥青烟气中的小液滴和颗粒物在电捕焦油器中的电离区被电离，然后进入高压电场，在高压电场的作用下将烟气中的沥青液滴和颗粒物净化收集。该种净化技术对沥青微小液滴的净化效果较好，但对烟气中的苯并芘等致癌物质的净化效果并不理想。

电捕焦油器净化技术具有投资和运行成本较低的优势，但其净化效率有限，按照净化效率95%，净化系统入口沥青烟浓度1000mg /Nm3 参数计算可得其出口排放浓度为:

1000 × ( 1- 95%) = 50mg /Nm3

上述沥青烟的排放浓度是无法满足国家和行业现行环保排放标准的。

苯并芘的国家和行业现行环保排放标准的要求分别为: 3×10^-4mg /Nm3 和1 ×10^-5mg /Nm3( 边界大气污染物排放标准) ，而电捕焦油器对苯并芘几乎没有处理作用，因此上述排放限值是电捕焦油器净化技术无法达到的。

1.2 水洗净化技术

水洗吸收净化技术是一种较为简易的净化技术，即利用水基吸收剂洗涤沥青烟气以达到净化目的。此种净化技术水耗较大、效率较低，且应用于北方地区还需考虑系统的防冻，此外还很容易造成二次水污染，所以现阶段在炭素行业的沥青熔化工段已经很少使用该技术。

1.3 焚烧净化技术

焚烧净化技术是解决沥青烟气最彻底、最有效的技术之一，该技术不仅可将烟气中的微小沥青液滴充分燃烧还可将烟气中的苯并芘等致癌物质彻底燃烧处理。炭素行业沥青烟气焚烧净化技术分为蓄热式焚烧净化技术( Regenerative Thermal Oxidizer，RTO) 和直燃式净化技术。

蓄热式焚烧炉( RTO) 是启动时首先将烟气焚烧温度提高到800℃以上，高温烟气将蓄热陶瓷加热，沥青烟气在蓄热陶瓷中焚烧后外排，之后便依靠高温陶瓷将沥青烟气焚烧净化，温度不足部分的热量依靠补充少量的天然气燃烧来实现，焚烧炉前后温差约为40～50℃，与直燃式焚烧炉相比天然气消耗可节约95%。但由于蓄热式焚烧炉蓄热陶瓷的多孔结构形式造成其在处理沥青熔化工段产生的高浓度沥青烟气时容易堵塞，系统运行的可靠性还需进行进一步实用性研究。

直燃式焚烧净化技术是将沥青熔化工段产生的高浓度沥青烟气作为助燃空气在燃烧室内燃烧到一定温度将烟气中的沥青液滴和苯并芘等物质彻底燃烧处理，但该种技术天然气的耗量大，结合对燃烧后的烟气余热利用可使得该种技术变的实用。

2 直燃式焚烧净化及余热利用技术

本净化工艺结合炭素行业沥青熔化工段的实际运行情况和传统的直燃式焚烧净化工艺将焚烧净化后的高温烟气用于加热工艺生产用的导热油，此种方法一方面能将沥青烟气中的沥青液滴和苯并芘等有害物质焚烧处理; 另一方面可将焚烧处理后的高温烟气加热炭素工艺生产用的导热油，完全或部分替代工艺用导热油热媒锅炉。

针对沥青熔化工段沥青熔化炉间断运行、烟气量大、沥青烟浓度高的特点和液体沥青储槽烟气量小但长期散发的特点配置如下沥青烟气净化及余热利用系统。

2.1 直燃式焚烧净化技术的净化工艺

如图1 所示，将沥青熔化炉和液体沥青储槽产生的沥青烟气通过其上部集烟罩收集，沥青烟气( 温度约为100℃) 通过烟气回热器进行预热，预热后沥青烟气温度200℃，预热后沥青烟气与天然气充分混合进入直燃式焚烧炉充分燃烧，炉膛设计温度1200℃，沥青烟气在炉膛停留时间1. 5 ～ 2s，在此温度下，烟气中的微小沥青液滴以及包括苯并芘在内的环烃、环烃衍生物等有机化合物充分燃烧，沥青烟气在直燃式焚烧炉中完成了其净化反应，燃烧反应方程式为:

2.2 直燃式焚烧烟气余热利用工艺

炭素行业生产工艺中广泛使用导热油进行加热，所以工艺生产中均配置导热油热媒锅炉对导热油进行加热，根据工艺生产的需要可将沥青烟气焚烧后产生的高温烟气用于加热导热油，实现对焚烧热量的余热利用。

如图1 所示，直燃式焚烧炉焚烧后产生的烟气温度约为1200℃，将高温烟气引入导热油换热器将导热油加热，在导热油换热器中导热油由250℃加热至270℃( 该温度可调整) ，烟气温度由1200℃降至350℃， 350℃的烟气再进入烟气回热器预热沥青烟气，烟气回热器出口的烟气温度降至220℃，然后通过排烟风机从烟囱排空。加热到270℃的导热油可直接用于工艺生产。

如沥青烟气焚烧的热量不能满足工艺用导热油的加热量时，导热油换热器可作为热媒锅炉的一级预热器使用。

3 工程应用热平衡计算及性能分析

假设某炭素厂配置一台8t /h 生产能力的沥青熔化炉，2台200m3 的液体沥青储槽; 沥青熔化炉设计排烟量为3000Nm3 /h，液体沥青储槽每台设计排烟量为700Nm3 /h。

导热油热媒锅炉，热媒锅炉供油温度270℃，回油温度255℃，导热油型号: YD-300，导热油比热容( 250℃) : 2. 608kJ/( kg·℃) 。

3.1 沥青烟气焚烧余热利用热平衡计算

基本计算参数:

焚烧炉设计处理沥青烟气量: 4400Nm3 /h;

空气过量系数: 1. 6;

最终排烟温度: 220℃;

天然气耗量: 300 Nm3 /h;

沥青烟气浓度: 1400mg /Nm3。

计算结果( 计算过程省略，具体计算过程:

天然气燃烧产生的热量: 10453200kJ /h;

天然气燃烧产生的热功率: ～ 2900kW;

焚烧后烟气量: ～ 4700Nm3 /h;

导热油加热功率: ～ 2500kW;

导热油加热量( 按照回油温度255℃，供油温度270℃计算) : 214. 84t/h;

沥青烟完全燃烧热值( 按照42000kJ /kg 燃烧热值计算) : 258720 kJ/h;

沥青烟完全燃烧热功率: 71. 8kW;

沥青烟气焚烧系统总加热功率: ～2562kW;

导热油总加热量( 按照回油温度255℃，供油温度270℃计算) : 219.6t/h;

沥青烟气焚烧余热利用系统热效率: ～86%。

3. 2 热媒锅炉加热导热油热平衡计算

基本计算参数:

天然气耗量: 290Nm3/h;

空气过量系数: 1.1;

最终排烟温度: 220℃;

计算结果( 计算过程省略，具体计算过程 :

天然气燃烧产生的热量: 10104760kJ/h;

天然气燃烧产生的热功率: ～2807kW;

焚烧后烟气量: ～3240Nm3/h;

导热油加热功率: ～2531kW;

导热油加热量( 按照回油温度255℃，供油温度270℃计算) : 216.95t /h;

热媒锅炉热效率: ～90%。

3.3 沥青烟气焚烧余热利用与热媒锅炉性能分析

综合上述热平衡计算结果对沥青烟气焚烧余热利用与热媒锅炉加热导热油的性能进行对比分析，详见表1。

由表1可得出在加热导热油能力大致相同的情况下，利用沥青烟气焚烧余热利用系统比传统热媒锅炉加热方式的天然气能耗高3.5%，热效率低4%，但沥青烟气焚烧余热利用系统可处理沥青熔化炉和液体沥青储槽产生的4400Nm3/h 的沥青烟气，其带来的环保效益是相当可观的。

4 结语

针对炭素厂沥青融化工段产生的沥青烟气，从经济性角度分析可采用上述直燃式焚烧净化结合烟气余热加热导热油系统使用，这对采用燃气方式熔化固体沥青的车间具有很强的实用性。此外，该系统还可采用直燃式焚烧净化结合烟气余热制备蒸汽或生活热水系统使用，由于水的比热容大和生活热水温度低于90℃的特点，如采用直燃式焚烧净化结合烟气余热制备生活热水系统使用还可进一步提高热量的应用效率。

由于沥青烟的成分是碳氢化合物，沥青烟气在900℃以上受热1s 后即可充分裂解，而直燃式焚烧炉炉膛设计温度1200℃，沥青烟气在炉膛停留时间1.5～ 2s，在此条件下可确保沥青烟在炉膛内完全裂解、燃烧，因而沥青烟气焚烧后产生的烟气中无论是颗粒物、沥青烟还是苯并芘的排放指标均可满足国家环保排放要求。