北極星大氣網訊:摘要：針對目前炭製品行業瀝青熔化生產工藝中的瀝青煙氣淨化存在的問題,給出一種瀝青煙氣直燃式焚燒淨化技術方案,並結合煙氣餘熱利用加熱工藝生產用導熱油,最終實現瀝青煙氣淨化的同時將焚燒產生的熱量綜合利用。
鋁電解用陽極、陰極以及鋼鐵行業石墨電極、高功率石墨電極等炭素製品生產企業在其工藝生產的配料環節中均會使用液體瀝青作為粘結劑，但在瀝青熔化工段中的固體瀝青熔化和液體瀝青儲存的兩個環節中均會散發大量的瀝青煙氣。瀝青煙氣中除了含有微小的瀝青液滴外還含有碳環烴、環烴衍生物等有機化合物，其中的苯並芘、苯並蒽、咔唑等多環芳烴類等有機物多為致癌和強致癌物質，尤其以3、4 - 苯並芘為代表的強致癌物質可附著於空氣中的飄塵中進入人體呼吸系統對人體造成傷害，所以對瀝青熔化工段產生的瀝青煙氣必須淨化處理後才能排放。
1 現有瀝青煙氣淨化技術及存在問題
現階段，炭素行業為緩解瀝青熔化工段產生的瀝青煙帶來巨大的環保壓力採取了多種淨化技術，但大多淨化技術對瀝青煙氣的淨化效果並不理想。瀝青熔化工段的工藝生產分為兩個步驟，第一步，在瀝青熔化爐中將固態瀝青熔化; 第二步，將溶化後液體瀝青在瀝青儲槽中儲存和保溫。瀝青熔化階段產生的瀝青煙氣濃度約為1300～1600mg /Nm3 ( 數據來源於實測) ，液體瀝青儲槽散發的瀝青煙氣濃度約為800 ～ 1000mg /Nm3 ( 數據來源於實測) ，瀝青熔化階段產生的瀝青煙量約為液體瀝青儲槽散發的瀝青煙氣量的5～6倍。
1.1 電捕焦油器淨化技術
瀝青熔化工段產生的瀝青煙多採用一級或多級電捕焦油器淨化技術，其工作原理為: 利用淨化系統的排煙引風機將瀝青煙氣引入電捕焦油器，瀝青煙氣中的小液滴和顆粒物在電捕焦油器中的電離區被電離，然後進入高壓電場，在高壓電場的作用下將煙氣中的瀝青液滴和顆粒物淨化收集。該種淨化技術對瀝青微小液滴的淨化效果較好，但對煙氣中的苯並芘等致癌物質的淨化效果並不理想。
電捕焦油器淨化技術具有投資和運行成本較低的優勢，但其淨化效率有限，按照淨化效率95%，淨化系統入口瀝青煙濃度1000mg /Nm3 參數計算可得其出口排放濃度為:
1000 × ( 1- 95%) = 50mg /Nm3
上述瀝青煙的排放濃度是無法滿足國家和行業現行環保排放標準的。
苯並芘的國家和行業現行環保排放標準的要求分別為: 3×10-4mg /Nm3 和1 ×10-5mg /Nm3( 邊界大氣汙染物排放標準) ，而電捕焦油器對苯並芘幾乎沒有處理作用，因此上述排放限值是電捕焦油器淨化技術無法達到的。
1.2 水洗淨化技術
水洗吸收淨化技術是一種較為簡易的淨化技術，即利用水基吸收劑洗滌瀝青煙氣以達到淨化目的。此種淨化技術水耗較大、效率較低，且應用於北方地區還需考慮系統的防凍，此外還很容易造成二次水汙染，所以現階段在炭素行業的瀝青熔化工段已經很少使用該技術。
1.3 焚燒淨化技術
焚燒淨化技術是解決瀝青煙氣最徹底、最有效的技術之一，該技術不僅可將煙氣中的微小瀝青液滴充分燃燒還可將煙氣中的苯並芘等致癌物質徹底燃燒處理。炭素行業瀝青煙氣焚燒淨化技術分為蓄熱式焚燒淨化技術( Regenerative Thermal Oxidizer，RTO) 和直燃式淨化技術。
蓄熱式焚燒爐( RTO) 是啟動時首先將煙氣焚燒溫度提高到800℃以上，高溫煙氣將蓄熱陶瓷加熱，瀝青煙氣在蓄熱陶瓷中焚燒後外排，之後便依靠高溫陶瓷將瀝青煙氣焚燒淨化，溫度不足部分的熱量依靠補充少量的天然氣燃燒來實現，焚燒爐前後溫差約為40～50℃，與直燃式焚燒爐相比天然氣消耗可節約95%。但由於蓄熱式焚燒爐蓄熱陶瓷的多孔結構形式造成其在處理瀝青熔化工段產生的高濃度瀝青煙氣時容易堵塞，系統運行的可靠性還需進行進一步實用性研究。
直燃式焚燒淨化技術是將瀝青熔化工段產生的高濃度瀝青煙氣作為助燃空氣在燃燒室內燃燒到一定溫度將煙氣中的瀝青液滴和苯並芘等物質徹底燃燒處理，但該種技術天然氣的耗量大，結合對燃燒後的煙氣餘熱利用可使得該種技術變的實用。
2 直燃式焚燒淨化及餘熱利用技術
本淨化工藝結合炭素行業瀝青熔化工段的實際運行情況和傳統的直燃式焚燒淨化工藝將焚燒淨化後的高溫煙氣用於加熱工藝生產用的導熱油，此種方法一方面能將瀝青煙氣中的瀝青液滴和苯並芘等有害物質焚燒處理; 另一方面可將焚燒處理後的高溫煙氣加熱炭素工藝生產用的導熱油，完全或部分替代工藝用導熱油熱媒鍋爐。
針對瀝青熔化工段瀝青熔化爐間斷運行、煙氣量大、瀝青煙濃度高的特點和液體瀝青儲槽煙氣量小但長期散發的特點配置如下瀝青煙氣淨化及餘熱利用系統。
2.1 直燃式焚燒淨化技術的淨化工藝
如圖1 所示，將瀝青熔化爐和液體瀝青儲槽產生的瀝青煙氣通過其上部集煙罩收集，瀝青煙氣( 溫度約為100℃) 通過煙氣回熱器進行預熱，預熱後瀝青煙氣溫度200℃，預熱後瀝青煙氣與天然氣充分混合進入直燃式焚燒爐充分燃燒，爐膛設計溫度1200℃，瀝青煙氣在爐膛停留時間1. 5 ～ 2s，在此溫度下，煙氣中的微小瀝青液滴以及包括苯並芘在內的環烴、環烴衍生物等有機化合物充分燃燒，瀝青煙氣在直燃式焚燒爐中完成了其淨化反應，燃燒反應方程式為:
2.2 直燃式焚燒煙氣餘熱利用工藝
炭素行業生產工藝中廣泛使用導熱油進行加熱，所以工藝生產中均配置導熱油熱媒鍋爐對導熱油進行加熱，根據工藝生產的需要可將瀝青煙氣焚燒後產生的高溫煙氣用於加熱導熱油，實現對焚燒熱量的餘熱利用。
如圖1 所示，直燃式焚燒爐焚燒後產生的煙氣溫度約為1200℃，將高溫煙氣引入導熱油換熱器將導熱油加熱，在導熱油換熱器中導熱油由250℃加熱至270℃( 該溫度可調整) ，煙氣溫度由1200℃降至350℃， 350℃的煙氣再進入煙氣回熱器預熱瀝青煙氣，煙氣回熱器出口的煙氣溫度降至220℃，然後通過排煙風機從煙囪排空。加熱到270℃的導熱油可直接用於工藝生產。
如瀝青煙氣焚燒的熱量不能滿足工藝用導熱油的加熱量時，導熱油換熱器可作為熱媒鍋爐的一級預熱器使用。
3 工程應用熱平衡計算及性能分析
假設某炭素廠配置一臺8t /h 生產能力的瀝青熔化爐，2臺200m3 的液體瀝青儲槽; 瀝青熔化爐設計排煙量為3000Nm3 /h，液體瀝青儲槽每臺設計排煙量為700Nm3 /h。
導熱油熱媒鍋爐，熱媒鍋爐供油溫度270℃，回油溫度255℃，導熱油型號: YD-300，導熱油比熱容( 250℃) : 2. 608kJ/( kg·℃) 。
3.1 瀝青煙氣焚燒餘熱利用熱平衡計算
基本計算參數:
焚燒爐設計處理瀝青煙氣量: 4400Nm3 /h;
空氣過量係數: 1. 6;
最終排煙溫度: 220℃;
天然氣耗量: 300 Nm3 /h;
瀝青煙氣濃度: 1400mg /Nm3。
計算結果( 計算過程省略，具體計算過程:
天然氣燃燒產生的熱量: 10453200kJ /h;
天然氣燃燒產生的熱功率: ～ 2900kW;
焚燒後煙氣量: ～ 4700Nm3 /h;
導熱油加熱功率: ～ 2500kW;
導熱油加熱量( 按照回油溫度255℃，供油溫度270℃計算) : 214. 84t/h;
瀝青煙完全燃燒熱值( 按照42000kJ /kg 燃燒熱值計算) : 258720 kJ/h;
瀝青煙完全燃燒熱功率: 71. 8kW;
瀝青煙氣焚燒系統總加熱功率: ～2562kW;
導熱油總加熱量( 按照回油溫度255℃，供油溫度270℃計算) : 219.6t/h;
瀝青煙氣焚燒餘熱利用系統熱效率: ～86%。
3. 2 熱媒鍋爐加熱導熱油熱平衡計算
基本計算參數:
天然氣耗量: 290Nm3/h;
空氣過量係數: 1.1;
最終排煙溫度: 220℃;
計算結果( 計算過程省略，具體計算過程 :
天然氣燃燒產生的熱量: 10104760kJ/h;
天然氣燃燒產生的熱功率: ～2807kW;
焚燒後煙氣量: ～3240Nm3/h;
導熱油加熱功率: ～2531kW;
導熱油加熱量( 按照回油溫度255℃，供油溫度270℃計算) : 216.95t /h;
熱媒鍋爐熱效率: ～90%。
3.3 瀝青煙氣焚燒餘熱利用與熱媒鍋爐性能分析
綜合上述熱平衡計算結果對瀝青煙氣焚燒餘熱利用與熱媒鍋爐加熱導熱油的性能進行對比分析，詳見表1。
由表1可得出在加熱導熱油能力大致相同的情況下，利用瀝青煙氣焚燒餘熱利用系統比傳統熱媒鍋爐加熱方式的天然氣能耗高3.5%，熱效率低4%，但瀝青煙氣焚燒餘熱利用系統可處理瀝青熔化爐和液體瀝青儲槽產生的4400Nm3/h 的瀝青煙氣，其帶來的環保效益是相當可觀的。
4 結語
針對炭素廠瀝青融化工段產生的瀝青煙氣，從經濟性角度分析可採用上述直燃式焚燒淨化結合煙氣餘熱加熱導熱油系統使用，這對採用燃氣方式熔化固體瀝青的車間具有很強的實用性。此外，該系統還可採用直燃式焚燒淨化結合煙氣餘熱製備蒸汽或生活熱水系統使用，由於水的比熱容大和生活熱水溫度低於90℃的特點，如採用直燃式焚燒淨化結合煙氣餘熱製備生活熱水系統使用還可進一步提高熱量的應用效率。
由於瀝青煙的成分是碳氫化合物，瀝青煙氣在900℃以上受熱1s 後即可充分裂解，而直燃式焚燒爐爐膛設計溫度1200℃，瀝青煙氣在爐膛停留時間1.5～ 2s，在此條件下可確保瀝青煙在爐膛內完全裂解、燃燒，因而瀝青煙氣焚燒後產生的煙氣中無論是顆粒物、瀝青煙還是苯並芘的排放指標均可滿足國家環保排放要求。
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