68 轻 金 属 2006年第8期
炭素阳极混捏成型工序的沥青烟气净化新思路
吴萍沙
(沈阳铝镁设计研究院, 辽宁沈阳110001)
摘要:本文通过分析混捏成型系统工艺流程特点, 工艺生产过程中产生污染物的特性, 从多种治理方法分析, 总结一条新的治理方案以满足沥青烟气净化的要求。关键词:沥青烟气净化; 吸附器; 加热器; 固气比
中图分类号:TE 626. 8+6; X701. 2 文献标识码:B 文章编号:1002
1752(2006) 08
0068
04
New clew to pitch fume scrubbing for anode kneading and compacting process step
WU Ping-sha
(Shenyang A lum inum and M agnesium Engineer ing
and Research I nstitute, Shenyang , Sheny ang 11000, China)
Abstract:Th e paper sums up a new plan for pitch fume scrubbing from many alternatives, after analyzi ng the features of kneading and compacting pro cess an d those of pollutants from th e process.
Key wrods:pitch fume scrubbing; absorber; heater; solid to gas ratio
炭素阳极生产是以煤沥青作为粘结剂, 它在加热状态下, 以沥青烟气的状态散发, 沥青烟气成分非常复杂, 含有数百种物质, 其中酚类、蒽萘类、苯并芘等多环芳香烃类对人类及动植物有一定危害性, 特别是3、4苯并芘属于强致癌物质, 越来越受到人们的关注。阳极生产过程的混捏、成型工序中, 沥青烟气逸散点分散, 在实际运行的过程中由于治理方法不当, 造成沥青烟气外逸, 危害人体健康造成环境污染, 应引起高度的重视。
微的挥发冷凝物, 粒径多在0. 1~1 m , 最小的约0. 01 m, 最大的约10 m, 平均粒径约0. 6 m, 而气相则是不同气体的混合物。
2 混捏成型沥青烟气常见治理技术
2. 1 静电捕集法
在混捏成型工序采用干电捕焦油器。这种方法许多碳素厂都使用。该方法运行简单, 使用方便。在系统刚投入运行时, 效果还可以, 净化效率可达98%~99%。但随着运行时间加长, 粘附到极板上的粉尘与沥青重质烃混合形成了粘稠团块粘附在极板上, 而影响电捕焦油器的净化效率及正常运行, 再加之10~20m 集气管道的沿程冷却, 使冷凝的焦油与炭尘粘附到管壁上, 直至把管道堵死, 使系统无法运行。另外, 该系统收下料不能返回生产系统。2. 2 洗涤法
洗涤法是沥青烟气与和石灰水在洗涤塔充分接触, 促使沥青挥发分冷凝而从气相中分离出来。运行初期, 沥青烟净化效率可达90%, 沥青烟排放浓度低于10mg/Nm 3。长期运行的净化效率一般在
1 沥青烟气的产生及特性分析
混捏成型工序散发沥青烟的污染源主要是:混捏(混捏锅或连续混捏机) 、糊料冷却机、成型机、糊料输送等。
混捏工序在加料和干混过程中产生一定量的粉尘; 而当液体沥青注入时, 含有大量粉尘与沥青的烟气散发出来, 随着湿混时间加长, 烟气中粉尘含量越来越小; 混捏后的排糊及冷却阶段, 由于糊料遇到冷空气, 则大量的沥青烟气、水汽及少量粉尘散发出来; 成型机在加料和成型过程产生含尘沥青烟气, 糊料输送过程中也产生含尘的沥青烟气。
液两相组成, 液相组分是十分细
收稿日期:2006-03-22
2006年第8期 吴萍沙:炭素阳极混捏成型工序的沥青烟气净化新思路 69 75%左右。由于用水洗涤烟气, 洗涤水循环一段时间后需排放, 洗涤水中石油类含量较高, 必须设废水处理系统。造成净化工艺复杂化, 给操作管理和设备维护造成困难。同时由于废水处理系统管理不善, 还出现废水二次污染问题。因此, 湿法洗涤净化工艺较为复杂, 设备较多, 给操作管理和设备维护造成困难, 反应中产生的CaSO 4易使处理设备结垢, 恶化处理效果。此外, 在寒冷地区还需解决冬季结冰等问题。2. 3 吸附净化法
吸附法是废气与多孔性固体接触, 使其中污染物吸附在固体表面上而从气流中分离出来。吸附作用可以发生在不同界面上, 气体或溶质在固体(吸附剂) 表面上被吸附的过程属于一种自发性的过程, 对于某一吸附剂及其某一吸附物来说, 被吸附物质的量随着表面的增大而增加。因此, 吸附剂一般满足以下要求:(1) 比表面积和空隙率大; (2) 吸附能力
强; (3) 选择性好; (4) 颗粒均匀, 有较好的机械强度、化学稳定性和热稳定性; (5) 制造简单, 价格便宜。国内应用沥青烟气治理的吸附剂主要有氧化铝、活性炭粉和白土。氧化铝主要应用于阳极焙烧炉烟气治理, 吸附沥青后的氧化铝作为电解铝原料利用。茂名炭素厂在20世纪80年代引进国外技术, 采用白土作为吸附剂净化高压浸渍产生的沥青烟, 吸附沥青烟的白土经焙烧后循环利用。在混捏成型沥青烟气治理工业应用中, 基本采用焦炭粉作吸附剂, 吸附烟气中的沥青焦油。焦炭粉是阳极生产的原料之一, 是石油焦经煅烧、破碎和磨粉后的中间原料, 无需另行制备吸附剂。吸附焦油后焦炭粉用布袋除尘器实现气固分离, 回收的吸附沥青的焦粉作为混捏用料可直接使用, 无需再生, 做到化害为利, 不存在二次污染问题。
国内典型阳极生产厂混捏成型烟气监测结果见表1。
表1 国内混捏成型烟气净化设施运行情况一览表
T ab. 1List of fume scrubbing devices for kneading and compact ing system in China
烟气初始浓度
名 称
治理措施
污染物沥青烟
中铝贵州分公司
湿法
颗粒物沥青烟
兰州铝业
焦粉吸附净化
颗粒物沥青烟
连城铝业
焦粉吸附净化
颗粒物沥青烟
抚顺铝厂
焦粉吸附净化
颗粒物沥青烟
云南铝业
焦粉吸附净化
颗粒物沥青烟
万方铝业
焦粉吸附净化
颗粒物沥青烟
关铝碳素
焦粉吸附净化
颗粒物沥青烟
河南神火
焦粉吸附净化
颗粒物
6440
14
99. 8
6088-39. 115
99. 3-4615~900027. 7
3. 7~7. 68. 9
>9962. 2
-136
-5. 1
-96
-315
3433
99. 490
27356~30361
27
9. 3~18. 72. 7
99. 990
4537~9866445. 1~490. 8
1. 6~13. 78. 7~16. 2
99. 962. 3~79. 5
515266~396
61. 421. 2~47. 6
8884~94
mg/Nm 3
-烟气排放浓度mg/Nm 3
净化效率
%90
表1显示, 采用焦粉吸附净化技术, 经净化处理后的烟气沥青烟排放浓度基本小于40mg /Nm , 满足国家现行的排放标准要求。
3
3 混捏成型沥青烟气净化新思路
3. 1 新思路的引出
随着我国工业生产技术的迅速发展, 清洁生产
70 轻 金 属 2006年第8期工艺的应用及污染控制水平的提高, 新的行业标准将实施, 即混捏成型工段沥青烟大气排放浓度小于20mg/Nm 3。因此, 现有的沥青烟气净化系统已无法满足新的行业标准。同时, 近期通过对原有老厂混捏成型沥青烟气干法净化系统的回访, 发现普遍存在以下几点问题:(1) 除尘器布袋糊袋(2) 除尘器下螺旋输送机堵料(3) 管道堵塞等。但目前, 混捏成型沥青烟气净化唯一可靠的方案还是焦粉吸附法, 所以只有在该方案中, 改善现有净化系统, 提高净化效率。
3. 2 吸附效率提高
净化效率的高低, 吸附效率是关键。
从吸附机理上讲, 焦粉吸附沥青烟是焦粉与沥青烟质交换过程, 焦粉与沥青烟处在流动状态, 即吸附量在流动过程中完成。
为使吸附作用达到饱和状态。焦粉加入量必须达到固气比在20~30g/m 3以上。目前, 常用的吸附方法是管道吸附, 即焦粉进入含有沥青烟气的总管道内, 整个吸附过程是在管道内进行的。这种方法简单; 但吸附效率低, 主要是气固两相流不均匀, 难以达到气固充分混合的效果。因此, 为保证气固两相流的均匀, 必须找到一种可靠的吸附装置以保证吸附效率最高。
为此, 我院与著名高校联合开发新型净化吸附装置, 进行了吸附器的计算机模拟试验. 为保证气固两相流的均匀, 从气固两相流模型入手研究, 研究其流动中的混合状态。首先确定吸附模型及技术条件(包括处理风量、沥青烟浓度、烟气温度、环境温度、环境湿度、焦粉注入量、焦粉粒度、焦粉比重、气流入口速度等) , 然后进行模拟试验。模拟试验的吸附效果只考虑焦粉在气流中扩散均匀性, 即焦粉在气流中扩散均匀, 且这种均匀持续时间较长便可以认为沥青烟气被吸附的效果好。最后, 根据吸附模型吸附器的计算机模拟试验结果, 确定了吸附器定型设计。这种吸附器的吸附效率可以达到95%。
另外, 为使焦粉充分吸附沥青烟, 对布袋除尘器前的沥青烟管道的配置和尺寸, 都根据实验结果进行优化选择。
吸附器的吸附效率的提高, 也解决了除尘器布袋糊袋的问题。
3. 3 沥青烟气的加热措施
本次提出在系统管道内加入热风, 提高烟气温度, 提高净化效率的一种新措施。同时, 也可防止沥青烟气凝固, 粘附在管壁上。从而保证沥青烟气净化系统的正常运行。
经验表明, 沥青烟气在温度55 以上时最宜被焦粉吸附。而在该系统中, 各排烟点的温度不同, 最高的是连续混捏机(或混捏锅) , 风温t ! 110 , 最低为环境温度, 按+5 计算, 混合温度大约是30 ~40 。为使整个系统风温混合后提高到55 以上, 必须借助外部热源进行热交换, 补充热量。最为节能有效的方式是采用电加热器(或蒸汽热交换器) 将一部分洁净空气作为载热介质加热到一定温度, 送入系统中与30 左右沥青烟气进行直接热交换, 提高风温。热交换量由系统中气体的热平衡及风平衡理论计算得出。
系统内气体之间的热交换过程与环境为绝热过程。工程中对管道设备进行良好保温, 假设热损失近似为零近。可得系统焓值平衡方程式:∀G ic p i t i +G r c pr t r =G m c pm t m
式中:G i ###各工艺设备排风质量流量, kg/s;
c pi ###各工艺设备排风烟气的定压比热, kJ/kg (该值随气体温度及气体成分而不同, 但在本系统中变化不大, 洁净空气按最不利可取+5 时cpi=1. 01kJ/kg ) 。t i ###各工艺设备排风计算温度, ; G r ###热风质量流量, kg/s;
C pr ###热风定压比热, C pr 近似取1. 01kJ/kg ;
t r ###热风计算温度, (设计热风温度按200 计) ;
G m ###系统风质量流量, kg /s;
C pm ###混合风定压比热, C pm 近似取1. 01kJ/kg ;
t m ###系统混合风计算温度, (设计温度按55 计)
将各工艺设备排风参数代入, 计算得出系统加入的热风风量, 再依据热风风量, 得出所需用电功率(或蒸汽量) 选择加热设备。
加热设备的容量是按照最不利的状况选择的, 因此, 为使系统内空气的温度保持稳定。系统设有控制回路, 通过电加热器上的可控硅整流器装置调节电加热器的供热量。3. 4 治理流程
2006年第8期 吴萍沙:炭素阳极混捏成型工序的沥青烟气净化新思路 71 1)
。
3. 5. 3 防止结露
混捏成型的烟气混合后烟气温度一般在55 , 在北方地区寒冷冬季, 烟气进入布袋除尘器时, 烟气温度降到15~20 的露点温度, 影响布袋除尘器使用效果。所以, 布袋除尘器外壳设置保温层, 以防止
图1 沥青烟净化流程图
Fig. 1Flow sheet of pitch fume scrubbing
在寒冷季节结露。
3. 5. 4 系统的稳定性和可靠性
为保证全套系统的正常运行, 要加强对系统和设施的管理, 同时, 对岗位人员和技术人员进行技术培训。
3. 5 净化系统设计过程中应注意的其他几个问题3. 5. 1 保证集气罩风速, 最大限度减少无组织排放
混捏成型工序烟气散发点较多, 在混捏设备、冷却机、成型机、糊料输送等产气点设集气罩进行集气。在连续混捏机(混捏锅) 、沥青高位槽、冷却机及皮带输送机落料点等设局部密闭罩, 污染源被密闭在罩壳内, 为保持罩内各点处于负压, 以使密闭罩外壁不严密的缝隙等处保持一定的吸入速度。在混捏锅出料口、成型机上设排风罩, 为了有效控制和捕集烟气, 在不妨碍生产操作的情况下, 排风罩罩口尽量靠近污染源; 为克服和控制污染气流外逸, 将其捕集入罩内而排走, 同时尽量减少污染烟气的流失, 应控制污染源处所需的风速。3. 5. 2 管道的布置
为避免沥青烟气粘附管道, 除在系统管道内加入热风, 提高烟气温度外, 各收尘管路亦进行保温, 减少热损失, 同时管道尽量要倾斜布置, 并设清扫口以方便定期清扫。
4 结论
(1) 通过吸附器的计算机模拟试验, 找出了沥青烟被吸附的最佳装置, 可使吸附效率提高到95%。从而满足沥青烟大气排放浓度小于20mg /Nm 3的要求。
(2) 提出在系统管道内加入热风, 提高烟气温度, 使沥青烟被炭粉充分吸附, 从而提高净化效率。同时, 也可防止沥青烟粘附在管壁上结疤。
(3) 此项技术克服了混捏成型工序沥青烟气净化系统中管道宜结疤堵塞, 净化效率不高的难题, 解决了混捏成型工序沥青烟对环境的污染, 目前该技术已应用在兰州铝厂26. 8万t/a 电解铝工程的生阳极车间设计中。
参考文献:
∃1%实用供热空调设手册∃Z %. 中国建筑工业出版社. ∃2%工业通风∃M %. 中国建筑工业出版社.
(责任编辑 潘玉敏)
书讯
&中国铝工业企业简介∋征订启事
(电解铝企业分册)
改革开放二十多年来, 我国有色金属工业持续高速发展, 尤其铝工业的发展势头迅猛, 中国已跃居世界原铝生产大国, 同时也是铝消费增长最快的国家。跨入新世纪, 已加入WT O 的中国铝工业已具备了参与全球铝业竞争的能力, 全国仅大中型电解铝生产企业已有130多家, 我国铝工业已经进入了一个快速发展阶段。为了适应这种新的市场变化, 及时沟通企业之间的信息渠道, 宣传企业形象; 同时广大有色金属企事业单位各级干部及有关企业产供销人员也极为需要这方面的权威资料, 我们编印了这本内容实用的&中国铝工业企业简介∋, 中国铝业公司总经理郭声琨任本书编委会主任。该书主要内容:企业名称、企业性质、地址、邮编、电话、传真、生产方法及设备、技术指标、(十五) 规划等。本书发行范围包括国内外有色企事业单位及相关行业, 国家与地方省市主管有色行业的领导部门。现该书已正式出版。定价:每本240元。
联系地址:沈阳市和平区北大街184号&轻金属∋编辑部收电话、传真:024-23261062