陶瓷工业窑炉烟气一体化治理研究

陶瓷工业窑炉烟气一体化治理研究

　夏　清　曾光明　李彩亭 叶　昌

(湖南大学　长沙　410012) (湖南轻工业高等专科学校　长沙　410007)

摘　要　分析了燃煤窑炉在陶瓷工业中存在的必然性,阐述了陶瓷工业燃煤窑炉产生大气污染的机理,研究出一种除尘、消烟、脱硫一体化的陶瓷燃煤窑炉烟气净化装置。

关键词　燃煤窑炉　烟气　除尘　消烟　脱硫　净化装置

　概述

陶瓷工业是高能耗、高资源消耗、产生高污染的行业,尤其是对大气环境的污染非常严重。这是由于经过成形、上釉的半成品,必须通过高温烧成才能获得瓷器的一切特性。陶瓷窑炉使用的燃料多种多样,而煤占燃料总消耗量的2/3,燃气窑炉排放的烟尘很少很少,燃油窑炉排放的烟尘不多,黑烟、粉尘污染远低于燃煤窑炉。但对一个陶瓷企业而言,窑炉及燃料的选择需考虑多方面的因素,涉及问题较广,并非完全取决于烟尘生成量的多少。重(渣)油是用原油经常压或减压蒸馏提取馏分后的残油,重油作为一种经济、安全、热值高的燃料在工业窑炉上利用较多,然而,由于我国炼油技术不断提高,企业使用的重油越来越差(粘度高、雾化困难,燃烧性能不好),从而也影响了它在陶瓷窑炉中的广泛使用。轻柴油是动力燃料,用作窑炉燃料,生产成本相对较高。气体燃料作为一种洁净燃料,是窑炉的最佳燃料也是陶瓷工业燃料的发展方向,但采用天然气和焦炉煤气要受地方限制,采用发生炉煤气,则要建煤气发生站,投资巨大,对气化用煤又有严格要求,且三废处理也是一大难题。我国是一个陶瓷生产大国,但不是生产强国。这体现在中小企业居多,如果都要求使用燃气或燃油窑炉燃烧洁净燃料,这是不大现实的。虽然燃煤会产生烟尘污染,劳动强度大,但由于燃煤窑炉建造费用和燃料成本低,并且我国煤炭资源丰富,分布广泛,可以就地取材,所以对广大中小陶瓷企业,特别是乡镇企业,今后很长一段时间内,仍将使用燃煤窑炉,这也符合我国当前的能源政策。据资料统计,目前仅在日用陶瓷,建筑陶瓷生产领域中就有3000余座燃煤窑炉,达到窑炉总数的70%,另外在这些陶瓷企业中服务生产的锅炉也是燃煤的,也产生很多的烟尘,加重了烟气对环境的危害。

陶瓷燃煤窑炉主要有倒焰窑、推板窑、隧道窑3种类型,燃烧室的结构基本相同,都采用简单传统的梁状水平、倾斜炉栅,燃煤方式属于加煤层状燃烧,它们最大的缺点在于燃烧过程不稳定,燃烧条件不充分,不完全燃烧损失大。对烧成产品而言,需采用有匣烧成,否则,产品的表观质量根本无法保证。对环境而言,产生的污染很大。燃煤窑炉已成为当地大气污染的主要污染源,严重危害人们的身体健康和人类生存环境。特别是些老瓷区,林立的烟囱整日喷出的是滚滚浓烟,使“天不蓝、水不清、山不绿”,目前已成为环境污染的重灾区。因此必须对此进行治理。

1　燃煤窑炉产生烟气污染的机理

陶瓷工业窑炉烟气中有害物质可分为两类:一类是气相化学物质,如SO x、NO x等,另一类是固相的烟尘。都是造成大气污染的主要污染物质之一。

SO x是由煤、粘土中的硫化物杂质在800℃左右被氧化所致。

FeS2+O2

350～450℃

FeS+SO2←

4FeS+7O2

500～800℃

2Fe2O3+4SO2←

烧成过程中形成的NO x包括由燃料中固定氮生成的和由大气中氮生成的。这些气相物质是酸雨的主要来源。每座窑每小时排SO2量6.43～9.35㎏。SO2量与燃料的含硫量大小有直接关系。固体或液体燃料完全燃烧生成的二氧化硫量可用下式计算:

SO2=2×(SB/100)(㎏/h)

式中:S———燃料中的含硫量,%;

B———燃料消耗量,㎏/h。

烟尘不仅妨碍植物的光合作用,影响气候和危害建筑物,还使人类的心血管疾病、呼吸道疾病和肺癌的发病率与死亡率增加。陶瓷燃煤窑炉大都采用挥发分含量较高的烟煤为燃料,人工加煤。烟煤在简单的梁状倾斜炉栅上进行层状燃烧,燃料层结构如图1所示。上部是加入的新煤层,中部是灼热燃烧的焦炭层,下部是灰渣层,空气从炉栅之间缝隙吸入助燃,燃烧由下往上进行。刚加煤时,新煤覆盖在燃烧着的焦炭上,下面受高温火焰和灼热焦炭的加热,上面受炉膛高温炉壁的热辐射,

国家自然科学基金(49201015)、教育部优秀年轻教师基金、湖南省优秀中青年科技基金资助项目

强烈的双面加热使得烟煤很快进行干燥干馏,短时间内析出大量挥发分(煤挥发分开始析出温度为200～300℃,且在短时间内可析出挥发分的80%～90%),挥发分的主要成分为易分解的碳氢化合物及少量的气态杂质。大量挥发分的析出需要大量的氧,而新煤的加入使燃料层变厚,通风阻力大大增加,造成从炉栅吸入的助燃空气不足,助燃空气流经焦炭层时氧和碳反应后几乎耗尽,再流经新煤层与挥发分混合一起进入炉膛空间却起不到助燃作用(无O 2)。加入的新煤压盖了焦炭层火焰使炉膛温度和烟气温度下降。加煤时炉门大开,冷空气直接由炉门冲入炉内,既破坏了炉内负压,也更加降低了炉内温度。因此,加煤前期从新煤层逸出的挥发分在炉膛内处于低温缺氧状态,得不到良好的燃烧条件无法充分燃烧,从而裂解产生粒径为0.02～0.05μm 的微小碳粒,即碳黑。这些碳黑随烟气经支烟道、总烟道从烟囱中排出,便形成浓浓的黑烟。这一过程约15～30min 。等到炉温提高,挥发分浓度降低后,炉膛内燃烧开始正常,火焰变得明亮,烟气颜色变淡。燃料层逐渐减薄,进风量也越来越大,燃烧需氧量逐渐减少,出现供风量大于所需风量的状况,使烟气量增大,排烟热损失增加。一段时间后,炉膛内煤逐渐燃烬,必须重新向炉内加煤,于是烟囱又排出浓浓黑烟,周而复始,形成燃煤窑炉不断排放黑烟的恶性循环。这就是手工燃煤不可避免的周期性冒黑烟的根本原因。煤的挥发分、块度和水分、助燃空气量及均匀情况、炉膛温度、混合速度和燃烬时间、生产使用的原料和产品质量对烧成的要求等都可影响黑烟产生的轻重,燃煤隧道窑产生的黑烟的林格曼黑度达2～3级;燃煤倒焰窑产生的黑烟的林格曼黑度可达4～5级,每燃烧1t 煤约产生10μm 以下的飘尘9㎏。如燃煤倒焰窑烟尘的粒度分布,在烟囱口取样,用格林氏沉降法测定结果如表1所示

。

图1　上加煤的燃料层结构

表1　用格林氏沉降法测定烟尘粒度分布结果

>10μm

10～5μm 5～2μm 2～1μm <1μm 平均

0.25%

0.75%

8%

38%

53%

碳黑是以碳为主体,包括氢、氧等元素的有机化合物。据分析,碳黑含碳96.2%,含氢0.8%,含氧3%。刚产生的碳黑近乎球形,非常微细,单个粒径为0.02～0.05μm ,要用显微镜才能对其进行测定。但碳黑微粒存在聚积倾向,相互碰撞后有

可能凝聚成大颗粒的碳黑聚积体。收集到的碳黑多呈絮状或

片状,重量很轻,假比重小于0.05,与真比重比较后得知其空隙率高达98%,难溶于水且呈疏水性。

2　燃煤陶瓷窑炉烟气污染的治理

目前世界上有许多脱硫技术,除尘器更是种类繁多,都已在发挥作用。对于陶瓷工业窑炉中使用最多的燃料———煤,加入固硫固硝剂,就是治理气相污染的最简单的方法,采用袋式除尘器或水膜除尘器尽管运行维护费用较高,还是可以除去烟气中的粉尘的。实验证明,对于小于0.05μm 的碳黑微粒,任何除尘器都无能为力。而链式炉排、阶梯分风燃烧、明焰反烧,复式燃烧等改进燃烧技术的消烟措施,不能降低烟气含尘量,若鼓风燃烧反而使烟尘浓度会略有增大。并且改进燃烧技术的消烟措施都难达到还原焰的烧成要求。为了既满足生产要求又达到环境保护的要求,根据陶瓷燃煤隧道窑排烟特点,在两条窑排烟汇集的总烟道处取烟气在我们自行研制的净化装置中与吸收液作用,达到除尘、消烟和治理气相污染的目的。具体工艺流程示意图如图2所示。净化后的烟气脱水后经引风机由烟囱排入大气,吸收液循环使用。在实施过程中,必须解决以下几个问题:烟气的引出和原有烟囱等排烟系统的利用、除尘、消烟和去除有害气体及装置的防腐和防磨。

图2　净化系统工艺流程示意图

2.1　烟气的引出和原有烟囱等排烟系统的利用

在设计隧道窑时为节约费用其排烟系统就是考虑两条隧道窑烧成产生的烟气经各自的排烟孔、支烟道,汇集到总烟道经烟囱高空排放的。同样为了节约费用便于管理,将两条隧道窑烧成产生的烟气一起净化。所以,在总烟道上设闸板,在总烟道上方(闸板前方)开口引烟气进入净化装置,当然,引烟气的管道上也设闸板,以方便净化装置维修或烟气量变化时调控

烟气流向和流量。烟囱前总烟道处设置引风机,净化后的烟气脱水由引风机引入原总烟道(或烟囱底部)经烟囱排入大气,这样既利用了原有烟囱等排烟系统,高空排放、达到高处理要求、节约费用,又可应对净化装置维修、检修时连续烧成隧道窑的排烟。

2.2　烟气量的计算

当燃料化学组成无法确定,燃料燃烧所需理论空气量和生成的理论烟气量,可根据燃料的种类和低热值作如下近似计算:

当Q n et >20900kJ /㎏时

V 0k =1.

10Q net /1000(N /㎏·h )V 0y ={

(1.10Q net /1000)+0.4}(N /㎏·h )当Q n et <20900kJ /㎏时

V 0k ={

(1.01Q net /1000)+0.5}(N /㎏·h )V 0y ={

(0.915Q net /1000)+1.5}(N /㎏·h )当燃料化学组成和热值均不知道时,可由下式估算:

V 0k =6～8

(N /㎏·h )V 0y =6.

5～8.5(N /㎏·h ) 还原气氛烧成,a (空气过剩系数)>1,取a =1.5(一般a =1.3～1.7)

V y =V 0y +(a -1)V 0k (

N /㎏·h )式中:Q n et ———低热值;

V 0k —

——理论空气量;V 0y —

——理论烟气量;V y ———实际烟气量。

再考虑煤耗R (t /d )、排烟温度(℃)

Q (每座窑排烟量)=(V y R ×103/24)(273+t )/273( /h ) 总排烟量Q 总=2Q ( /h )2.3　除尘

陶瓷燃煤窑炉含尘烟气经各自的排烟孔、支烟道汇集到总烟道。烟道曲折多变,烟气流速小流程长,大部分灰尘在重力作用下沉降于窑底和烟道内,只有少量随烟气排出。通过对相对燃油窑炉产生烟尘多的许多燃煤窑炉的烟气检测发现,只有少量飞灰随烟气排出,烟尘浓度普遍低于350㎎/N (空气过剩系数折为1.5)。从总烟道上取含尘烟气切向进入烟气净化装置,吸收液由下部喷入净化装置。在净化装置内,粗尘(粒径大于10μm )通过离心力除去。而由燃煤烟尘的粒度分布可知,大于10μm 的粒子只占0.25%,也说明了这个问题。而此离心作用的存在,可帮助液气分离,使净化的烟气排走时少夹带液滴,提高净化效率。

10μm 以下的细尘,由于粒径小,靠重力沉降或离心分离是难以除去的。而用湿式除尘可以通过尘粒和液滴的碰撞及凝聚达到较高的除尘效率。尘粒和液滴的碰撞机率用无因次碰撞数N 表示:

N =(vd 2p 1/18Ud w )C

式中:v ———尘粒相对于液滴的相对速度,m /s ;

d w ———液滴直径,m ;

C ———Cunninghu m 滑动修正系数。

由上式可知,N 和v 成正比,和d w 成反比。因此提高气液相对速度和减少液滴直径是提高除尘效率的主要途径。因此在设计净化装置时,要增大气液相对速度,使吸收液充分雾化,减小d w ,提高N ,最终达到较高的除尘效率。当然,也不能太小,太小会随气流一起运动,反而减少气液相对速度(液滴的最

佳直径为500～1000μm )。

2.4　消烟

燃煤窑炉层煤燃烧产生烟气的黑烟是碳黑(包括烟炱),它是以碳为主体,包括氢、氧等元素的有机化合物,碳黑微粒存在聚积倾向,相互碰撞后有可能凝聚成大颗粒碳黑聚积体。收集到的碳黑多呈絮状或片状,重量很轻,视密度小于0.05g / ,所以不能用重力沉降或旋风除尘去除。由于碳黑表面和水之间只存在分子间力,而这种力不足以克服水分子之间的内聚力,因此碳黑和水的亲合力很差,碳黑呈疏水性。所以常规的湿式除尘也难以有效捕集碳黑。

1-碳黑　2-液滴　3-活化剂分子　4-气相

图3　活化剂桥连示意图

我们通过理论分析、实验室实验和小试研究表明:在湿式除尘吸收液中添加极少量的活化剂,可以改善碳黑—吸收液两相间的结合状态。吸收液对碳黑的浸润能力由活化剂的亲水能和疏水能的相对大小来决定。疏水能太强,活化剂与水无足够的亲和力;而亲水能太强,就使活化剂的表面活性降低,难以与碳黑结合。只有活化剂的亲水能和疏水能的比值在一定范围时,才能充分发挥碳黑与水之间的桥连作用。图3为活化剂桥连作用示意图,亲水基与水结合,疏水基与碳黑结合。据此研制的活化剂由工业品配制而成。把活化剂浓液置于沉淀池上方的药箱中定期向池内添加。用水泵把池中吸收液打入净化装置。在装置内构件的作用下,气液固三相充分混合、接触,通过活化剂的桥连作用,吸收液把碳黑捕集下来,从而达到消烟目的。脱除的碳黑在池中凝聚并上浮,定期刮除,可在窑炉上作燃料利用,吸收液循环使用。2.5　去除有害气体

在煤燃烧过程中有SO 、NO 等气体产生,这些有害气体在装置中和烟尘、碳黑一起被除去。由于烟气需处理量大、吸收组分浓度低及要求吸收效率和吸收速率较高等特点。所以一般简单的物理吸收是不能满足要求的,净化装置中采用碱液吸收SO 2等有关酸性气体。据双膜理论这是由气膜控制的吸收。综合各方面的因素,采用双碱法处理脱硫水,即常用的钠钙双碱法。在启动时以纯碱液吸收SO 2,在净化装置内,当烟气和吸收液发生复杂的传质过程时,SO 、NO 与吸收液中的碱性物质发生酸碱中和反应,生成无害化的盐和水,从而把有害气体去除。吸收液用石灰再生。纯碱溶液在启动后其中的CO 32-基本被去除,吸收液再生后,循环使用。循环过程中的主要化学反应过程如下。脱硫过程:

Na 2CO 2

NaOH+SO2NaSO3+H2O

NaS O3+SO2+H2O NaHSO3

此反应在净化装置内完成,生成废液流入循环沉淀池进行再生过程:

NaHSO3+Ca(OH)2NaSO3+CaSO3+2H2O

NaS O3+Ca(OH)2NaOH+CaSO3

此反应在循环沉淀池中完成,生成的CaSO3和副产物Ca-SO4与灰渣共沉在池中。

再生水的pH值由加入的石灰乳控制,经精确计算和测试控制在9左右,适时补充一定量的活化液和Na2CO3溶液以维持再生洗涤吸收液中的Na+、活化剂的浓度,确保消烟脱硫率。

脱硫消烟后的废液从装置底部的溢流池排出,流入循环沉淀池和石灰乳进行再生反应,经浮渣和沉淀后,流入集水池。清液由循环水泵从装置的喷嘴喷入装置内,这样吸收液就处在“除尘消烟脱硫—再生、浮渣、沉淀—除尘消烟脱硫”的循环使用过程。

2.6　装置的防腐和防磨

燃煤原始烟气中既含有烟尘,还含有腐蚀性气体,因而净化装置的材料是否耐腐蚀耐磨损将直接影响净化装置的使用寿命。分析和研究证明,单一的金属材料不足以耐腐蚀耐磨损,5㎜厚的钢板实际应用20d即磨损腐蚀穿空,用单纯的非金属材料强度又难以保证。所以应根据装置及其构件所处的位置和环境特点,在不同部位分别采用不同的组合材料或复合材料,发挥它们的各自特点。由金属材料提供强度保证,组合材料或复合材料保证耐磨耐腐蚀。这样使得做出来的装置造价低、重量轻,并且耐腐蚀性能、耐磨性能均好,有较长的使用寿命。

3　工程分析

将以上研制的净化系统应用于实际,在工程上是完全可行的,原因分析如下。

1)燃煤窑原是靠自然抽力排烟,烟道曲折而长,烟尘已在进入净化系统前因重力而除去部分,因而后续系统的除尘压力相对减轻。

2)烟气进入净化装置在离心力的作用下大于10μm的颗粒会被除去,旋风除尘的技术很完善,效率也很高,这在实践中早已被证明。

3)由于在净化装置中设置了喷嘴喷雾,即采用旋风式洗涤除尘,含尘气流在装置内一面旋转一面上升,被喷雾喷出的水滴所洗涤,所以碰撞和附着在液滴上的小于10μm的粉尘和聚集碳黑就由于离心力而在装置内壁上捕集下来。旋风也可帮助净气和吸收液的分离。

4)活化剂的采用使疏水亲油的碳黑能很好的溶于水,增强吸收液对碳黑的捕集和洗涤作用。活化剂可由相关企业的废料配制而成,造价低,可解决废料的出路问题,且活化剂用量也非常低。

5)采用双碱法去除SO2等酸性气体,在很多的实际工程中证明70%的除去率是完全可以达到的,还不会有CaS O3进入管道系统和装置本体造成系统结垢。石灰也是比较便宜的。条件许可的话,可利用造纸厂,冶炼厂的碱性废液,以废治废。Na2CO3溶液又是一种表面活性剂的助剂,可降低活化剂的用量。

6)在净化系统选材上,对耐磨性、耐腐蚀问题给予了足够的考虑,能满足使用寿命的要求。

7)从整个系统来说,各部分都比较协调、互相支持。压损和动力消耗都不大,以水为主体的吸收液循环使用,转嫁污染少,原来的排烟系统也可利用。最后的碳黑浮渣可再利用(本厂作燃料或给油墨厂作原料),沉渣可给水泥厂、砖厂利用。整个系统运行维护费用较低。

4　结论

鉴于该套净化装置治理铝合金尾料回炉烟气(与燃煤烟气性质一样)的4年运行的结果:净化装置运行安全,操作简便,净化效果好。经环保部门测试,烟气林格曼黑度由5级降为1级,除尘效率99%,酸性气体净化效率73.68%,处理后排气含尘、黑度、有害气体均优于国家一级排标的要求。因此将该套净化装置治理陶瓷燃煤烟气是完全可以达到除尘、消烟、脱硫一体化治理,保证陶瓷生产企业达到我国大气污染防治法的要求。

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