电石炉烟气净化及余热利用技术的开发与应用

电石炉烟气净化及余热利用技术的开发与应用1 概况中国电石行业约有电石炉四百多座，年产量居世界首位。国内电石行业在规 模、炉型、布局、节能、环保上存在先天不足，再加上原料质量差管理水平仍 然比较低，同时能耗高、污染严重。一方面电石炉烟气的余热利用效果不佳， 另一方面电石炉烟气的除尘净化更是难中之难、重中之重。在电石生产中，电石炉的烟气是最大污染源，以一座10000KVA勺开放式电石炉为例，年排放废气量（以每年生产 1 0个月计算）达 6亿标准立方米，年粉尘排 放量超过 1 000吨，污染极其严重。由于电石炉烟气温度高，粉尘性质特殊，风 量变化大，国内电石行业采用了许多除尘技术，进行了大量的烟气净化的实 践，但都未能根本解决问题。为推动国内电石炉行业技术进步，我国八十年代末从德国、挪威、日本等国引 进8套25000KVA全密闭电石炉，引进中空电极、气烧窑、组合式把持器、干法 除尘计算机控制等五项新技术。从应用上看，组合式把持器、计算机控制二项 技术获得了成功，但中空电极、电石炉烟气干法除尘技术却始终无法成功，由 于烟气无法净化而不能向气烧窑提供洁净的气源，导致气烧窑技术也最终失 败，烟气的污染不能解决，烟气中的大量的热能也白白浪费。国内电石炉烟气净化的实践告诉我们：无论是早期自行研制的电石炉除尘技 术，还是从国外引进的新技术，或者改进后的除尘技术；无论是采用电除尘技 术、或者袋除尘技术，还是采用耐高温陶瓷过滤技术，或者水除尘技术，都因 为无法适应电石炉烟气变化和焦油糊袋、或形成二次污染而最终全部失败。新 老项目普遍产生的严酷现实使电石炉行业认识到：即使是引进国外技术，也必 须是成熟过硬的技术，还要符合中国的国情，否则将无法发挥其先进性。同 时，要求国内电石行业必须下更大的力气和决心开发适合中国国情的电石炉烟 气余热利用和烟气净化装制。1996年 8月，由国家建材局合肥水泥研究设计院、中国船工业公司第七研究 院、三明化工总厂等单位共同承担设计的电石炉烟气净化及余热利用系统在三 明化工总厂 4#电石炉投入运行。四年多的运行证明，该装置运行稳定可靠，除 尘器排放多次检测均小于50mg/Nm涂热锅炉副产蒸汽经济效益十分显著。整个 系统由计算机集成监测控制，自动化程度很高。三明化工总厂4#电石炉烟气净化余热利用技术取得了巨大的成功，这标志着国内电石炉烟气环保与节能两面 三刀大难题从技术上来讲已经完全可以解决。以这些技术为基础，新的能够适 合不同用户要求的电石炉烟气余热利用及烟气净化技术不断被开发出来，并很快获得应用，取得了很好的经济效益社会效益2 电石炉的烟气特征电石炉从炉型上来说分为开放式炉、半密闭电石炉和全密闭炉三种。炉型不 同，其烟气性质完全不同。开放式电石炉烟气量大，烟温低，一般不超过 200C ;半密闭电石炉烟温较高，一般达到400C以上，烟气量大幅降低；全密闭电石炉烟温最高，高达6001000C，但烟气量很小。除与炉型有关外，不同 的地区、工艺流程、操作手段、原材料都对电石炉的烟气特征产生影响。一般 来说，电石炉的烟气特征如表 1、表 2、表 3所示。表 1 不同炉型电石炉的烟气工艺参数 炉型开放式炉半密闭炉全密闭炉烟气温度 160 200C 350550C 6001000C风量/ 吨电石产量 30000Nm3/h9000Nm3/h400Nm3/h 含尘浓度 1 3g/Nm38 20g/Nm3130 200g/Nm3 氧含量 1917 微量一氧化碳含量 1.25.010二氧化碳含量微量微量 5氢含量 80.47613氮气含量微量微量较多 表2电石炉烟气中粉尘的化学成分粉尘种类CaOCSiO2Fe2O3AI2O其它百分比 37.234.115.80.967.14.84 表3电石炉烟气中粉尘的粒径分布粒径 卩m（2255101020204040百分比 37.519.621.815.64.11.43 国内电石炉烟气治理存在的问题 从上面的数据可以看出，电石炉烟气温度高，风量大，成分复杂，不同炉型的 烟气特征差别很大。同时粉尘的性质比较特殊，粉尘颗粒细，比表面积大，比 重轻，同时还具有一定的粘性，难以清灰；粉尘中含有较多的焦炭粉尘，磨蚀 性比较强；粉尘中的比电阻也比较高，治理难度比较大。国内电石行业为治理电石炉烟气进行了大规模、长时间、形式多样、坚持不懈的烟气余热利用及净化试验研究及实践。具体来说，开放炉多采用旋风除尘 器、电除尘器，如浙江巨化焦团电石厂采用复合沉降室外旋风除尘器二级除 尘，便未能达标；还有某电石厂采用电除尘器因此比电阻太高也无法达标；山 西某电石厂采用反吹风袋除尘器，因温文工团变化大，清灰困难、焦炭粉尘夹 带火星烧毁滤袋等原因最终失败。半密闭炉由于烟气疲软度高，无法直接应用袋除尘器或电除尘器，比较好的如 牡丹并化工一厂利用烟气烘焦炭后除尘，但也未能达到排放标准；三明化工厂 1989年上的20000kVA电石炉配套余热利用及烟气净化系统，采用余热锅炉和 三级除尘方案，由于设计不过关，虽经多次整改，仍然无法挽救失败的命运。全密闭电石炉烟温高达6001000C，烟气成分复杂。国内较为先进的如上海 吴淞化工厂采用湿法除尘，但未能达标，同时造成严重的水污染（含氰废 水），现已被迫停用；杭州电化厂炉气直接引入锅炉燃烧，降温后进旋风、布 袋二级除尘，由于锅炉受热面积问题未能乇底解决，热交换恶化后，烟气温度 达到400C烧毁滤料。从国外引进的全密闭炉配套干法袋除尘技术，烟气冷却 净化后进氯烧窑烧石灰，由于烟气冷却后焦油析出，冷却器滤袋很快被粘糊而 失效，气烧窑只能停用，烟气直排大气燃烧（点天灯），既浪费热能又污染环 境。在 1996年以前的国内电石行业，无论是国内自行设计的还是从发达国家引进的 余热利用及烟气净化技术，都没有解决环保与节能两大问题。虽然有少企业对 电石炉烟气的部分热能进行了利用，但利用后的尾气始终无法解决达标排放的 问题。4 三明化工厂 4#电石炉烟气治理的实践 三明化工厂4#20000kVA半密闭电石炉1989年建成，按照环保三同时的要 求，在国内外没有成功除尘技术的情况下，设计建设一套余热利用、三级除尘 装置，试运行后很快暴露出一些问题：余热锅炉因受热面积灰影响热效率，烟 气出口温度偏高烧毁滤袋，同时烟尘堵塞受热管影响通风；袋除尘器设计及工 艺参数不合理，运行故障多，清灰效果差，检修维护困难；由于粉尘粒径细， 比重轻，前二级除尘基本没有效果，反而增加了漏风和运行阻力；主风机震动 剧烈，多次震断地角螺栓。由于整个系统设计不合理，使用的技术也不过关， 该系统尽管经过多次整改，仍不能最后解决问题，烟气只能直排大气污染环 境。由于三明化工厂地处 国家卫生城市 三明市中心，解决电石炉烟气污染的 问题列入该市 1994 年市长为民办实事 项目、福建省环保重点治理项目。同 年，三明化工厂将 4#电石炉烟气治理作为重点科技攻关项目，专题研究，限期 解决， 1995年列入福建省产学研联事开发项目。为了给改造方案提供可靠的基础数据，对 4#电石炉组织了多次的测定。取得了 烟气成分、湿度、温度、烟气流量、粉尘成分及粒成分及粒径分布、炉面压力 等到重要参数，研究了炉面的操作情况和和项工艺参数的波动情况，并对原装 置中存在的问题进行分析和测试，找出失败的症结。在本行业没有成功经验， 最后提出了 余热利用、落丸清灰、玻纤袋除尘、负压流程、计算机控制 的技 术方案，该项目由合肥水泥研究设计院和中国船舶工业总公司第七研究院、三 明化工总厂等单位共同承担设计和设备成套。该方案的工艺流程如下图：电石炉产生的烟气由导烟管引入分流室，正常情况下经主烟道进入余热锅炉进 行热交换，温度降至220C后进玻纤袋除尘器除尘，净化后烟气由引风机送入 烟囱排放。余热锅炉产生220C左右的过热蒸汽供生产使用。该系统由余热锅炉、玻纤袋除尘器、主风机三大主机设备组成主系统，另外还 包括软化水系统、落花流水丸清灰循环系统、过热蒸汽并网系统、玻纤袋除尘 器反吹风系统、卸灰输送系统、计算机控制系统等辅助系统。关键技术的突破 包括锅炉受热面清灰技术、玻纤袋清灰技术、温度控制技术、钢结构热应力补 偿技术、系统设计技术、引风机耐温防震技术、滤料设计技术等。余热锅炉采 用单气包自然循环直立烟道式，用落丸清灰技术有效解决了锅炉受热面的清灰 难题；锅炉结构紧凑、热工制度稳定，保证烟气出口温度稳定在220C以下，满足了袋除尘器的要求。根据电石炉烟气特点专门设计的LFEE玻纤袋除尘器采用了一些最新技术，重点考虑了气流分布、清灰方式、卸灰方式、温度控制、 设备锁风等技术，并考虑了加强的钢结构设计及整体热应力消除技术。由于采 用负压流程，进入主风机的烟气已经得到净化，风机运转的可靠性大大加强。 计算机控制方面实现了各工艺过程主要参数的实时监控，锅筒水位自动调节， 锅炉受热面和玻纤袋清灰的自动控制，落丸清灰系统过程监控。主要工艺参数 实现了实时曲线或数据显示，并可以根据需要随时查询打印。该系统于 1996年 8月投入运行，效果相当令人满意，经当地环保局及三明化工 厂检测后各项指标如表 4。表4三明化工厂4#20000kVA电石炉烟气净化及余热利用系统技术指 项目技术指标炉面负压50100Pa处理风量1200000m3/h （工况）烟尘排放浓度 40.3mg/Nm3林格曼黑度 1 级系统除尘效率 99.5烟气排放温度1500过热蒸汽压力 0.55Mpa过热蒸汽温度 2200系统阻力 4000Pa系统投运至今四年多来，除开始进行过一些调整，以后运行情况日趋稳定，烟 尘排放始终保持低于国家标准。目前每年副产过热蒸汽27000 吨左右，年回收粉尘 2500多吨，经济效益、环境效益、社会效益都十分显著。整个系统阻力稳 定，表明清灰问题得到有效解决；主风机运行平稳尚未出现故障；自动化程度 高，方便稳定可靠；滤袋平均寿命达到二年以上，大大节约了运行费用和维护 时间，用户非常满意。三明化工厂 4#炉烟气净化及余热利用的成功应用是国内首次彻底解决电石炉烟 气环保与节能两大难题 , 也是全国电石行业和环保技术应用方面的一次重大突 破。这标志着困扰我国电石行业多年的环保节能问题从技术上已经完全可以解 决。1997年 11 月，原国家化学工业部在上海召开电石行业节能和环保技术研 讨会，专门推荐了该项技术，引起极大的重视。该技术还获得福建省1998 年度省科技进步奖，并被列入 2000 年度国家级火炬计划项目。5 其它技术途径三明化工厂2000KVA半闭电石炉烟气净化应用系统成功后，该厂两台16500KVA半闭炉也采用同样的技术方案；这项技术还应用在胜利油田12500KVA半密电石炉上，都取得了满意的效果。但是应用该技术还是有一定的条件：烟气温度必 须超过 3500才能产生过热蒸汽；烟气量不能太大，否则经济上没有可行性； 烟气中不能有焦油，否则余热锅炉和玻纤袋除尘器都将失效；烟气中一氧化碳 必须小于一定比例，否则进余热锅炉容易产生爆炸。这样的应用条件对于占我 国电石行业主要地位的开放炉和全密闭炉来说是无法达到的。另外该技术一投 资太大，如三明化工厂20000kVA半闭炉烟气净化及余热利用系统一次投资达 700万元，用户负担较重。特别许多电石厂不需要过热蒸汽，投巨资上余热锅 炉没有太大意义。近几年我们进行了深入的研究，提出多种技术解决方案，适 应不同的炉型和用户的要求。开放炉的特点是烟温低、烟气量大，既无法进行余热利用，烟气处理设施装置 也比较大，因此国家经贸委 1999年 6号令要求关停或改造所有的开放式电石 炉。开放炉可以改造企业大多规模小、资金有限，一般不可能投入巨资进行半 密闭炉的改造并上余热锅炉系统，而占我国电石行业的 70 左右开放炉企业也不 可能都关停，因此对开放炉进行这方面的尝试，花钱不多也实现了烟气的达标 排放。如安徽氯碱化工集团13500kVA开放炉进行面密封改进后，烟气量下降 1/3，烟温提高至300C,采用专门设计的喷雾降温系统后，烟气量进一步下 降，烟温降至220C，满足了玻纤袋除尘器的使用要求；由于采用了大断面喷 雾技术，消灭了烟气中夹带的火星，有效防止了火星对滤袋的伤害。这套系统 省了余热锅炉，烟气量又大幅度下降，因此投资较低，同样解决了烟气污染的 问题。半密闭电石炉烟气治理已经有了三明化工厂这样的样板，但有的用户并不需要 蒸汽而不愿投巨资上余热锅炉，对此可以考虑其它烟气降温办法。如河南腔北 调焦作鑫达化工化纤有限公司 6300kVA半密闭电石炉的烟气治理，我们专门设 计了一套烟气强制空气冷却器，高温烟气经冷却器降温后入玻纤袋除尘器除 尘。与余热锅炉 袋除尘器技术相比，这套系统所需要的投资减少一半以上。空 气冷却器使空气加热以烘干焦炭，余热也得到了较好的应用。与三明使用的反 吹风玻纤袋除尘技术相比，专门为电石炉除尘设计的箱式脉冲和喷吹清灰除尘 技术也完成了试验研究，即将投入实践。与反吹风玻纤袋除尘器相比，新型脉 冲除尘器的钢耗大炎降低，设备投资减少 1/4，由于采用毡类滤袋，滤袋平均 使用寿命会大幅度提高，系统阻力也会有明显减少。全密闭电石炉的主要技术和装备是从国外引进的，一般规模较大，生产效率较 高，但其烟气净化及热能利用至今尚未有成功的先例。经调查全密闭炉的烟气 干法净化技术即使在发达国家也是一个难题。其难度在于其烟气高温、粉尘细 粘轻、一氧化碳含量高、焦油含量高且容易析出、烟温变化大等因素，并存在 一定的危险性。我们提出两个方案供参考。方案一是烟气降温后入袋除尘器净 化，净化后的气体主要是一氧化碳等可燃气体，经再次降温后送入气柜储存或 使用。该方案的关键是烟气降温必须严格控制在一定范围内，既不能超过滤袋 子所承受的温度，也不能低于焦油析出的温度；降温装置及玻纤袋除尘器的清 灰方式必须可靠，确保含油焦油的粘附性粉尘及时清除；整个系统的密封必须 严格保证以防发生燃爆事故。该方案烟气处理量较小，投资较省，但对系统的 控制要求很高，同时存在一定的风险性。方案二是将出炉烟气直接送入锅炉燃 烧，经热交换降温后进袋除尘器干法净化。锅炉产生的蒸汽可以并网发电或供 生产使用。该技术的关键是控制燃烧确保烟气中可燃物充分燃烧、锅炉的消灰 及布袋除尘器的清灰、系统各环节的温度控制。出炉烟气燃烧后烟气量大大增 加，处理装置也将扩大，因此投资较大。但该方案采用的所有技术都比较成 熟，因此可靠性较好。6 小结 电石行业总体环保与节能的水平较低，如果政府不给优惠电价，电石生产就要 亏本；如果环保标准严格执行，电石厂就必须停产。所以环保与节能是关系到 电石企业生死死亡的重大问题。三明化工厂 4#电石炉烟气净化与余热利用系统的成功应用，较好地解决了电石 生产节能与环保问题，该技术已经被证明先进可靠、运转率高，并取得经济效 益、环境效益、社会效益三丰收的成绩。这对推动整个电石行业的技术进行具 有重要意义。之后，更具针对性、更经济、新型的电石炉余热利用及烟气净化 技术不断被开发应用，满足不同炉型和用户的需要。余热利用方面既可以采用 余热锅炉副产蒸汽，也可考虑采用空气冷却器烘干焦炭；除尘技术方面也有玻 纤袋技术、脉冲除尘技术供用户选择。全密闭电石炉虽然尚无应用成功的先例，但技术上解决已经没有任何问题，另 外还要开发其它更加经济、能适应不同用户要求的多种技术途径，并尽快实现 全密闭电石炉烟气净化和余热利用的实际应用。