談雙根， 鄭 璇， 沙海濤， 陸建寧， 董人和,3， 劉小平,3， 李菊香,3

(1. 鎮(zhèn)江焦化煤氣集團(tuán)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2. 南京華電節(jié)能環(huán)保設(shè)備有限公司， 江蘇 南京 211162； 3. 南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211816)

引 言

目前，鋁業(yè)是國(guó)際上產(chǎn)能最大的電化學(xué)工業(yè)之一；全球的鋁產(chǎn)量?jī)H次于鋼，居各種有色金屬之首。全球?qū)︿X材料的需求仍呈現(xiàn)大幅增長(zhǎng)的趨勢(shì)。炭素陽(yáng)極是鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的電極材料；炭素陽(yáng)極的生產(chǎn)過(guò)程包括煅燒、成型、焙燒、組裝。煅燒工藝是炭素陽(yáng)極生產(chǎn)的最初及最重要工藝階段，在煅燒過(guò)程中，由于以碳?xì)浠衔餅橹饕煞值膿]發(fā)分煅燒及部分粉焦的燒蝕，產(chǎn)生一定量的高溫廢氣，這些廢氣中的熱能，除了部分用于物料煅燒過(guò)程中的加熱得到利用外，大部分隨廢氣排出。每產(chǎn)1噸煅后焦，可產(chǎn)生950 ℃左右的煙氣量約4000 m3，相當(dāng)于約310 kg標(biāo)煤的發(fā)熱值。實(shí)現(xiàn)炭素工藝煅后焦煙氣有效的節(jié)能環(huán)保綜合治理，是保障炭素工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵之一。

1 傳統(tǒng)的治理方法

1.1 局部余熱回收

炭素煅后焦煙氣局部的余熱回收僅僅優(yōu)于直接排放的傳統(tǒng)工藝。在煅燒爐的煙氣出口引入導(dǎo)熱油鍋爐，煙氣進(jìn)入導(dǎo)熱油鍋爐后與爐管內(nèi)的導(dǎo)熱油進(jìn)行熱交換，導(dǎo)熱油被加熱到所需的溫度，煙氣從約950 ℃降到350～400 ℃后再排放，或?qū)?50～400 ℃的煙氣再進(jìn)入水預(yù)熱器進(jìn)一步進(jìn)行余熱回收，最后降溫至約200 ℃經(jīng)引風(fēng)機(jī)引入煙囪排空。

導(dǎo)熱油作為循環(huán)熱媒，其吸收煙氣的熱量用以產(chǎn)生低壓蒸汽，所生產(chǎn)的低壓蒸汽小部分供生產(chǎn)、生活用外，大部分排入大氣。目前，中國(guó)許多已經(jīng)建成使用或正在建設(shè)的延遲石油焦煅燒項(xiàng)目，均采用這樣的工藝流程；此法除了浪費(fèi)能源、工藝蒸汽的冷凝水不能回收外，蒸汽的排放還產(chǎn)生嚴(yán)重的噪音污染。

1.2 余熱蒸汽發(fā)電

煅燒爐排出的950 ℃左右的高溫?zé)煔饨?jīng)蒸汽余熱鍋爐，產(chǎn)生450 ℃左右的中、高壓過(guò)熱蒸汽供發(fā)電或工藝使用；經(jīng)過(guò)蒸汽余熱鍋爐降溫后的煙氣溫度通常為180 ℃左右，由引風(fēng)機(jī)送入煙囪排入大氣。目前，中國(guó)已有較多相關(guān)企業(yè)采用了這種工藝。

2 綜合治理工藝

2.1 工藝思路

近些年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)企業(yè)的環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)煙氣進(jìn)行脫硝、脫硫等的環(huán)保處理也被提到議事日程。目前的中溫(350～380 ℃)SCR脫硝技術(shù)已較為成熟且被廣泛應(yīng)用，為此，如下的節(jié)能環(huán)保工藝應(yīng)運(yùn)而生：煅后焦煙氣先進(jìn)入余熱鍋爐的高溫段，降溫至350～380 ℃進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器，后再進(jìn)入余熱鍋爐。

在對(duì)煅后焦煙氣進(jìn)行上述的節(jié)能及脫硝治理后，為了達(dá)到對(duì)煙氣的脫硫治理，再將180 ℃左右煙氣引入濕法脫硫反應(yīng)器。在中國(guó)，脫硫技術(shù)分為多種，包括爐內(nèi)脫硫和煙氣脫硫，其中的煙氣脫硫又包括干法脫硫、半干法脫硫、濕法脫硫，而脫硫效率較高且技術(shù)較為成熟的是濕法脫硫；由于濕法脫硫?qū)υ瓱煔獾倪M(jìn)塔溫度點(diǎn)要求較苛刻，同時(shí)為了節(jié)約脫硫成本，要求原煙氣的溫度必須低于150 ℃。為了達(dá)到對(duì)煅后焦煙氣的高效、全面的綜合環(huán)保治理，首先對(duì)煅后焦煙氣的降溫節(jié)能提出了更高的要求，其中最為困難的節(jié)能環(huán)節(jié)就是將煅后焦煙氣從約180 ℃降溫至約150 ℃的工藝階段，即必須對(duì)煅后焦煙氣進(jìn)行深度節(jié)能。

2.2 工藝措施

為解決以上問(wèn)題，南京華電節(jié)能環(huán)保設(shè)備有限公司獨(dú)家研制出了一種利用熱管技術(shù)來(lái)達(dá)到炭素煅后焦煙氣深度節(jié)能、高效全面環(huán)保綜合治理的新技術(shù)，系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 煅后焦煙氣綜合治理流程

(1) 工藝流程

煙氣系統(tǒng)：～950 ℃廢氣→高溫蒸發(fā)器→過(guò)熱器→脫硝反應(yīng)器→低溫蒸發(fā)器→徑向熱管省煤器(降溫至約170 ℃)→相變省煤器(降溫至約150 ℃)→引風(fēng)機(jī)→濕法脫硫塔→放空。

汽水系統(tǒng)：常溫軟化水→泵→相變省煤器→除氧器→給水泵→徑向熱管省煤器→汽包(高溫蒸發(fā)器、低溫蒸發(fā)器)→過(guò)熱器→用戶用汽部門。

整個(gè)工藝流程中，過(guò)熱器和脫硝反應(yīng)器的位置視過(guò)熱蒸汽的溫度要求可以調(diào)整。高溫蒸發(fā)器帶有煙氣溫度調(diào)節(jié)裝置，以保證進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器的煙氣溫度符合高效脫硝的要求。余熱回收系統(tǒng)產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽可作工藝用或送至汽輪機(jī)發(fā)電。

圖2 徑向熱管工作原理

(2) 徑向熱管省煤器，其工作原理如圖2所示。暴露在煙氣中的徑向熱管外管，采用高頻焊螺旋翅片來(lái)強(qiáng)化傳熱，因而設(shè)備的傳熱效率高、設(shè)備緊湊、煙氣流動(dòng)阻力相對(duì)較??；由于煙氣側(cè)的傳熱面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管內(nèi)水流的傳熱面積，所以能有效提高煙氣側(cè)的壁面溫度，可避免省煤器內(nèi)部出現(xiàn)煙氣的低溫腐蝕；徑向熱管具有很高的等溫性能，不凝性氣體對(duì)其影響極小，傳熱性能相對(duì)較好；熱量由煙氣傳輸?shù)剿?，完全由熱管元件完成，水被間接加熱，煙氣與水完全隔開(kāi)；系統(tǒng)中熱管元件相對(duì)獨(dú)立，單根或數(shù)根損壞也不會(huì)造成冷熱流體的串流，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；省煤器中的水在內(nèi)管內(nèi)流動(dòng)，因此具有很好的承壓能力；由于水路的焊點(diǎn)均在省煤器設(shè)備的外部，其操作簡(jiǎn)單、維修方便。整個(gè)系統(tǒng)的熱量輸送過(guò)程不需要任何外界動(dòng)力，故障率低，效率高。

(3) 相變省煤器，其核心的熱交換原理仍為熱管技術(shù)，可將煙氣進(jìn)一步降溫至約130 ℃，加熱鍋爐的常溫給水，達(dá)到深度節(jié)能的目的。相變省煤器由吸熱端和放熱端通過(guò)外連管路組成一封閉回路，如圖3所示，其中，吸熱端為煙氣與熱管介質(zhì)換熱，采用的傳熱面為翅片管，翅片與管殼采用高頻電阻焊，

圖3 相變省煤器工作原理

焊接緊密牢固，煙氣在翅片管外流動(dòng)，將熱量傳遞給翅片管中的工質(zhì)；放熱端為熱管介質(zhì)與常溫給水換熱。通過(guò)這樣的間接換熱，達(dá)到將煙氣降溫、冷水升溫的目的。

相變省煤器可應(yīng)用于鍋爐的設(shè)計(jì)及改造中的煙氣尾部，布置靈活，可大幅度降低煙氣的排放溫度，使大量的煙氣低溫?zé)崮鼙挥行Щ厥?，產(chǎn)生十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益；在降低排煙溫度的同時(shí)，保持金屬受熱面壁溫處于較高水平，避免了煙氣的結(jié)露腐蝕和堵灰，大幅度降低設(shè)備的維護(hù)成本；省煤器的壁溫處于可控、可調(diào)、相對(duì)穩(wěn)定，能適應(yīng)鍋爐的燃料品種及負(fù)荷的變化；在保留熱管換熱器高效傳熱特性的同時(shí)，通過(guò)適時(shí)排放不凝性氣體有效再生，大大延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

本工藝最終可使得煅后焦煙氣的余熱回收利用效率提高約2%。

3 結(jié)束語(yǔ)

炭素煅后焦煙氣的深度節(jié)能、高效環(huán)保綜合治理技術(shù)，已在部分炭素企業(yè)得到了應(yīng)用，使用效果達(dá)到了預(yù)期的要求，得到了用戶及當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的認(rèn)可，可作為今后一段時(shí)期大多數(shù)炭素生產(chǎn)企業(yè)借鑒的工藝之一。