电石炉烟气净化及余热利用技术的开发与应用(一)
详细内容
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的开放式电石炉为例，年排放废气量（以每年生产10个月计算）达6亿标准立方米，年粉尘排放量超过1000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/Nm3余热锅炉副产蒸汽，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和社会效益。
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200℃；半密闭电石炉烟温较高，一般达到400℃以上，烟气量大幅降低；全密闭电石炉烟温最高，高达600~1000℃，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160～200℃350～550℃600～1000℃
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CaOCSiO2Fe2O3Al2O3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μm0～22～55～1010～2020～40>40
百分比37.519.621.815.64.11.4
3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600～1000℃，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400℃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。虽然有少数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：