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基于環保達标及能源安全發生爐煤氣作為陶瓷爐窯燃料相關問題分析(修改)

發布時間:2021-07-14
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苑衛軍王輝韓明汝楊征
(唐山科源環保技術裝備有限公司河北唐山 063000)


摘要:從國家和地方頒布的污染物排放标準出發,結合國家能源供應狀況,分析并指出發生爐煤氣作為陶瓷爐窯燃料符合我國能源安全要求,借鑒其他行業發生爐煤氣淨化的工程經驗,分析提出經過脫硫和脫氨處理後的發生爐煤氣作為噴霧幹燥塔和燒成窯爐的燃料,其煙氣不需要進行煙氣脫硫、脫硝處理可以達到排放标準要求,其SO2、NOx排放水平可以達到甚至優于天然氣水平。針對陶瓷行業煤氣站存在的環境污染因素,系統闡述了煤氣站及煤氣燃燒煙氣可以達到的環境治理技術水平。
關鍵詞:陶瓷行業;環保标準;能源安全;燃料;天然氣;發生爐煤氣;水煤漿;煤粉

0引言

    我國是世界陶瓷生産大國,2017年,建築陶瓷産量為101.5億m2,衛生陶瓷産量為2.18億件,日用陶瓷産量約為227億件【1】。我國瓷行業的主要燃料包括發生爐煤氣、天然氣、水煤漿、煤粉和液化石油氣等,另外還有煤層氣、焦爐煤氣以及重油和柴油等燃料應用【1,2】。近年國家和地方在頒布實施一系列污染物排放最新标準的同時,又出台了一系列“煤改氣”類的燃料強制性措施,但繼而出現的大面積天然氣“氣荒”,使陶瓷行業對燃料的選擇陷入了一片茫然。
    本文從國家(地方)頒布的污染物排放标準出發,結合國家能源供應狀況,對發生爐煤氣作為陶瓷爐窯燃料的能源安全合理性、煙氣污染物達标排放程度、發生爐煤氣站目前環境狀況及治理措施進行系統分析,旨在揭示發生爐煤氣作為陶瓷爐窯燃料合理性和可行性。


1陶瓷行業現行環保标準及不同燃料煙氣主要污染物排放

1.1 陶瓷行業現行環保标準【3,4】
    近年來,國家和地方針對陶瓷行業陸續頒布了一系列大氣污染物排放标準。2010年《陶瓷工業大氣污染物排放标準》(GB25464-2010)頒布實施,2014年環保部又通過“修改單”的形式,對标準中的相關限制數據進行了修改。2018-2019年山東省和廣東省分别頒布(更新)并實施了相關的地方标準。新标準的實施有利于陶瓷行業的健康可持續發展,相關标準規定的煙氣污染物初始排放限值參見表1。

表1.jpg

1.2陶瓷行業不同燃料爐窯煙氣主要污染物排放
    建築陶瓷爐窯由噴霧幹燥塔和燒成窯爐組成。噴霧幹燥塔的能耗一般占30-45%【1】,其煙氣中的顆粒物主要來源于原料帶出和燃料燃燒産生;煙氣中的SO2主要來源于燃料燃燒産生。燒成窯爐煙氣中的顆粒物源于燒成坯料表面附着和燃料燃燒;煙氣中的SO2主要來源于燃料燃燒和原料中含硫鹽類的熱分解。噴霧幹燥和燒成窯爐煙氣中的NOx主要為燃料燃燒産生,其中以燃料型NOx和熱力型NOx為主。表2【2,5】為不同燃料爐窯煙氣污染物初始排放濃度數據,表2、表1數據顯示:燃煤和重油污染排放強度最大,其次是水煤漿和柴油,發生爐煤氣次之,天然氣污染強度最小,但都需要采取必要的措施進行處理【5】,才能到達相關标準規定的限制要求。

表2.jpg



2基于我國的能源安全陶瓷行業燃料應用分析

2.1 我國能源供應消費現狀及能源安全【6,7,8,9】
    2018年,我國能源生産總量37.7×108tce,同比增長5.0%。其中原煤産量36.8×108t,同比增長4.5%,原油産量1.9×108t,同比下降1.3%,天然氣産量1603×108m3,同比增長8.3%。從一次能源供應結構占比及年度變化分析:煤炭占比2017年為69.6%,2018年為69.1%;原油占比2017年為7.6%,2018年為7.1%;天然氣占比2017年為5.4%,2018年為5.6%。從能源消費結構分析,2017年,我國能源消費總量為41.6×108tce。其中煤炭占比65.2%,石油占比20.2%,天然氣占比7.5%。2018年我國煤炭消費占比降至59.0%,石油和天然氣消費占比相應增加,其中天然氣占比接近8%。
    2016年以來受環保及産業政策影響,我國石油、天然氣消費呈急速上升趨勢,我國于2017年超過美國,成為全球最大的原油進口國,2018年超過日本,成為全球最大的天然氣進口國。同時我國石油和天然氣的對外依存度數據也不斷被刷新,國家能源安全面臨嚴峻挑戰。2018年,我國能源淨進口量約為10×108tce,對外依存度21%。其中原油淨進口量4.6×108t,同比增長10%,對外依存度高達71%;天然氣淨進口量1200×108m3,同比增長32%,對外依存度達到43%。我國原油和天然氣的對外依存度都遠高于國際公認的30%的安全警戒線,而且我國能源輸入渠道過分依賴海上集中運輸,其中天然氣進口總量的58%依靠海運,原油進口總量的80%須要通過馬六甲海峽運輸,這些也極大的增加了我國能源安全的風險。
2.2 “煤改氣”引起的天然氣供需矛盾及陶瓷行業燃料選擇問題分析
    2015年前建築陶瓷爐窯多以發生爐煤氣為燃料,噴霧幹燥塔多以水煤漿、粉煤或重油為燃料。随着“煤改氣”政策的實施,特别是近兩年陶瓷産區地方政府推出或“煤改氣”或“退出”的單項選擇,導緻許多企業被迫關閉生産線,2018年約有20%的瓷磚企業被迫關閉,2019年關閉企業數量還在繼續增加【10】。
    “煤改氣”風暴不但給陶企帶來成本上的巨大壓力【11】,同時也出現了嚴重的供需矛盾。以廣東清遠為例,截止2018年全市169條生産線中的124條完成天然氣燃料改造,全市向陶企供氣能力為160×104m3/d,僅能夠滿足其中的75條生産線的平均需求(平均需求150×104m3/d,最高需求188×104m3/d)【12】。
    從全國範圍分析,全行業實施天然氣改造存在嚴重的不合理性。2017年陶瓷行業燃料消耗約6454萬噸标準煤,其中建築陶瓷燃料消耗量占85%【1】。如果全國陶瓷行業全部改用天然氣,陶瓷行業天然氣全年總需求量約為565×108m3(其中建陶行業480×108m3),占2017年全國天然氣供應總量的26.1%,占當年天然氣工業燃氣供氣量的71.9%(2017年天然氣總消費量2162×108m3,其中工業燃氣消費占比36.3%【13】)。這顯然不符合我國天然氣供給結構的要求。
    從我國能源“富煤、少油、缺氣”的能源結構和石油、天然氣對外依存度居高不下的能源安全形勢分析,煤系燃料(發生爐煤氣、水煤漿、煤粉等)比油氣系燃料(天然氣、重油、柴油和石油液化氣等)更符合我國陶瓷行業的燃料選擇。但煤系燃料的污染問題又嚴重制約了其應用,粉煤帶來的煙氣污染最為嚴重,水煤漿作為潔淨煤技術的一種,雖然優于直接燃煤,但仍然受制于制漿用煤的含硫和含氮的問題,燃燒煙氣必須進行脫硫、脫硝處理。煤氣發生爐在造氣過程中,煤中的硫一般僅有60-80%以H2S形式轉移至煤氣中,可以利用煤氣脫硫技術進行脫除;另外煤中的氮大多以NH3的形式轉移至煤氣中,通過煤氣脫氨技術可以有效降低煤氣中NH3的含量,從而減少煤氣燃燒産生的燃料型NOx。采取有效的脫硫、脫氨處理後的發生爐煤氣,其燃燒煙氣可以達到不經煙氣脫硫、脫硝處理就可以滿足相關排放标準的水平,但目前陶瓷行業應用的發生爐煤氣站自身存在諸多環境問題需要徹底解決。


3發生爐煤氣作為陶瓷爐窯燃料SO2/NOx達标排放分析

3.1 建陶生産過程S的轉移排放路線及煤氣脫硫煙氣達标排放
    建築陶瓷生産過程中硫的轉移和SO2排放路線參見圖1,熱風爐燃料中的S燃燒生成SO2,在噴霧幹燥塔内這部分SO2一部分被原料粉料吸收轉化為硫酸鹽,另一部分随煙氣排放。另外入幹燥塔的原料漿料中也含有少量硫酸鹽,原料粉料吸收SO2形成的硫酸鹽和其自帶的硫酸鹽,随壓制成型的坯料進入燒成窯爐,在窯爐内硫酸鹽分解産生的SO2和窯爐燃料燃燒産生的SO2随窯爐煙氣排放。

圖1.jpg


    應用發生爐煤氣濕法脫硫技術,可以将煤氣中的H2S控制在45-50mg/Nm3【14】,相應煙氣中SO2折算濃度為5mg/m3左右(基準氧含量18%)。考慮到陶瓷原料中硫酸鹽受熱分解産生的SO2增量因素,可以利用濕法脫硫技術對煤氣進行一級脫硫,然後利用幹法脫硫技術進行煤氣二級精脫硫,煤氣中H2S可以控在10-20mg/Nm3,相應煙氣中SO2折算濃度為1-2mg/m3(基準氧含量18%),經過煤氣“粗脫+精脫”脫硫處理後的煤氣,其燃燒煙氣應該可以達到相關環保标準要求。山西某焦油深加工企業利用發生爐煤氣為焦油蒸餾管式爐提供燃料,煤氣站對煤氣進行濕法脫硫處理,3台管式爐排放點煙氣SO2排放濃度監測分别為8、18、22mg/m3(基準含氧量8%),折算排放濃度為2、4、5mg/m3(基準含氧量18%)。
    如果噴霧幹燥塔和燒成窯爐全部采用經過脫硫處理的發生爐煤氣作為燃料,首先熱風爐燃料燃燒産生的SO2量較少,噴霧幹燥塔煙氣的SO2可以達标排放,原料粉料吸收SO2而形成的硫酸鹽量相應減少。在入窯原料中硫酸鹽減少的前提下,燒成窯爐以脫硫處理後的發生爐煤氣為燃料,窯爐煙氣中的燃料型SO2和硫酸鹽分解的SO2都相對較少,窯爐煙氣可以達标排放。
3.3建陶生産過程NOx及煤氣脫氨煙氣達标排放
    建築陶瓷生産過程中NOx主要來源于燃料燃燒,天然氣燃燒主要産生熱力型NOx,發生爐煤氣熱值相對較低,其燃燒産生的NOx主要以燃料型NOx為主,NOx的主要前驅體為煤炭熱解過程中産生的NH3。煤氣降溫過程中,煤氣中的一部分NH3溶于冷凝酚水中,在利用“水夾套蒸發-爐内焚燒”技術處理酚水過程中,NH3随酚水蒸汽進入氣化爐的高溫氧化層區被氧化成NO,然後NO在還原層被半焦、CO等物質還原成N2;另外,煤氣濕法脫硫過程中,一部分溶于脫硫液中的NH3與煤氣中的H2S發生脫硫反應從而被脫除【15,16】。還可以進一步采用經過深度冷卻的酚水,對脫硫前的煤氣進行深度沖洗脫除并溶于酚水中,然後在利用“水夾套蒸發-爐内焚燒”技術處理酚水的過程中将其無害化轉化處置【17】。以上過程可以有效脫除煤氣中的部分NH3,從而有效降低煤氣燃燒煙氣中的燃料型NOx。
    山西某焦油深加工企業利用發生爐煤氣為焦油蒸餾管式爐提供燃料,煤氣站采用煤氣濕法脫硫系統,同時對酚水采用“水夾套蒸發-爐内焚燒”技術進行處理,管式爐煙氣NOx監測濃度為140-144mg/m3(基準含氧量8%),按照基準含氧量18%折算為32-33mg/m3,如果對煤氣再輔以深度脫氨處理,其煙氣中的NOx會明顯降低。以經過以上脫氨處理的發生爐煤氣為燃料,可以滿足陶瓷行業相關環保标準。
3.4就SO2/NOx排放控制發生爐煤氣與天然氣對比分析
    天然氣根據氣源地不同其硫含量存在一定差異,國家标準根據天然氣總硫含量分為三類:1類≤60mg/m3;2類≤200mg/m3;3類≤350mg/m3。一般工業天然氣以3類居多,其煙氣SO2折算排放濃度一般為6-10mg/m3(基準氧含量18%)。發生爐煤氣經過濕法脫硫後SO2折算排放濃度優于天然氣,如果煤氣經過濕法脫硫後再進行二次幹法精脫硫處理,其SO2排放濃度更低。
    天然氣燃燒火焰溫度較高,其燃燒産生的熱力型NOx的量相對較大,通常采用N2/CO2或水蒸氣稀釋、分級燃燒、催化燃燒、無焰燃燒等技術,降低煙氣NOx排放,我國天然氣燃燒90%采用進口燃燒器,目前我國天然氣煙氣NOx排放水平在100-400mg/m3(基準氧含量3.5%)範圍【18,19,20】,折算濃度17-69 mg/m3(基準氧含量18%)。而發生爐煤氣燃燒火焰溫度相對較低,熱力型NOx生成量較少,在煤氣站内可以通過脫除NOx前驅體的方式,減少燃料型NOx的生成,脫氨處理後的發生爐煤氣可以達到或優于天然氣的NOx排放水平。


4發生爐煤氣站環境治理

4.1 陶瓷行業發生爐煤氣站環境現狀
    2019年7月生态環境部等四部委發布《工業爐窯大氣污染綜合治理方案》(環大氣[2019]56号),文件規定:原則上禁止新建燃料類的煤氣發生爐。該禁令的頒布主要是因為目前絕大多數煤氣站自身的環境污染問題。
    目前陶瓷行業應用煤氣站多為3Q兩段爐冷煤氣工藝,存在諸多環境污染問題:(1)酚水問題,煤氣站産生的酚水多用于制備水煤漿,有的企業酚水直接外排,對周邊地下水源構成嚴重污染;(2)多數煤氣站沒有配置煤氣脫硫系統,有的隻是配置幹法脫硫塔以應付環保檢查,配置了煤氣濕法脫硫系統的,其脫硫廢液又沒有相應處理措施;(3)煤氣淨化設備敞開式人工清理點、焦油池、廢水池和煤氣濕法脫硫系統散發的VOCs沒有有效處理措施,惡臭氣味污染嚴重;(4)儲煤和輸煤過程産生的煤粉揚塵,以及放散煙氣(煤氣)等無組織排放造成了周邊環境的嚴重污染。
4.2發生爐煤氣站環境治理
4.2.1含酚廢水及脫硫廢液的治理
    文獻【21】分析了建築陶瓷行業目前應用的多項酚水治理方法,指出利用5Q兩段爐“水夾套蒸發-爐内焚燒”酚水治理技術,将酚水經過多級預處理後,在水夾套内蒸發為酚水蒸汽,然後以該蒸汽代替軟水蒸汽作為入爐氣化劑,蒸汽中的酚類物質在爐内氧化層進行有效的焚燒處置,不但可以完全處理煤氣站的酚水以及水夾套的排污廢水,而且還可以額外處理外來工業或生活廢水等。實際運行數據顯示,當煤氣站産氣量為6000Nm3/h時,煤氣站在達到站内酚水零排放的前提下,還可以額外處理外來廢水7-8t/d【22】。
    煤氣濕法脫硫系統的脫硫廢液含有多種鈉鹽、懸浮硫以及少量輕油和酚類物質。将脫硫廢液通過發生爐爐頂定量噴淋系統噴灑于剛入爐的煤料上,脫硫廢液中的水分和高揮發性的物質被蒸發進入煤氣中,并随煤氣冷卻而冷凝析出混入酚水中,利用前述酚水處理系統進行處理;廢液中的懸浮硫在發生爐内反應生成H2S,并随煤氣重新進入脫硫系統進行脫除;廢液中的鹽類等物質随煤料下行,在氧化層經過高溫焚燒後,混于灰渣中排出爐外【23】。利用該協同處理技術,可以使脫硫廢液得到有效的無害化處置。
4.2.2VOCs的治理
    煤氣站VOCs的主要來源包括酚水和焦油散發的揮發性物質,以及煤氣濕法脫硫的再生廢氣等。對發生爐煤氣站VOCs進行有效治理,首先需要優化改進設備和工藝,所有煤氣淨化設備實現封閉式自動清理,将VOCs散發點集中在酚水池、焦油池和脫硫再生等工藝點。将VOCs氣體由集中散發點引出,然後對其所含水汽和高揮發性物質進行冷凝并捕除後,與氣化劑一起由發生爐爐底送入爐内,利用煤氣發生爐高溫氧化層對該VOCs物質進行爐内焚燒處置【24】,可以有效解決VOCs的污染問題。
4.2.3煤氣站煤粉揚塵及放散煙氣等無組織排放的治理
    發生爐煤氣站的揚塵污染,來源于儲煤和輸煤兩個環節。借鑒火電廠成熟的揚塵治理技術,煤氣站儲煤場四周設置圍牆、頂部設置防雨頂棚,并在圍牆和頂棚之間設置防風抑塵網;儲煤場卸煤或堆取作業時,可以采取水噴霧抑塵方式進行壓塵;對輸煤工段科學布置收塵點,采用負壓抽吸袋式除塵技術【25】。采取以上措施可以有效解決煤氣站煤粉揚塵導緻的環境污染問題。
    煤氣發生爐在烘爐、點火送氣、熱備或停爐過程中煤氣(煙氣)放散會産生相應的污染,其污染主要特征參見表3【26】。發生爐幹餾段爐襯壽命一般5-10年,即每5-10年烘爐一次,烘爐頻次較低;點火送氣初期,發生爐放散廢氣以CO2為主,同烘爐過程一樣,采取自然放散形式,但該階段時間較短;點火送氣後期、發生爐熱備和停爐階段,放散廢氣以CO為主,采取火炬放散形式轉化為CO2排放。烘爐、點火送氣、熱備或停爐過程最後産生的煙氣可以通過設置除塵、脫硫及脫硝系統進行有效處理,從而減少污染物排放。

表3.jpg


5總結


(1)從煙氣污染物初始排放強度分析,發生爐煤氣排放強度相對較小,僅次于天然氣。從我國能源能源結構和能源供需情況及能源安全角度分析,天然氣不具備大範圍推廣應用的前提,作為煤系燃料的發生爐煤氣更符合我國陶瓷行業的燃料選擇。
(2)在煤氣站内對煤氣進行脫硫和脫氨等有效處理後,可以使煤氣燃燒煙氣達到不經煙氣脫硫、脫硝處理就可以滿足相關排放标準的水平。
(3)發生爐煤氣站可以通過采用先進技術,對其産生的酚水、脫硫廢液、VOCs及煤粉揚塵和放散廢氣等無組織排放進行有效治理,從而使煤氣站自身存在的環境問題得到徹底解決。
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第一作者
姓名:苑衛軍(1968-),男,河北省霸州市,高級工程師,工程碩士,1990年本科畢業于華北理工大學,從事工作内容:煤炭氣化行業,研究方向:煤氣化工藝及設備,聯系電話: 13703243469, E-mail:2329081462@qq.com
聯系人:苑衛軍
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