? 投稿 劉劍

? 山西焦化集團公司炭黑廠 山西 臨汾 041606

摘 要： 山西焦化集團公司炭黑廠有一套年產(chǎn)2萬t/a軟質(zhì)生產(chǎn)線，主要生產(chǎn)產(chǎn)品N550、N660和N539。近年來，隨著全球?qū)Νh(huán)境保護的重視程度不斷提高，各國紛紛出臺了一系列環(huán)保政策，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型。2024年，中國發(fā)布了多項重要政策，如《節(jié)能降碳行動方案》和《全面實行排污許可制實施方案》，旨在通過政策引導和技術(shù)改造，實現(xiàn)節(jié)能減排和綠色發(fā)展。根據(jù)《山西鍋爐大氣污染物排放標準》DB14/1929-2019執(zhí)行標準，廢氣中氮氧化物含量控制在≤50mg/m3以下，炭黑廠對軟質(zhì)生產(chǎn)線尾氣燃燒爐進行了技術(shù)改造，增設(shè)SNCR和SCR脫硝反應(yīng)裝置及低氮燃燒器設(shè)備，生產(chǎn)裝置投入正常運行后，在并尾氣環(huán)節(jié)中出現(xiàn)了尾氣燃燒爐前段尾氣管線燒紅問題，通過氧含量監(jiān)測(最高11%)、可燃組分分析(CO12.5%、H24.2%)及燃燒動力學模擬，發(fā)現(xiàn)手機袋濾器氧滲入是主因。提出回流管線改造(氧含量降至3.8%)與氮氣置換聯(lián)鎖方案，建立尾氣氧含量≤4%的安全閥值，解決了管線局部高溫大于650℃問題，可為低氧改造后尾氣系統(tǒng)安全運行提供參考與借鑒。

關(guān)鍵字： 尾氣燃燒爐;低氮燃燒器;尾氣;氧含量

一、工藝簡介及簡圖

炭黑軟質(zhì)生產(chǎn)線將預先配制好的原料油送入炭黑反應(yīng)爐，產(chǎn)生的炭黑煙氣經(jīng)主袋濾器進行分離成尾氣和粉狀炭黑。尾氣加壓風機將分離出的80%尾氣送至尾氣鍋爐產(chǎn)蒸汽，20%尾氣送至尾氣燃燒爐用于濕法造粒的干燥熱源。主袋濾器分離出的粉狀炭黑和排氣袋濾器、再處理袋濾器分離出來的粉狀炭黑，通過風送風機送至收集袋濾器，收集袋濾器通過風送風機和回流風機的壓差控制，將粉狀炭黑送至粉罐、造粒機和干燥機，干燥機為回轉(zhuǎn)式干燥機，尾氣燃燒爐燃燒后產(chǎn)生的煙氣，大部分通過回轉(zhuǎn)干燥機火箱，由脫硝風機送至脫硫塔，少部分直接與干燥機內(nèi)的炭黑顆粒進行逆流換熱，濕氣經(jīng)排氣袋濾器過濾后送至脫硫塔。最終烘干后的炭黑顆粒經(jīng)篩選、除鐵屑后送至產(chǎn)品倉。工藝圖見圖1。

圖1 炭黑收集及造粒干燥流程圖

二、事件過程

2.1軟質(zhì)生產(chǎn)線投油正常后，要將袋濾器分離出來的尾氣(尾氣溫度為200℃)通過尾氣加壓風機加壓至(2～3)KPa后送至尾氣鍋爐和尾氣燃燒爐，在往尾氣燃燒爐并尾氣過程中發(fā)現(xiàn)低氮燃燒器上端有約1米左右入口尾氣管線燒紅，經(jīng)取樣分析，監(jiān)測結(jié)果如下見表1

表1 設(shè)備管道尾氣氧含量監(jiān)測結(jié)果

注：改造后出口增加放空閥(生產(chǎn)系統(tǒng)正常后此閥關(guān)閉加鉛封)

2.2尾氣組分：

3、燃燒動力學計算

根據(jù)燃燒反應(yīng)CO+0.5 O2 CO2 ，過氧條件下單位體積尾氣放熱量:

Q=283.0kJ/mol x nco , V co =1m3 x 10.22% =0.1022 m3 = 102.2 L

nco = 102.2L/22.4l/mol ≈4.56 mol

Q=283.0kJ/mol x nco ≈ 1290.48 kJ

經(jīng)過上述數(shù)據(jù)的分析，可知收集袋濾器中氧含量值高，通過對收集袋濾器中的煙氣回流管線進行改造，在與尾氣管線交匯處增加閥門。生產(chǎn)系統(tǒng)投料初期，停運排氣袋濾器和再處理袋濾器，將回流風機出口煙氣進行放空，再次進行并尾氣時，尾氣燃燒爐低氮燃燒器上端尾氣管線未出現(xiàn)燒紅現(xiàn)象，經(jīng)檢測尾氣風機入口氧含量為3.8%，并尾氣時，尾氣燃燒爐一切正常，未發(fā)生管線燒紅現(xiàn)象。

三、原因分析

3.1尾氣中含有可燃氣體CO、H2S、H2、CH4,通過查閱相關(guān)資料對尾氣成份中的可燃氣體爆炸極限和著火溫度進行分析，見表2。

表2 可燃氣在常溫常壓下的爆炸限度

3.2國家只對煤氣中的氧含量進行控制，如《工業(yè)企業(yè)煤氣安全操作規(guī)程》(GB6222-86)規(guī)定，“焦爐煤氣含氧量1%時報警，達2%時切斷電源”，雖然目前未規(guī)定炭黑尾氣氧含量限值，但根據(jù)NFPA 69-2019《防爆系統(tǒng)標準》，并與炭黑同行業(yè)進行交流分析，建議將氧含量低于LOC值的80%(即4.16%)，本研究取4%為安全上限值。

3.3 現(xiàn)場設(shè)備異常時相關(guān)圖例

綜上所述，通過現(xiàn)場圖片和設(shè)備構(gòu)造分析，結(jié)合尾氣特性和組分，尾氣燃燒爐在并尾氣操作時，尾氣溫度控制在200℃左右，炭黑尾氣中的氧含量應(yīng)控制在4%以下較為安全。一旦尾氣管線出現(xiàn)燒紅現(xiàn)象應(yīng)立即切斷尾氣，并及時進行滅火處置。

四、行業(yè)應(yīng)用與標準化建議

4.1對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

干燥機烘干炭黑顆粒主要影響指標為水分、pH值、粒子破碎及團聚現(xiàn)象。其中炭黑顆粒若不能進行烘干，水分超標，制造出來的輪胎和膠制品會出現(xiàn)氣泡，可直接定性為質(zhì)量事故，因此對炭黑顆粒中的水分控制體積指標在1%以下。烘干效果較好時可使炭黑pH值控制在9.5左右(控制指標8～10%)，且無粒子破碎及團聚現(xiàn)象。改造后能使炭黑產(chǎn)品質(zhì)量快速調(diào)節(jié)成合格品，降低成本管控。

4.2改造前后運行成本

4.3行業(yè)標準提案

建議在《炭黑尾氣安全技術(shù)規(guī)范》中增設(shè)相關(guān)條款：尾氣系統(tǒng)氧含量應(yīng)連續(xù)監(jiān)測，報警閥值3%，聯(lián)鎖切斷閥值5%，氮氣置換合格標準≤2%。

五、下一步改造計劃

5.1將回流風機出口管線進行改造，由原先的接入尾氣放空管線改為接入排氣袋濾器排氣管線，杜絕空氣進入尾氣總管線造成燃爆事件發(fā)生。

5.2并尾氣操作時，先將尾氣管線進行氮氣置換，以15m3/min流速注入氮氣，待尾氣管道內(nèi)氮氣置換合格后(氧含量低于1%)，再進行并尾氣操作，尾氣風機前壓力增加至2.5kPa時，開始對尾氣水封排水送尾氣。

5.3在入尾氣燃燒爐尾氣管道上增設(shè)氧分析儀(型號GPro500)與緊急切斷閥聯(lián)動，超標時0.5s內(nèi)切斷氣源，切斷尾氣后氧含量穩(wěn)定在4%以下，管線表面溫度由大于600℃下降至90℃以下。

5.4尾氣燃燒爐低氮循環(huán)燃燒器要嚴格根據(jù)操作規(guī)程進行操作，對軸向風和徑向風要根據(jù)燃料燃燒情況和SCR反應(yīng)器出口氮氧化物數(shù)據(jù)進行操作。

參考文獻：

1、張紅興.炭黑尾氣氧含量安全限值的探討。山西化工 2023.

2、汪莉.焦爐煤氣含氧量的現(xiàn)狀及影響因素的探討【J】.工業(yè)安全與防塵 1998(5),30-31

3、李炳炎.炭黑生產(chǎn)與應(yīng)用手冊 化學工業(yè)出版社 2000

4、紀寶祥.炭黑濕法造粒技術(shù)探討 【J】.炭黑工業(yè) 2003(4),8-9

5、王磊.低氮燃燒器在炭黑尾氣處理中的防爆優(yōu)化[【J】.化工安全與環(huán)境，2022,35(6)：45-49.

6、國際標準：EPA . Nitrogen Oxides(NOx) Control Regulations for industrial Boilers[R].2021.

作者簡介：劉劍，男，1983年出生，畢業(yè)于太原理工大學，本科，工程師，研究方向為炭黑生產(chǎn)工藝。