? 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2萬t/a軟質生產線，主要生產產品N550、N660和N539。近年來，隨著全球對環境保護的重視程度不斷提高，各國紛紛出臺了一系列環保政策，推動傳統產業的綠色轉型。2024年，中國發布了多項重要政策，如《節能降碳行動方案》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改造，實現節能減排和綠色發展。根據《山西鍋爐大氣污染物排放標準》DB14/1929-2019執行標準，廢氣中氮氧化物含量控制在≤50mg/m3以下，炭黑廠對軟質生產線尾氣燃燒爐進行了技術改造，增設SNCR和SCR脫硝反應裝置及低氮燃燒器設備，生產裝置投入正常運行后，在并尾氣環節中出現了尾氣燃燒爐前段尾氣管線燒紅問題，通過氧含量監測(最高11%)、可燃組分分析(CO12.5%、H24.2%)及燃燒動力學模擬，發現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安全運行提供參考與借鑒。
關鍵字： 尾氣燃燒爐;低氮燃燒器;尾氣;氧含量
一、工藝簡介及簡圖
炭黑軟質生產線將預先配制好的原料油送入炭黑反應爐，產生的炭黑煙氣經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，干燥機為回轉式干燥機，尾氣燃燒爐燃燒后產生的煙氣，大部分通過回轉干燥機火箱，由脫硝風機送至脫硫塔，少部分直接與干燥機內的炭黑顆粒進行逆流換熱，濕氣經排氣袋濾器過濾后送至脫硫塔。最終烘干后的炭黑顆粒經篩選、除鐵屑后送至產品倉。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軟質生產線投油正常后，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現低氮燃燒器上端有約1米左右入口尾氣管線燒紅，經取樣分析，監測結果如下見表1
表1 設備管道尾氣氧含量監測結果
注：改造后出口增加放空閥(生產系統正常后此閥關閉加鉛封)
2.2尾氣組分：
3、燃燒動力學計算
根據燃燒反應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
經過上述數據的分析，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。生產系統投料初期，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燒紅現象，經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，未發生管線燒紅現象。
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《工業企業煤氣安全操作規程》(GB6222-86)規定，“焦爐煤氣含氧量1%時報警，達2%時切斷電源”，雖然目前未規定炭黑尾氣氧含量限值，但根據NFPA 69-2019《防爆系統標準》，并與炭黑同行業進行交流分析，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 現場設備異常時相關圖例
綜上所述，通過現場圖片和設備構造分析，結合尾氣特性和組分，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控制在4%以下較為安全。一旦尾氣管線出現燒紅現象應立即切斷尾氣，并及時進行滅火處置。
四、行業應用與標準化建議
4.1對產品質量的影響
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氣泡，可直接定性為質量事故，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象。改造后能使炭黑產品質量快速調節成合格品，降低成本管控。
4.2改造前后運行成本
4.3行業標準提案
建議在《炭黑尾氣安全技術規范》中增設相關條款：尾氣系統氧含量應連續監測，報警閥值3%，聯鎖切斷閥值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氧分析儀(型號GPro500)與緊急切斷閥聯動，超標時0.5s內切斷氣源，切斷尾氣后氧含量穩定在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燃燒器要嚴格根據操作規程進行操作，對軸向風和徑向風要根據燃料燃燒情況和SCR反應器出口氮氧化物數據進行操作。
參考文獻：
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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，畢業于太原理工大學，本科，工程師，研究方向為炭黑生產工藝。
