炭黑干燥工序废气脱硫脱硝处理工艺分析

郝之勇，张 勇，路华东，李 磊

（山东奥瑟亚建阳炭黑有限公司，山东 薛城 277000）

炭黑是人类最早开发、应用和产量最大的纳米级材料，在国际化学品领域被列入二十五种基本化工产品及精细化工产品之一，是橡胶工业重要的补强原材料，能给予胶料优良的补强和耐磨性能。全球约有70%的炭黑用于轮胎制造，20%用于其他橡胶工业，其余10%用于塑料添加剂、印刷油墨、电线电缆等工业。炭黑生产以煤系或石油系的油、气作为原料，在反应炉中经过高温不完全燃烧反应，生成炭黑和炭黑尾气，经过降温、分离、收集、粉碎、造粒、干燥、提升、输送进入成品罐，最后包装、检验出厂。

山东奥瑟亚建阳炭黑有限公司（简称奥瑟亚炭黑公司）一期年产12 万t 炭黑项目于2016 年6 月建成投产，分U1、U2 两条生产线，U1 为软质炭黑生产线，主要产品有N660、MRG550，U2 为硬质炭黑生产线，主要产品有N234、N326、N330、N339、N351、N375。炭黑生产过程中的干燥工序会产生大量含硝含硫废气，该废气含有的SO2质量浓度在400 mg/m3以上，NOx质量浓度在600 mg/m3以上，并且含水质量分数在40%～50%，温度在200 ℃左右。这类含水率高且温度低的废气无法直接进行脱硝处理，必须把废气温度提升到320 ℃以上，才能投入脱硝剂。如果在温度过低时投入脱硝剂，废气中的SO2会与氮氧化物发生反应，在催化剂的孔内形成硫酸氢氨等副产物，堵塞催化剂微孔，降低催化剂的活性和寿命[1]。

为解决炭黑生产过程中干燥工序产生的废气温度低的问题，奥瑟亚炭黑公司于2020 年对脱硫、脱硝设备进行改造，通过设置升温器和余热锅炉来满足废气脱硫脱硝的温度要求，实现了废气的达标排放，可为采用无尾气发电装置的炭黑生产企业提供参考。

1 干燥工序废气处理工艺

1.1 废气处理工艺流程

炭黑干燥工序废气处理工艺流程示意图见图1。炭黑生产过程产生的尾气进入干燥机，利用与空气混合燃烧产生的热量对湿炭黑进行干燥，产生温度只有200 ℃的低温废气[2]。在升温器内通过燃烧少量的炭黑尾气，产生温度达到1 000 ℃左右的热烟气，进而与干燥机过来的低温废气混合，使进入SCR 脱硝系统的废气温度保持在320 ℃以上，以满足脱硝要求。脱硝后的废气通过余热锅炉换热，温度再降到190 ℃以下，达到脱硫的最佳温度，之后通过脱硫塔采用干法脱硫工艺完成脱硫，经脱硫后的废气以及废气携带的脱硫剂、脱硫废物进入除尘器，经滤袋过滤后的洁净废气经除尘器出口排出，粉尘积存在除尘器表面，经反吹后落到除尘器锥斗排出。除尘后的废气经引风机后，直接通过烟囱进入大气，此时可满足当地环保排放标准。

图1 炭黑干燥工序废气处理工艺流程示意图

1.2 废气处理工艺说明

（1）由于干燥机出来的废气只有200 ℃，无法满足SCR 脱硝系统320 ℃以上的温度要求，因此，在SCR 脱硝系统前增加以炭黑尾气为燃料的升温器[3]。

（2）经升温后，320 ℃的高温烟气进入SCR 脱硝系统，进行氮氧化物的脱除，脱硝反应方程式见式（1）：

（3）经SCR 脱硝系统脱硝后，废气温度为300 ℃～310 ℃，温度较高，具有热量回收价值，同时考虑到废气温度过高不利于后续脱硫系统的运行，因此需要进行余热回收[4]。通过设置余热锅炉，生产1.2 MPa、250 ℃的过热蒸汽。

（4）经余热锅炉换热后，废气进入脱硫系统脱除SO2等酸性气体。投入脱硫剂的同时，在脱硫塔顶部喷入工艺水来调整废气温度。脱硫机理如下。

SO2被液滴吸收的反应方程式见式（2）：

Ca(OH)2和NaOH 与H2SO3的反应方程式见式（3）、式（4）：

（5）引风机为废气处理系统的动力来源，一备一用，整个系统负压操作，系统负压通过该设备的变频调节来实现。

2 干燥工序废气处理测试情况

2020年8 月1 日8:00:00—8 月4 日8:00:00，奥瑟亚炭黑公司对干燥工序废气处理系统的处理效率进行了测试，测试情况如下。

2.1 测试方案

（1）对未处理的废气中的NOx、SO2的排放浓度进行检测，测得质量浓度分别为600 mg/m3、400 mg/m3，取测试过程中NOx、SO2的平均排放值来计算脱硝、脱硫效率。

（2）将废气处理系统连续投入运行72 h，并详细记录数据。

（3）废气温度是影响脱硝、脱硫效率的因素之一，为获得最大脱硝、脱硫效率，本次测试将SCR 脱硝系统进口废气温度设定在320 ℃～340 ℃，脱硫塔进口废气温度设定在160 ℃～190 ℃。

2.2 测试步骤

测试前为保证生产工艺的稳定，先确认工艺水、气体及脱硝剂、脱硫剂的正常投入。然后调节燃料炭黑尾气调节阀的开度，使SCR 脱硝系统入口废气温度为320 ℃～340 ℃。根据脱硫塔入口废气温度控制工艺水流量，保持脱硫塔出口废气温度在130 ℃左右。逐步增大脱硝剂、脱硫剂的投入量，以获取最低NOx、SO2排放值，并每2 h 记录脱硝剂、脱硫剂的使用量，待测试结束后，整理数据并计算脱硝、脱硫效率。2020 年8月1 日—4 日干燥工序部分废气处理数据见表1。

表1 2020 年8 月1 日—4 日干燥工序部分废气处理数据

续表1

2.3 脱硝、脱硫效率

从2020 年8 月1 日8:00:00 至2020 年8 月4日8:00:00，干燥工序废气处理系统连续72 h 运行期间，测得排放的NOx的平均质量浓度为81 mg/m3，平均脱硝效率为86.50%，高于设计值85%；测得排放的SO2的平均质量浓度为38 mg/m3，平均脱硫效率为90.50%，高于设计值90%。

3 结 语

通过对炭黑干燥工序废气处理工艺设置升温器和余热锅炉，实现了对废气的热交换，达到了最佳脱硫、脱硝温度。经测试，系统最终脱硝效率达到86.50%、脱硫效率达到90.50%，均高于设计标准。可满足采用无尾气发电装置的炭黑生产企业的环保要求，同时还能产生富余蒸汽，增加企业的营业收入。