炭黑生产尾气排放控制解决方案

VERA-CASTAÑEDA Ernesto

（伊莱森清洁技术-孟莫克公司，美国 密苏里州圣路易斯 MO63017）

当前，世界各国和地区纷纷致力于减少对环境和健康产生不利影响的污染物排放，尤其关注颗粒物、二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）的排放[1-6]。炭黑生产已经被许多国家和地区列为需要解决烟囱尾气排放问题的行业[7-10]。由于炭黑生产采用煤、天然气和石油的衍生物作为原料，因此尾气中必然含有SO2[11-15]。同时，基于工艺温度，反应炉中还会形成NOx。为了控制多氧化硫（SOx）和NOx的排放，许多炭黑企业已在生产过程中增加了低硫燃料器、低氮燃烧器和热回收系统。由于炭黑生产装置的规模与尾气排放量直接挂钩，因此随着近年来炭黑行业整合以及新的大型装置建成投产，直接导致了尾气排放量骤增。随着各国环保法规日趋严格，炭黑生产企业需要考虑新的、更具成效的尾气排放控制方案，以进一步减少尾气排放，保护环境。

本文介绍炭黑生产尾气排放控制解决方案，重点介绍脱除SO2的孟莫克提浓/转化技术。

1 现行的尾气排放控制解决方案

现行的炭黑生产尾气排放控制解决方案通常包括1个用于滤除颗粒物的袋式除尘器（见图1）和一系列的操作单元（见图2）以脱除尾气中的各种组分，包括用静电除尘器脱除细小颗粒物，焚烧炉燃烧一氧化碳（CO）、碳氢化合物和硫化氢（H2S）之类的硫化物，选择性催化还原法（SCR）脱除NOx，湿法洗涤脱除SO2。这种湿法脱硫工艺中，SO2与苛性钠（氢氧化钠）、石灰（氧化钙）或石灰石（碳酸钙）等碱反应，然后利用空气氧化，形成相应的硫酸盐，并产生二次废液即硫酸盐废液，其必须从生产现场清除。副产物硫酸盐可作为石膏出售或交由垃圾填埋厂处置；硫酸盐废液在世界很多地区正成为日益凸显的问题，根据硫酸盐废液的组分，可能还需要另行处置其中某些危废物质。因此，在选择湿法脱硫工艺作为炭黑尾气的SO2解决方案时，必须全盘考虑装置的整个使用期间内累计投入的脱硫剂、运输、填埋处置的总成本。

图1 炉法炭黑工艺流程示意Fig.1 Schematic diagram of furnace carbon black technological process

图2 采用湿法脱硫技术作为SO2脱除的尾气排放控制流程示意Fig.2 Schematic diagram of exhaust emission control process using wet desulfurization technology as SO2 removing

2 孟莫克提浓/转化解决方案

伊莱森清洁技术公司（原杜邦清洁技术）提供了一种孟莫克提浓/转化解决方案作为炭黑尾气处理中湿法脱硫工艺的替代方案（图3），其最终副产物为可对外销售的质量分数为0.985的浓硫酸。该工艺将孟莫克速收®技术系统与接触法制硫酸工艺相结合。孟莫克速收®系统采用了一种环保安全的吸收溶剂，能够将进料气体中体积分数为300×10-6～0.5的SO2脱除，将尾气中SO2的体积分数减至20×10-6以下，如果需要达到更小的SO2排放值，则可以酌量增加汽提蒸汽，使SO2的体积分数减至10×10-6以下。虽然这项结合了接触法制硫酸工艺的技术比湿法脱硫技术的初始投资高，但它显著减少了硫酸盐废液的二次排放。此外，鉴于在进入转化段之前气流中的SO2已经过提浓，孟莫克提浓/转化方案仅需尺寸较小的设备即可。因此，相较于炭黑行业中其他现行技术的制硫酸设备而言，孟莫克提浓/转化方案制硫酸设备所需投资更低。

图3 采用孟莫克提浓/转化解决方案作为SO2脱除的尾气排放控制流程示意Fig.3 Schematic diagram of exhaust emission control process using Mengmoke concentration/conversion solution scheme as SO2 removing

2.1 原料灵活性

孟莫克提浓/转化方案的优势之一是可以机动灵活地应对采用高硫原料油进行炭黑生产的工况，轻松应对采用燃料油生产炭黑产生的尾气中SO2含量增大的问题，不仅提高了硫酸产量，变废为宝，而且在无需额外成本支出的情况下给炭黑生产企业带来更多的收益。相比之下，传统的湿法脱硫工艺在面对尾气中SO2含量增大的情况时，只能徒增脱硫剂用量和处置成本。

虽然高浓度（质量分数为0.985）硫酸在全球大部分地区是一种有价值的商品，但在某些市场可能需要SO2其他衍生产品。孟莫克提浓/转换方案也可以生产SO2其他衍生产品，如发烟硫酸或高纯度SO2气体等，让炭黑生产企业可以根据市场需求来度身定制生产线和产品。

2.2 工艺流程有效性

孟莫克提浓/转化方案采用操作简便的孟莫克速收®技术系统对炭黑生产尾气中的SO2进行提浓，然后将其转化为可销售的高浓度硫酸产品，见图4。该方案可以概述为：炭黑生产尾气进入孟莫克速收®系统的吸收塔，由溶剂吸收SO2，产生清洁的尾气排放气流（SO2体积分数小于20×10-6）。清洁的气体从吸收塔顶部排出，而富溶剂则被泵送至汽提塔以脱除SO2，脱除SO2后的清洁溶剂被送回到吸收塔的顶部。

图4 孟莫克提浓/转化解决方案用于炭黑尾气SO2脱除处理Fig.4 Mengmoke concentration/conversion solution scheme for treatment of SO2 removing of carbon black exhaust

提浓后的SO2气流（SO2物质的量分数大于0.95）从汽提塔出来，经孟莫克制酸工艺进行转化。该转化工段的第1步是提浓的气体进入1个吸收塔，在塔内用空气进行稀释并干燥，随后流经催化反应器，将SO2转化为三氧化硫（SO3）。反应器内采用专门设计的孟莫克®催化剂。在该平衡反应中，各反应层之间的富余热量可被回收。为了工艺控制，所回收的热量被重新分配。提浓的SO3被送入另一个吸收塔，在塔内SO3被循环酸吸收形成所需浓度的硫酸产品。从第2个吸收塔出来的尾气被送回速收®系统进一步处理，速收®系统排出的少量废液是硫酸钠水溶液，可送至界区，也可提纯以生产更高品级的钠盐。

基于设备经济性的考量，这种提浓/转化工艺最适合大型炭黑生产装置。除孟莫克提浓/转化方案外，伊莱森清洁技术公司还精专于处理提浓/转化工艺上游的气体净化设备或工艺（湿式电除尘器、焚烧炉、余热锅炉和SCR）。炭黑生产企业可能已采用其他形式的净化或尾气排放工艺，或之前采用的工艺现正面临升级改造，本方案可作为备选方案，从严解决法规中关于颗粒物、NOx的达标排放问题，并提高热回收效率。在新建装置中，孟莫克气体净化工艺可作为连续的、一体化的处理工艺纳入定制化设计中。

3 结语

炭黑工业有一系列的尾气排放控制解决方案以控制排放气体中的污染物。炭黑生产企业可根据其特定操作条件、原料和所需副产物来定制尾气排放控制优选方案，即在统筹考量方案的初始投资和装置全周期内脱硫剂、运输、填埋处置的总成本，以及硫酸等副产物销售带来的经济效益，定制最优的方案。与现行炭黑生产尾气传统湿法脱硫工艺相比，孟莫克提浓/转化解决方案不仅可以实现SO2排放体积分数减至10×10-6以下和为炭黑企业带来更具经济效益的副产物，而且显著减少硫酸盐废液的二次排放，同时可灵活应对未来可能因原料油变化而导致尾气中SO2含量增大的情况。