炭素生产烟尘处理docWord格式.docx
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案例教学可实现现场案例与所学理论知识的有机结合，将书本知识转化为现实工作能力，培养了学生的分析问题、解决问题的能力。
本案例可迁移为冶金行业生产中的烟尘处理方案制定，学生通过本案例学习，具有烟尘处理的能力。
1.背景介绍
2.主要内容
2.1炭素生产烟尘
在整个铝工业生产中，铝用炭素生产过程中的治污减排、环境保护是一项不容忽视的重要工作。
炭素生产过程中的主要污染物有：
沥青烟、含炭粉尘、含炭固体废渣、含粉尘的废油、废水和噪声等。
其中粉尘是由破碎、磨粉、筛分、运输、成形、焙烧、石墨化装出炉等过程产生，烟气的来源有沥青熔化、混捏、浸渍、煅烧、焙烧等过程。
粉尘和烟气的危害很大，首先污染环境，对生产及工人健康危害很大。
其次，粉尘还能加速机械磨损、引起腐蚀，在电器上破坏绝缘，排至厂外污染环境，影响居民健康和农牧业生产。
（一）沥青烟气的主要成分
炭素焙烧过程是沥青烟气污染最严重的过程。
沥青烟气的主要成分有：
A）沥青焦油：
多环芳烃（3，4苯并芘、1，2苯并蒽）和杂环化合物；
B）HF和SO2等；
C）炭粉尘：
炭黑或烟黑。
1.多环芳香烃：
主要是对人的呼吸道和皮肤的危害：
造成呼吸道感染、皮肤炎症。
沥青烟中的多环化合物（尤其3，4苯并芘）含量为3-5g/m3，它是强致癌物质；
人吸入沥青烟，将出现头疼、恶心、呕吐、肝脏肿大和白血球升高；
多环化合物会使树叶变色、萎缩、脱落。
2.HF。
氟是构成人体的微量元素之一，正常新陈代谢每人每天2mg，超过对人体有害，可导致骨氟中毒、甲状腺患疾及肾疾病。
动物食氟过量引起骨骼病变、跋足、瘫痪等。
氟污染导致作物颗粒减少、产量下降。
3.SO2。
人长期接触低浓度SO2出现乏力、呼吸不适、鼻炎喉炎等；
吸入高浓度SO2可引起支气管炎、肺炎等。
SO2使植物生长缓慢、落叶过早；
形成酸雨的主要原因。
（二）炭素生产烟尘指标
鉴于焙烧炉烟气中的沥青烟、HF、SO2对动植物和环境的危害，各国制定了严格的排放标准。
我国大气污染物中涉及到炭素材料生产的各项污染物的排放标准（GB16297-1996）见表1。
表2为车间空气中有害物质的最高允许浓度。
表1大气污染物综合排放标准（GB16297-1996）
序号
污染物
允许排放浓度/（mg·
m-3）
最高允许排放速率/（kg·
h-1）
无组织排放监控浓度极限值
排气筒高度/m
一级
二级
三级
监控点
浓度/（mg·
1
二氧化碳
700
60
33
64
98
无组织排放源上风向设置参照点，下风向设监控点
0.5（监控点与参照点浓度差）
70
47
91
140
80
63
120
190
90
82
160
240
100
200
310
7
氟化物
11
50
禁排
1.8
2.7
20μg/m³
（监控点与参照点浓度差）
2.6
3.9
3.6
5.5
4.9
7.5
29
苯并芘
0.5×
10-3（沥青、炭素制品生产与加工）
15
0.60×
10-3
周围外界最高浓度0.1μg/m³
20
0.10×
0.15×
30
0.34×
0.51×
40
0.59×
0.89×
0.90×
1.4×
1.3×
2.0×
31
沥青烟
80（熔炼、浸涂）
2.8
4.2
生产设备不得有明显无组织排放存在
2.2
4.3
6.6
3.0
5.9
9.0
表2车间空气中有害物质的最高允许浓度
编号
最高允许浓度/（mg·
一氧化碳
52
苯
6
二甲苯
氟化氢
1.0
9
二氧化硫
2.2常用烟尘处理方法
常用方法有：
电捕法、焚烧法、干吸法、水洗法和油洗法等。
（一）水洗法。
就是将沥青烟气与洗涤水直接接触，经过传质和传热过程，使焦油和烟尘冷凝下来，冷凝的焦油又将SO2、HF等气体洗掉。
因水与焦油不相容，净化效率为70%~80%，吸附焦油的水不经过处理不能排放，造成水的二次污染。
一般采用水洗法与静电捕集焦油法。
用水净化吸收SO2、HF并降低烟气温度，再中和去除SO2、HF，然后经静电捕集器将焦油捕集下来。
（二）焚烧法
内燃法：
挥发分在焙烧炉火道内焚烧；
外燃法：
把挥发分和烟气引到炉外焚烧室焚烧
由于敞开式环式焙烧炉烟气量大，焦油浓度低，处理需外加燃料、不经济，现代阳极生产厂已不采用此法。
（三）静电捕集焦油法
目前80%以上的焙烧沥青烟气采用电捕法治理。
电捕法原理：
含有焦油的烟气通过电捕焦油器，焦油在电场作用下趋向阳极放电而聚集收下。
静电捕集焦油法和其他方法联合使用，焦油捕集效率可达98%以上。
（四）干吸法
就是利用固体吸附剂表面对沥青烟气中各组分的吸附能力的不同而进行分离。
吸附剂脱附再生后可以循环使用。
常用的吸附剂有：
焦炭粉粒、白云石粉、氧化铝粉。
2.3常见的除尘设备
（一）重力收尘器和惯性收尘器
重力收尘和是依靠重力或惯性力，利用流体与固体的密度差，使它们发生相对运动而分离的操作。
图1重力沉降室
重力沉降室可收集大于50μm的粉尘，捕集微小颗粒效率低，可分离较大的颗粒。
其收尘效率为40%~60%，一般作为预收尘器处理。
（二）旋风收尘器
旋风收尘器是利用含尘气流旋转产生的离心力作用，将粉尘从气流中分离出来的气固分离设备。
含尘气体切向进入旋风收尘器内，向下作螺旋运动，悬浮的颗粒在离心力作用下，甩向周边而与气流分离，然后沿筒壁落下，由下端排灰管排出。
净化后的气体到达锥体下部后，在外螺旋气流中心部分向上作螺旋运动（又称内螺旋流，其方向与外螺旋气流相同），然后由上端排气管逸出。
旋风除尘器如图2所示。
图2旋风除尘器
（三）过滤式收尘器
含尘气体通过滤布、滤纸或各种填充层等多孔过滤介质，尘粒被截留，而含尘气体被净化，这个过程称为过滤收尘。
过滤收尘器一般能捕集小于1μm的烟尘，收尘效率可达90～99%，属高效收尘设备。
（四）电收尘设备
电收尘是使含尘气体通过高压直流静电场，利用静电分离烟尘和气体的过程；
电收尘一般分为四个过程：
气体电离、颗粒荷电、荷电烟尘运动和荷电颗粒放电。
其工作原理如图3所示。
图3电除尘器的工作示意图
2.4焙烧炉烟气净化
近年来，预焙阳极生产得到了较大发展，对于焙烧产生的沥青烟气,采用的净化方法有静电捕集法、氧化铝吸附净化法、焦粉吸附法及碱吸收法，约85%的厂家采用了静电捕集的净化处理方法。
净化系统流程为：
烟气→预除尘器→水喷淋系统→高压静电沥青烟气捕集器→风机→烟囱。
喷淋系统的作用是：
水从特制的喷淋头流过时，在压缩空气的作用下形成水雾，对高温烟气降温,同时沥青烟气受到水雾的调质，形成大的颗粒，进入电捕集器后易于荷电而被捕集。
高压静电沥青烟气捕集器由前电场和后电场组成，前后电场又分别由箱体、收尘极板（高压电源正极性接地）、电晕丝（高压电源负极性）、保温箱体、沥青收集斗组成。
在72kV直流高电压的作用下，电子向收尘极板运动，遇到沥青烟气后附着在烟气上，使烟气带上负电荷，被阳极收尘板捕集而流到沥青收集斗内。
沥青烟气电捕法净化系统工艺流程图见图4。
实现了沥青排放浓度低于50mg/m³
，粉尘排放浓度26mg/m³
图4沥青烟气电捕法净化系统工艺流程图
为了保证电捕焦油器的正常稳定运行，必须确保电场不被沥青和粉尘糊死，并防止着火，应采用以下技术措施：
（一）在其前端建一套预收尘设施及阻火、灭火装置。
采用管道式垂直沉降室，其规格为ψ5.0m×
15m，使烟气流速由13m/s突降至1.5~2.0m/s，大颗粒粉尘沉降，小颗粒粉尘及部分沥青烟被沉降室内部多层迷宫形孔板阻隔，所捕集的粉尘通过其底部加热保温排灰斗排出，其除尘效率达50%~60%，经处理的烟气满足了电捕器的使用条件。
（二）在沉降室和电捕器之间设一套管道式阻火器，阻止烟道明火带入电场和风机，有效保护设备不着火。
（三）在预除尘进口、电捕器进出口及内部增设高灵敏热敏温控传感报警装置，保证系统烟气温度在工艺设定范围内工作，否则自控系统即产生报警和设备连锁保护。
（四）增设高压水膜喷射灭火装置。
当烟道着火，烟气温度升高到设定值，热敏传感系统立即信号反馈，使电动球阀自动打开，高压水汽经高压水发生器进入预除尘出口管水膜喷嘴，使管道内形成封闭型水膜隔离，此时排烟机自停，烟道系统保温电动蝶阀自动切换，整个系统无空气进入，火焰自灭。
（五）增设烟气降温装置。
当烟气温度超过120℃，预除尘出口管道内即自动喷射高压水雾使烟气降温，保证电捕器烟气温度长期稳定在＜120℃，达到最佳净化效果。
（六）增设防爆装置和改进电场结构。
预除尘器和电捕器顶部各增设卸压式防爆安全门，使高浓度挥发性气体爆炸产生的压力，及时通过卸压安全门卸压，有效保护设备不损失。
同时适当放宽电捕器第一电场极距，由20mm放宽到370mm，使电场适应粉尘比电阻范围扩大，解决了焙烧炉由于燃烧不充分产生低比电阻炭黑而影响电场正常工作的问题。
该套设施投用后，可有效地阻断了烟道的着火，同时电捕焦油器运行稳定，净化效率达85%，除尘效率达80%，沥青排放浓度低于50mg/m³
，粉尘排放浓度降至26mg/m³
，均达到了国家排放标准，同时每年可回收沥青焦油320t，价值32万元，具有良好的社会和环境效益。
3.分析路径
该案例是生产案例，本生产案例体现了炭素原料破碎筛分、煤沥青的性质、炭素生产除尘设备等知识点和岗位技能，与炭素加工技术专业炭素材料检测技术与环境保护课程炭素生产烟尘处理单元的教学目标相对应。
近年来，随着人类对环境保护越来越重视，工业生产企业的环保压力逐渐增大，一些环保指标不达标的生产企业被勒令整改甚至停产，对生产造成较大的影响，提高了生产成本。
学生应该掌握最近的污染物排放指标和规定，掌握降低排放物的方法和措施，下面以炭素生产烟尘处理为例，通过炭素生产烟气、排放指标、常用处理方法和焙烧炉烟气净化提出预防改进措施，说明案例教学的经过。
4.教学目标
（一）掌握炭素生产中污染物的来源；
（二）了解国内外对工业生产排放物的排放指标规定；
（三）掌握炭素生产主要污染物沥青烟气的治理办法及其使用的设备；
（四）全面复习所学知识，并将知识转化为能力。
5.教学方式方法
现场调研、问题讨论、点评、案例分析、讲授、课堂练习、大作业。
具体教学过程设计如下：
5.1课前计划
（一）学生掌握知识：
炭素生产工艺流程，烟尘的产生、处理设备；
（二）学生分组，指定组长；
（三）与现场联系，进行现场教学准备，包括安全教育、劳保用品、行走路线，现场兼职教师，现场教室等；
（四）安全教育，教师带领学生下厂调研，记录焙烧炉生产的参数，收集事故相关资料；
（五）学生根据所学知识和实习、调研中获得的资料，总结粉尘和烟气的产生原因、预防措施；
（六）与技术人员交流，请技术人员准备讲授炭素生产烟尘对生产操作人员以及周边环境的影响。
（七）教室设置成学习岛，准备投影，为每组准备2张0开白纸，大号记号笔1支、作业纸每人2张。
5.2课中计划
（一）学生按小组就座学习岛周围，选举记录人、发言人。
（二）采用头脑风暴法，每人总结一条炭素生产过程中粉尘或烟气的产生原因并提出预防措施，按顺时针顺序轮流发言，记录人将操作要点在0开白纸上按人、机、料、法、环分别记录。
要求每人发言，可以轮空，直到所有人员无法补充为止，时间8～10分钟；
（三）整理完成后，小组发言人上台展示0开白纸上的记录，并向全体师生汇报交流炭素生产中粉尘和烟气的产生原因和预防措施；
发言学生汇报完成后，同组学生可以补充。
汇报完成，本组自评，其它组进行点评打分，现场技术人员参与对学生汇报的操作要点评价，指出优点和不足，每组时间5～8分钟；
（四）技术人员讲授实际生产焙烧炉烟气净化系统案例，时间20分钟；
（可选）
（五）教师讲授处理炭素生产烟尘的案例，引导学生分析本案例沥青烟气严重超标的产生原因，熟悉预防措施，时间30分钟。
5.3课后计划
布置作业，见6.3
6.思考题与考评
6.1课前思考题
布置课前思考题，保证学生下厂调研知道找什么材料、看什么操作、思考为什么如此操作。
（一）各类干式和湿式除尘器的工作原理以及特点。
（二）焙烧炉烟气的形状和温度
（三）煅烧、焙烧等工序中余热利用。
6.2课堂练习
课堂提问或者集体回答，目的：
及时复习、巩固知识，检查教学效果。
（一）选择题
1.烟尘的比电阻随着温度的升高而（）
A.先增大，后减小B.一直增大
C.先减小，后增大D.一直减小
2.粉尘除尘系统中哪种密封罩的容积最大（）？
A.局部密封罩B.整体密封罩
C.密闭室
3.下面哪种旋风除尘器的串联组合效果最好？
（）
A.同类型、同直径、同锥体长度
B.同类型、不同直径、不同锥体长度
C.同类型、同直径、不同锥体长度
D.不同类型、不同直径、不同锥体长度
（二）判断题
1.静电除尘器中，集尘极和电晕极两端的电压越大越好，因为电压越大除尘效率越高。
（）
2.电除尘器的有效驱进速度的数值比理论驱进速度大。
3.通常将惯性除尘器作为初步处理的除尘设备。
4.机械振打袋式除尘器的清灰过程需要停机振打后，再重新开机除尘。
5.除尘器的排灰口是敞开的。
6.干法净化技术中采用氧化铝作为吸附剂。
（三）填空题
1.静电捕集焦油工艺中来自焙烧炉的高温烟气首先经过蒸发冷却塔降温，其目的是_________________和_____________________。
2.旋风除尘器的串联目的是_______________________，并联的目的是________________________。
3.袋式除尘器的过滤机理有哪些______________、________________、_________________。
6.3课后作业
课后作业，复习巩固知识、提升能力。
（一）画出静电除尘器的工作原理示意图
（二）用流程图表示焙烧炉烟气净化系统
（三）某炭素厂家生产过程中排放的二氧化硫严重超标，请问如何处理？
（四）假设你是一位炭素生产企业的厂区总设计师，请你根据当地地理环境和环保指标设计炭素厂的布局图，并作出合理解释。
6.4评价建议
学生考核评价实施表
评价方式
评价内容
评价结果
得分
过程性
评价
（100%）
学生出勤
（10%）
迟到一次及以下
8~10
迟到三次
5~7
缺勤
课堂参与
（45%）
小组评价
（20%）
小组合作融洽，讨论能达到预定的目标
16~20
小组合作比较融洽，讨论基本达到预定的目标
10~15
小组合作相对融洽或不融洽，讨论未达到预定的目标
1~9
展示评价
展示内容全面，条理清楚、语言流畅
4~20
现场教学
（5%）
遵守现场规章制度，有良好的安全意识。
0~10
完成设计及作业
（35%）
思路清晰，格式规范，内容正确。
设计思路清晰，合情合理。
30~35
思路较清晰，格式较规范，内容基本正确。
设计无明显不合理。
20~19
思路不清晰，格式有明显错误，内容有误。
设计不合理。
0~19
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