焦爐煙氣脫硫脫硝工藝路線分析

曹劍棟

摘 要：焦爐煙氣中污染物SO2和NOx形成機理，以及兩種污染物在一般地區(qū)的達標排放途徑。在特別限值地區(qū)將其同時脫除技術難點的分析。對比最新的中國煉焦行業(yè)排放標準，參照幾種在同行業(yè)大型工業(yè)化工程中長期穩(wěn)定運行的煙氣脫硫脫硝工藝，分析了焦爐煙氣脫硫脫硝可以采用的工藝路線：SDA/CFB+SCR組合式脫硫脫硝工藝路線。對于不同煙溫的焦爐煙氣脫硫脫硝工藝路線進行分類比較。

關鍵詞：焦爐煙氣；脫硫；脫硝；分類溫度；工藝路線

中圖分類號：X701 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）18-0011-02

1 概述

冶金生產及焦化行業(yè)中高爐煤氣、焦爐煤氣或混合煤氣燃燒后，會產生大量含污染物的煙氣，經煙囪有組織的排至大氣中，對環(huán)境造成嚴重污染。2012年6月，國家頒布《煉焦化學工業(yè)污染物排放標準》，規(guī)定現(xiàn)有焦化企業(yè)2015年1月1日后焦爐煙氣中污染物排放限值，具體見表1。

2 污染物形成機理

2.1 SO2形成機理

煤在煉焦爐內經高溫熱解后氣相硫的去向：爐門、爐頂?shù)刃孤?，H2S遇O2生成SO2并無組織排放；出焦過程中，氣體中的H2S遇O2生成SO2；冷鼓工序中部分硫被氨水吸收而進入蒸氨廢水中；洗脫苯過程中，機硫被脫除進入粗苯產品中。

焦爐煤氣約43%回用于焦爐，最終經煙囪排放，因此焦爐煙氣中SO2排放量所占比例較大。但這并不是焦爐煙氣SO2的全部來源，焦爐爐體竄漏而導致荒煤氣進入燃燒室，荒煤氣中硫化物燃燒生成SO2又是一主要來源。

2.2 NOx形成機理

燃氣在焦爐立火道中燃燒，該過程生成的NOx中，NO約占95%，NO2約占5%。在探尋NOx形成機理時，應主要研究NO形成機理。

（1）溫度熱力型NO[1]。燃燒過程使空氣帶入的氮被氧化成NO。由于氧原子和氮分子反應需很大活化能，故在燃料燃燒前的火焰中不會生成大量的NO，只在燃燒火焰下游高溫區(qū)。溫度熱力型NO是焦爐煙氣中NOx的主要生成途徑。（2）碳氫燃料快速型NO。快速型NO是碳氫系燃料在空氣過剩系數(shù)α=0.7～0.8，并預混合燃料所生成，其生成區(qū)不在火焰下游，在火焰內部?？焖傩蚇O的生成量在焦爐燃燒過程中不可能大。（3）含N組分燃料型NO。燃燒過程中，燃料中的氮有20～80%轉化成NO。如燃燒過程氧含量不足，已形成的NO可部分還原為N2，則廢氣中NO的含量降低。含氮組分燃料型NO的生成量在焦爐燃燒過程中約占5%。

3 一般地區(qū)達標排放途徑

3.1 SO2控制措施

3.1.1 采取高效焦爐煤氣脫硫工藝[2]

焦爐煤氣脫硫后，其H2S含量仍有20～800mg/Nm3。在焦爐煤氣凈化過程中，工藝過程越適合有機硫化物的脫除，其脫除率越高。需要使硫化氫濃度降低至20mg/Nm3以下、有機硫濃度降低至100mg/Nm3以下。

3.1.2 提高焦爐砌體嚴密性

焦爐爐體串漏導致荒煤氣中硫化物從炭化室經爐墻縫隙串漏至燃燒室中，燃燒生成SO2。壽命在中后期的焦爐，爐體串漏多。因此，強化焦爐生產技術管理，通過護爐鐵件給焦爐砌體施加合理的保護性壓力，提高砌體嚴密性，將漏氣率控制在2%以下。

3.1.3 降低入爐配合煤的含硫率

當采用高爐煤氣加熱時，高爐煤氣含硫量低，所以焦爐煙氣中SO2含量低。如使用焦爐煤氣，則需要降低入爐配合煤的含硫率，如將入爐煤硫分降至0.7%以下，焦爐煙氣中SO2濃度可低于50mg/Nm3。

3.2 NOx控制措施

3.2.1 廢氣循環(huán)和多段加熱

在空氣預熱器前抽取低溫煙氣直接送入爐膛。因煙氣吸熱和對氧氣稀釋的作用會降低燃燒速度和爐內溫度，進而抑制溫度熱力型NO的生成。廢氣循環(huán)適用于含氮量低的燃料，降氮效果可達25%。研究表明，煙氣再循環(huán)量一般控制在10～20%，如超過30%，則燃燒效率會降低。

3.2.2 控制燃燒溫度

降低空氣過剩系數(shù)。當焦爐立火道空氣過剩系數(shù)α由1.4降到1.2時，立火道上下溫差縮小約15℃，類似于降低立火道中燃燒溫度，從而降低溫度熱力型NO形成。

3.2.3 焦爐爐體密封

對焦爐炭化室密封，減少泄漏。一是避免荒煤氣把含氮化合物帶入焦爐立火道中；二是避免荒煤氣進入立火道燃燒造成局部溫度偏高而增加焦爐煙氣中NOx濃度。

4 特別限值地區(qū)脫除的技術難點

（1）脫硝要求的反應溫度約350℃，在焦化行業(yè)無法滿足，如采用換熱器升溫則需要加熱爐，消耗大量煤氣及電力能源，而且升溫后煙氣量增加，使規(guī)模和投資增加。

（2）低溫催化劑需在焦爐煙氣進入脫硝反應器前去除SO2。因在催化劑作用下會將部分SO2轉化成SO3，生成的硫銨化合物晶體會堵塞催化劑導致其失活。

（3）焦爐煙囪需處于熱備用狀態(tài)，經處理后的煙氣溫度要超過130℃，且必須由原焦爐煙囪排放，否則當脫硫脫硝裝置故障而無法切換旁路時將影響焦爐安全生產。

（4）脫硝常用的技術有SNCR和SCR。SNCR技術適用的反應溫度為850～1150℃，不適用于焦爐。SCR技術是適用于焦爐的脫硝技術。

5 工藝路線探討

5.1 可供選擇的工藝路線

參考焦爐行業(yè)已應用并長期穩(wěn)定運行的兩種工藝路線：活性炭吸附一體化技術；SDA/CFB[3]+SCR組合式脫硫脫硝技術。表2對上述兩種工藝路線進行比較，可見組合式技術有顯著優(yōu)勢。

5.2 組合式脫硫脫硝工藝簡介

組合式工藝中[4]，半干法脫硫的應用已十分成熟，本文不再贅述。SCR脫硝的原理是在催化劑作用下，利用氨作為還原劑在特定溫度條件下使煙氣中NOx與其反應，生成N2和H2O。

催化劑是SCR脫硝最核心的設備，按其反應溫度可分為高溫、中溫、低溫型[5]。目前應用最廣泛的金屬氧化物高溫催化劑，一般以TiO2為載體，V2O5、WO3、MoO3為主要活性成分。低溫催化劑只處于少量運行階段，其中170℃以上的低溫催化劑在焦爐行業(yè)已有成功應用業(yè)績[6]。表3是不同催化劑的分類和應用情況。

對下列不同溫度的焦爐煙氣脫硫脫硝工藝路線進行分類闡述：

（1）煙溫170～200℃。焦爐煙道約180℃的煙氣在煙囪前大煙道頂面接出，進入SDA脫硫裝置，經脫硫后煙溫約120℃。為最大限度降低煙氣升溫所需能耗，采用回轉式換熱器進行熱交換，脫硫出口約120℃的煙氣經增壓風機加壓后進入回轉式換熱器的“熱側”，在與脫硝后的凈煙氣換熱后，煙溫被加熱到約220℃，再由加熱爐加熱至250℃（溫升30K），并與稀釋風機送入的氨空氣充分混合，進入SCR反應器，在催化劑作用下完成脫硝反應，脫硝后的煙氣進入回轉式換熱器的“冷側”和未脫硝的原煙氣進行換熱后降溫至約150℃，經焦爐煙囪排至大氣。

（2）煙溫200～230℃。通過項目實踐發(fā)現(xiàn)，采用半干法脫硫工藝，其入口煙溫在220℃，控制溫降60K后，脫硫效率≥90%。只要保證溫降，采用考慮高溫的特殊設計后脫硫效率是有保障的。

在此溫度區(qū)間煙氣經脫硫后溫度為140～170℃，通過加熱爐加熱后溫升10～30K，可直接采用低溫催化劑，反應溫度170～180℃，簡化工藝流程，省去換熱環(huán)節(jié)，此工藝在國內少數(shù)焦爐煙氣凈化項目中，已成功投產，其穩(wěn)定運行情況有待觀察。

（3）煙溫230℃以上。煙溫達到約230℃，經脫硫溫降后可直接采用170～180℃的低溫催化劑進行脫硝，省去煙氣換熱和加熱環(huán)節(jié)。此流程簡單，投資和運行費用低。

6 結語

組合式脫硫脫硝工藝是一種高效、成熟、安全、節(jié)能的煙氣凈化工藝。不僅實現(xiàn)焦爐煙氣高效脫硫脫硝，而且確保焦爐煙囪始終處于“熱備用”狀態(tài)。即使在煙氣凈化裝置有故障情況下，煙氣也可由原旁路煙道直接從煙囪排放，有效保障焦爐生產安全。同時應發(fā)現(xiàn)，焦爐煙氣污染物組分差異可能會對催化劑產生影響，在工程設計時應根據(jù)廢氣污染物組分進行理論分析和試驗，從而選擇合適的催化劑。

隨著國家環(huán)保政策日益嚴格，焦爐煙氣脫硫脫硝治理勢在必行。一般地區(qū)企業(yè)應著力于強化在生產過程中的控制措施以實現(xiàn)達標排放，特別限值地區(qū)企業(yè)需考慮增設煙氣凈化裝置以實現(xiàn)達標排放。通過對比和分析可見，組合式脫硫脫硝工藝是合適的工藝路線。

參考文獻

[1]鐘英飛.焦化加熱燃燒時氮氧化物形成機理及控制[J].燃料與化工，2009，40（6）：5-12.

[2]季廣詳.焦化廠焦爐煙囪SO2排放濃度達標的途徑[J].煤化工，2014，（1）：35-38.

[3]葛介龍，張佩芳，周釣忠.幾種半干法脫硫工藝機理的探討[J].環(huán)境工程，2005，23（4）：49-52.

[4]張文效，姚潤生，沈炳龍.焦爐煙氣先脫硫后脫硝的新工藝研究[J].煤炭加工與綜合利用，2015，（12）：51-54.

[5]方華，韓靜，李守信.選擇性催化還原法煙氣脫硝催化劑市場分析[J].中國環(huán)保產業(yè)，2010，6（4）：37-40.

[6]孫克勤，鐘秦.火電廠煙氣脫硝技術及工程應用[M].北京.化學工業(yè)出版社，2007.