焦?fàn)t煙道氣脫硫脫硝現(xiàn)狀和工藝路線探討

董艷蘋(píng)

(中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司,北京　100176)

?

焦?fàn)t煙道氣脫硫脫硝現(xiàn)狀和工藝路線探討

董艷蘋(píng)

(中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司,北京100176)

[摘要]隨著環(huán)保政策的日趨嚴(yán)格,焦?fàn)t煙道氣中的SO2和NOx排放將被嚴(yán)格限制。文章簡(jiǎn)要介紹了該領(lǐng)域在技術(shù)和資金上的現(xiàn)狀以及存在的困難,從工藝流程、可能存在的問(wèn)題及投資規(guī)模等方面簡(jiǎn)要分析和對(duì)比了三種不同的工藝路線。

[關(guān)鍵詞]焦?fàn)t煙道氣；脫硫脫硝；環(huán)境；工藝路線

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.28.097

1背景

近年來(lái),隨著我國(guó)的環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)峻,政府在環(huán)保法規(guī)的制定、執(zhí)行和檢查力度方面不斷加強(qiáng)。尤其是在近幾年華北地區(qū)嚴(yán)重霧霾天氣頻現(xiàn)的狀況下,大氣污染問(wèn)題成為環(huán)保的重點(diǎn)領(lǐng)域。焦化行業(yè)作為鋼鐵行業(yè)和煤化工行業(yè)的交叉領(lǐng)域,受到了來(lái)自社會(huì)和環(huán)保部門(mén)的共同關(guān)注。2015年1月1日之后,所有新建和現(xiàn)有企業(yè)都要開(kāi)始執(zhí)行的《煉焦化學(xué)工業(yè)污染排放標(biāo)準(zhǔn)》[1]規(guī)定,機(jī)焦、半焦?fàn)t煙囪SO2排放濃度小于50mg/m3,NOX濃度小于500mg/m3,顆粒物濃度小于30mg/m3。在大氣污染特別排放限值地區(qū),SO2、NOX和顆粒物的排放濃度更是達(dá)到了30mg/m3、150 mg/m3和15mg/m3。在這樣的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)下,焦?fàn)t煙道氣不經(jīng)過(guò)后續(xù)的凈化處理工序很難達(dá)標(biāo)排放,所以,焦?fàn)t煙道氣脫硫脫硝處理將成為焦化行業(yè)的一個(gè)必備工藝環(huán)節(jié)。

2現(xiàn)狀和存在的困難

我國(guó)現(xiàn)有焦炭產(chǎn)能不低于4.43億噸[2],對(duì)應(yīng)焦?fàn)t數(shù)量2000余座。由于這些焦?fàn)t在建設(shè)時(shí)并無(wú)相關(guān)環(huán)保要求,幾乎100%的焦?fàn)t均未同步建設(shè)煙道氣脫硫脫硝設(shè)施,均未考慮煙道氣脫硫脫硝設(shè)施接口。一些年限較近的焦?fàn)t在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)用了從污染物生成角度控制二氧化硫和氮氧化物形成,從而降低煙囪出口污染物排放的辦法。在控制NOX生成方面,有廢氣循環(huán)技術(shù)、分段加熱技術(shù)以及二者結(jié)合的“分段加熱+廢氣循環(huán)”技術(shù)。[3]在控制SO2排放方面,有些單位采取了盡量降低焦?fàn)t煤氣中H2S含量、提高洗苯脫苯效率、降低焦?fàn)t漏風(fēng)率等方法。[4]這些方法雖然在一定程度上可以降低污染物的生成,但受制于現(xiàn)有焦?fàn)t生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)狀況參差不齊和原料來(lái)源等問(wèn)題,這些方法仍無(wú)法保證焦?fàn)t煙道氣的達(dá)標(biāo)排放。

截至2016年一季度,國(guó)內(nèi)公開(kāi)資料可查的焦?fàn)t煙氣脫硫脫硝工程不足五個(gè),涉及焦?fàn)t僅十余座。寶鋼、包鋼、山西潞安集團(tuán)等國(guó)內(nèi)大型鋼鐵、煤炭企業(yè)在此領(lǐng)域做出了積極的嘗試。一些大型的私營(yíng)鋼鐵、焦化企業(yè)結(jié)合自身情況,單獨(dú)開(kāi)展了脫硫或脫硝工程。結(jié)合目前幾套已建成和在建項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),筆者認(rèn)為,在焦?fàn)t煙道氣脫硫脫硝的未來(lái)發(fā)展中,仍然存在著以下幾個(gè)問(wèn)題。

(1)整體工藝尚待檢驗(yàn)。從目前投運(yùn)和在建項(xiàng)目看,存在著2～3種不同的工藝路線。但無(wú)論哪種工藝,工藝布置的合理性以及長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性尚需實(shí)踐檢驗(yàn)。

(2)焦?fàn)t自身狀況和運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)對(duì)工藝的影響。從工程實(shí)際看,焦?fàn)t煙道氣溫度低,給脫硝造成很大的難度。同時(shí)焦?fàn)t終生不停爐的特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)建造時(shí)的煙道竄漏等問(wèn)題對(duì)脫硫脫硝工程的開(kāi)展都將造成一定的影響,增加施工難度。

(3)脫硫脫硝工藝帶來(lái)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本較高。無(wú)論現(xiàn)行的哪種工藝,脫硫脫硝改造帶來(lái)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本令本就處在寒冬的焦化行業(yè)雪上加霜。這也是大大制約煙道氣脫硫脫硝發(fā)展的重要因素。

3幾種不同工藝路線的比較

3.1余熱回收+SDA(或類(lèi)似干法脫硫工藝)+低溫SCR

在這種工藝中,將煙氣從原有煙道中引出后,首先經(jīng)過(guò)SDA旋轉(zhuǎn)噴霧法去除煙氣中所含的SO2、SO3等酸性氣體,然后經(jīng)過(guò)布袋除塵后將煙氣送至低溫SCR處進(jìn)行脫硝。最終處理后的煙氣送回原煙道進(jìn)行排放。[5]

這種做法充分考慮到現(xiàn)有催化劑在低溫條件下無(wú)法避免發(fā)生SO2轉(zhuǎn)化,而由SO2轉(zhuǎn)化而來(lái)的SO3更易與NH3反應(yīng),從而生成大量亞硫銨,與煙氣中的O2反應(yīng)進(jìn)而形成硫銨,附著在催化劑表面。先行脫除SO2和SO3,從源頭上杜絕硫銨的生成,保護(hù)催化劑。這種工藝布置對(duì)于脫硝裝置的保護(hù)最為到位,脫硝失敗風(fēng)險(xiǎn)最小。國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)和工程公司已經(jīng)將類(lèi)似的工藝路線應(yīng)用在實(shí)際的工程中,據(jù)公開(kāi)報(bào)道,取得了良好的效果。[6]

但從工藝角度,這種以脫硝效率為保證的工藝布置方式存在一定的不合理性。

首先,焦?fàn)t正常生產(chǎn)時(shí),煙道氣溫度為180℃～300℃,而絕大多數(shù)焦?fàn)t煙道氣溫度為200℃～230℃。[5]但這樣的煙氣溫度區(qū)間,高于旋轉(zhuǎn)噴霧法80℃～100℃的最佳反應(yīng)溫度區(qū)間。即便考慮對(duì)脫硫反應(yīng)器進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),根據(jù)近絕熱飽和溫度與反應(yīng)效率的關(guān)系,為維持溫度而降低一些脫硫反應(yīng)效率,反應(yīng)的溫度最高的也要在160℃～180℃區(qū)間。[7]這樣的反應(yīng)溫度要求煙道氣在進(jìn)入SDA裝置前進(jìn)行換熱降溫,以使煙氣溫度達(dá)到SDA能夠適應(yīng)的溫度區(qū)間。即煙道氣的溫降至少要達(dá)到20℃以上。但考慮到后續(xù)脫硝反應(yīng)還需要較高的溫度,換熱溫降要盡量小,降溫后的煙氣進(jìn)入SDA的反應(yīng)溫度區(qū)間即可。這樣的做法使得脫硫反應(yīng)在高溫低效率下進(jìn)行；同時(shí)留給余熱回收的溫差小,對(duì)能源回收的數(shù)量少,效率低。

第二,煙氣經(jīng)過(guò)脫硫后,溫度已經(jīng)降低到180℃左右，甚至更低。這樣的溫度使現(xiàn)有催化劑無(wú)法達(dá)到預(yù)期效率,需對(duì)煙氣進(jìn)行升溫。在升溫過(guò)程中,煙氣整體升溫至少在30℃左右,需要消耗外部燃料,大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

3.2低溫SCR+余熱回收+干法/濕法脫硫

此種工藝相當(dāng)直接地借鑒了成熟的電廠脫硫脫硝流程,即直接從焦?fàn)t原有煙道抽取煙氣。煙氣直接進(jìn)入低溫SCR進(jìn)行脫硝,脫硝后的煙氣進(jìn)入余熱鍋爐進(jìn)行余熱回收,最后溫度降低后的煙氣進(jìn)入脫硫塔進(jìn)行脫硫。

此種工藝流程最為直接,直接利用煙道氣原有溫度進(jìn)行脫硝,工藝簡(jiǎn)明,余熱回收資源多、效率高。同時(shí)免去了對(duì)煙氣進(jìn)行加熱產(chǎn)生的能源消耗。同時(shí)由于脫硫工藝不受到其他工藝制約,可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同的條件靈活選擇脫硫方法,因地制宜。此工藝在某焦化廠進(jìn)行了半年左右的工藝實(shí)驗(yàn),取得了良好的效果。

但客觀來(lái)說(shuō),這種工藝目前也存在著一個(gè)核心問(wèn)題,即低溫SCR處反應(yīng)溫度低,SO2含量高,這樣造成催化劑的工作環(huán)境極為不利。嚴(yán)苛的工作環(huán)境使得催化劑的抗硫性能、低溫性能和機(jī)械性能等都要達(dá)到較高的標(biāo)準(zhǔn),才能達(dá)到目標(biāo)脫硝效率。這樣就造成了系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)比較集中的狀況。根據(jù)這種情況,設(shè)置一些脫硝裝置保護(hù)功能,在極端條件下增強(qiáng)對(duì)催化劑的保護(hù),這樣能更好地降低實(shí)際應(yīng)用中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3活性焦(炭)法

活性焦法(亦稱(chēng)為活性炭法)是利用活性焦自身的吸附性能,對(duì)SO2和NOX進(jìn)行物理和化學(xué)吸附,從而達(dá)到脫硫脫硝效果的一種方法。用于焦?fàn)t煙道氣脫硫脫硝時(shí),可利用余熱鍋爐首先回收煙氣中的熱能,煙氣得到降溫后通入活性焦吸附裝置中。吸附塔可根據(jù)需要設(shè)置為兩級(jí),首先去除煙氣中的SO2,再在煙氣中噴氨,進(jìn)入第二級(jí)脫硝吸附塔。

目前,這種方法在燒結(jié)煙氣、銅冶煉環(huán)集煙氣中已有較多成功應(yīng)用案例。但在焦?fàn)t煙道氣凈化領(lǐng)域尚無(wú)應(yīng)用,原因是受制于現(xiàn)有活性焦自身催化性能較低。經(jīng)筆者對(duì)國(guó)內(nèi)幾個(gè)已經(jīng)投運(yùn)的燒結(jié)脫硫脫硝裝置的走訪,發(fā)現(xiàn)裝置的最高脫硝效率難以達(dá)到60%,尚難以滿足大多數(shù)焦?fàn)t煙道氣脫硝的要求。

然而,筆者認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)在未來(lái)有著較大的發(fā)展?jié)摿?。因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)相對(duì)于前述的幾種技術(shù)來(lái)說(shuō),設(shè)備的集成化水平較高,運(yùn)行穩(wěn)定,可靠性強(qiáng)。只要解決了脫硝效率問(wèn)題,這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)將非常顯著。并且筆者近期了解到,國(guó)內(nèi)某科研院所已經(jīng)研制出實(shí)際運(yùn)行脫硝效率達(dá)到80%左右的新型活性焦產(chǎn)品[8],所以,這項(xiàng)技術(shù)在未來(lái)兩年內(nèi)實(shí)現(xiàn)突破的可能性極大。

4幾種工藝的投資及運(yùn)行費(fèi)用比較

目前,在國(guó)內(nèi)已經(jīng)實(shí)施的幾套工程案例中,由于都帶有科研性和創(chuàng)新性,工程的整體投資均保持在較高水平。隨著各家技術(shù)的日趨成熟,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)逐漸激烈,可以預(yù)期各工藝路線的投資水平將有不同程度的下降。

在運(yùn)行費(fèi)用方面,由于實(shí)際投運(yùn)項(xiàng)目太少,一些工藝路線的項(xiàng)目尚在建設(shè)中,故實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用難以全面和準(zhǔn)確掌握。且根據(jù)焦?fàn)t煙道氣溫度會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)的特點(diǎn)和不同工程中催化劑實(shí)際運(yùn)行狀況差別較大,實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的煙氣加熱的費(fèi)用和催化劑損耗費(fèi)用難以憑借理論估算得出。所以目前各種工藝的運(yùn)行成本還帶有很大的不確定性和不透明性。

在投資規(guī)模差別不大的前提下,直接運(yùn)行成本和運(yùn)行穩(wěn)定性將成為決定各種方法市場(chǎng)占有率的最重要的參考因素。

5結(jié)論

(1)對(duì)于焦化行業(yè)來(lái)說(shuō),實(shí)施煙道氣脫硫脫硝工程存在實(shí)際的經(jīng)濟(jì)困難,技術(shù)可靠性存在顧慮,但目前幾個(gè)大型國(guó)有企業(yè)在此方面的探索將大大推進(jìn)全國(guó)焦?fàn)t煙道氣脫硫脫硝治理的進(jìn)程。

(2)對(duì)于已經(jīng)推行的兩種工藝路線來(lái)說(shuō),達(dá)標(biāo)排放的要求均可滿足,主要差異將體現(xiàn)在運(yùn)行的穩(wěn)定性和運(yùn)營(yíng)成本上。

(3)若脫硝效率問(wèn)題能夠解決,活性焦法將成為最有潛力的焦?fàn)t煙道氣脫硫脫硝方法。

參考文獻(xiàn):

[1]環(huán)境保護(hù)部，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.2012 G B煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2012.

[2]丁明潔,陳思順,陳新華,等.中國(guó)焦化工業(yè)問(wèn)題分析及對(duì)策研究[J].現(xiàn)代化工,2013(8):13-17.

[3]鐘英飛.焦?fàn)t加熱燃燒時(shí)氮氧化物的形成機(jī)理及控制[J].燃料與化工,2009,40(6):5-8.

[4]季廣祥.焦化廠焦?fàn)t煙囪 SO2排放濃度達(dá)標(biāo)途徑[J].煤化工,2014(1):35-38.

[5]尹華,呂文彬,孫剛森,等.焦?fàn)t煙道氣凈化技術(shù)與工藝探討[J].燃料與化工,2015,46(2):1-4.

[6]孫剛森,高飛.基于寶鋼湛江焦?fàn)t煙道廢氣凈化工程之實(shí)施論焦?fàn)t煙氣污染物凈化治理方案[C].安陽(yáng)：2015年(第九屆)焦化節(jié)能環(huán)保及干熄焦技術(shù)研討會(huì)論文集:153-156.

[7]李玉忠,馬春元,董勇.半干法煙氣脫硫工藝中的近絕熱飽和溫度[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué),2003,29(4): 5-8.

[8]中國(guó)科學(xué)院,碳基催化劑干法一體化脫除煙氣多種污染物技術(shù)工業(yè)示范取得突破[EB/OL].http://www.sxicc.cas.cn/xwzx/kydt/201604/t20160407_4580113.html.

[作者簡(jiǎn)介]董艷蘋(píng)(1979—),女,學(xué)士學(xué)位,工程師。研究方向：冶金燃?xì)鈱?zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)。