煤焦化化產(chǎn)區(qū)域尾氣入焦?fàn)t焚燒技術(shù)的研究與應(yīng)用

陳狄新 張峰 劉青松

(1.山東峰迪環(huán)保技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.濟(jì)鋼集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

煤焦化是以焦?fàn)t為核心設(shè)備，通過(guò)煤氣加熱產(chǎn)生高溫，在隔絕空氣情況下將煤通過(guò)高溫干餾方式得到主產(chǎn)品焦炭，同時(shí)產(chǎn)生焦?fàn)t煤氣、高溫煤焦油、苯等煤化工產(chǎn)品的一種煤轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)。其化產(chǎn)區(qū)域是將焦?fàn)t在生產(chǎn)焦炭過(guò)程中產(chǎn)生的荒煤氣進(jìn)行降溫凈化以得到凈化煤氣，常規(guī)生產(chǎn)裝置分冷鼓工段、脫硫工段、洗脫苯工段、硫銨工段和油庫(kù)區(qū)域等。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保管理要求的越來(lái)越嚴(yán)格，各企業(yè)都陸續(xù)開(kāi)展了生產(chǎn)尾氣的深度達(dá)標(biāo)治理。

化產(chǎn)區(qū)域的尾氣組分不僅有有機(jī)氣體，如苯、酚、非甲烷總烴等，也有大量的無(wú)機(jī)氣體，如氨氣、硫化氫等。同時(shí)，因生產(chǎn)工況原因，尾氣中還夾帶著煤氣、水汽、萘和粗蒽等易結(jié)晶物質(zhì)，十分復(fù)雜，因此，治理的難度也極大。

1 尾氣治理技術(shù)簡(jiǎn)介

目前，國(guó)內(nèi)尾氣治理工藝技術(shù)路線有：洗滌吸收法、吸附法、冷凝回收法、高溫燃燒法、UV 光解氧化法、等離子分解法、生物處理法等[1]。選擇時(shí)應(yīng)充分考慮使用安全風(fēng)險(xiǎn)、工況適應(yīng)性、投資、運(yùn)行費(fèi)用和二次污染等。

1.1 洗滌吸收法

洗滌吸收是利用不同氣體在特定液體中不同的溶解度來(lái)分離和去除氣體組分的一種方式。在化工生產(chǎn)中，通過(guò)洗滌實(shí)現(xiàn)兩相傳質(zhì)等傳遞過(guò)程是一種傳統(tǒng)、常見(jiàn)、很重要的工藝。洗滌吸收法也常根據(jù)這一原理用于有害廢氣的處理上，如工業(yè)生產(chǎn)廢氣中的H2S 和NH3等組分的都可采用這一方法進(jìn)行處理。洗滌吸收常見(jiàn)的有物理吸收和化學(xué)吸收兩類。

物理吸收：主要利用相似相溶的原理，使用特定的液體來(lái)吸收組分類似的氣體。通過(guò)這種方式所溶解吸收的氣體與液體并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，僅是氣體溶解于液體中。如用水洗滌吸收氨氣、用洗油洗滌生產(chǎn)尾氣中的烴類蒸氣等。

化學(xué)吸收：通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，用液體吸收尾氣中的特定組分氣體。因?yàn)楹芏辔矚庵懈魑廴疚锏臐舛炔桓撸运鼈兊奈粘２捎没瘜W(xué)吸收。例如常用化學(xué)吸收有堿液洗滌吸收H2S、SO2，用水洗滌吸收NOx 等。

1.2 吸附法

吸附法是采用多孔性固體吸附劑通過(guò)表面現(xiàn)象處理氣態(tài)(或液態(tài))混合物的方式，使某一或某些組分在吸附劑表面通過(guò)未平衡的分子引力或化學(xué)鍵力被吸附在其表面，實(shí)現(xiàn)分離的目的。目前吸附法已成為一種常用的凈化有毒有害氣體、治理大氣污染的重要方法。吸附和吸收存在本質(zhì)差別，吸附是在固態(tài)吸附劑表面上通過(guò)分子“濃縮”形成吸附層，從分子角度上看是一個(gè)不均勻過(guò)程，而吸收的液相中分子基本上是均勻分散的。常用于氣態(tài)的吸附劑主要有分子篩、活性炭、焦炭等，應(yīng)用最廣泛的為活性炭。

吸附法常用于低濃度大風(fēng)量的處理中。

1.3 冷凝回收法

冷凝回收法是根據(jù)不同物質(zhì)在不同溫度下其飽和蒸汽壓不同的物理性質(zhì)，采用降低溫度或提高壓力的方式，使污染物被冷凝然后將其分離、回收的工藝。冷凝設(shè)備分為直接接觸式冷凝器和表面式冷凝器。

優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)簡(jiǎn)單，受外界影響小，回收效果穩(wěn)定，安全性好；可以直接回收有機(jī)污染物，無(wú)二次污染。

適用對(duì)象：高溫、高濕、高濃度場(chǎng)合，尤其適用于處理高濃度、中流量的尾氣。

1.4 高溫焚燒法

高溫焚燒法是將尾氣收集送入焚燒設(shè)備、利用高溫(840～1000℃)燃燒易燃組分的處理方法。常規(guī)為入已有明火設(shè)備如管式爐、鍋爐等、入專業(yè)焚燒爐如TO、RTO、RCO 等兩種方式。

優(yōu)點(diǎn)：處理效率高，指標(biāo)穩(wěn)定，可真正實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

缺點(diǎn)：投資高；需重點(diǎn)考慮安全因素；因尾氣組分復(fù)雜，有可能造成燃燒后的煙氣不達(dá)標(biāo)。

1.5 UV光解氧化法

利用高能高臭氧UV 紫外線光束照射有機(jī)氣體及空氣中的氧分子，裂解有機(jī)氣體。在高能紫外線光束照射下，降解轉(zhuǎn)變成低分子化合物，如CO2、H2O 等。

UV 光解氧化設(shè)備內(nèi)部組成主要為紫外燈管、光催化活性纖維過(guò)濾層。該燈管產(chǎn)生紫外線量決定了處理效果。優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行成本低、安裝檢修方便。該法適用于尾氣組分單一、高濃場(chǎng)合。

1.6 等離子分解法

該法常用低溫等離子，這是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)外的物質(zhì)第四態(tài)，通過(guò)高強(qiáng)的氣體著火電壓，使氣體分子被擊穿變?yōu)榘娮?、離子、原子和自由基等多種混合體。等離子分解法降解污染物是利用高能電子、自由基等使污染物的分子快速分解，并通過(guò)后續(xù)的其他反應(yīng)實(shí)現(xiàn)污染物被降解的目的。

等離子分解器主要由高壓電源和齒板放電裝置組成，以產(chǎn)生高強(qiáng)度、高濃度、高電能的活性粒子。

優(yōu)點(diǎn)：雖然一次性投資偏高，但運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)低，操作簡(jiǎn)單。

低溫等離子技術(shù)使用簡(jiǎn)易、高效率同時(shí)，對(duì)環(huán)境的安全系數(shù)要求很高，易發(fā)生爆炸等危險(xiǎn)。常用于除惡臭氣體。

1.7 生物處理法

采用生物處理法，是在生物濾池中的生物填料上通過(guò)培養(yǎng)微生物膜對(duì)臭氣分子進(jìn)行治理的生物技術(shù)。

當(dāng)氣、液、固三項(xiàng)混合的含有有毒、有害等惡臭廢氣進(jìn)入生物池后，與在生物填料上培養(yǎng)生長(zhǎng)的高效微生物菌形成的生物膜充分接觸然后被菌種降解。

優(yōu)點(diǎn)：環(huán)保衛(wèi)生，可同時(shí)處理多種廢氣，運(yùn)行成本低。

缺點(diǎn)：易受沖擊而影響效果，恢復(fù)慢；生產(chǎn)調(diào)節(jié)精細(xì)；占地大。

綜上主要治理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

2 尾氣入焦?fàn)t焚燒技術(shù)

化工企業(yè)尾氣主要來(lái)源于揮發(fā)性物料儲(chǔ)罐的“大呼吸”和“小呼吸”過(guò)程中揮發(fā)出的氣體。大呼吸是指液體在儲(chǔ)罐之間因轉(zhuǎn)移而出現(xiàn)的氣體被排出，排出的氣體多為飽和蒸汽 ,多出現(xiàn)在生產(chǎn)原料和成品入罐時(shí)；“小呼吸”是指受罐外溫度或壓力變化導(dǎo)致氣體被排出，排出的氣體則是相對(duì)飽和蒸汽。儲(chǔ)罐自由排放的廢氣屬于無(wú)組織放散氣，數(shù)量與所儲(chǔ)存物料的理化特性、儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)、當(dāng)?shù)貧夂蛞约安僮黝l次等有關(guān)。通常，“大呼吸”造成的排放量要大于“小呼吸”[2]。

尾氣治理應(yīng)從源頭和根本抓起，先控制尾氣發(fā)生量和總量，如按標(biāo)準(zhǔn)控制生產(chǎn)，盡可能降低生產(chǎn)溫度；尾氣放散口盡可能密閉、杜絕敞口和無(wú)序排放。

尾氣治理不應(yīng)是單純的對(duì)收集的廢氣進(jìn)行處理，應(yīng)從環(huán)保大局上綜合考慮，不能做簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)移或產(chǎn)生新的需進(jìn)一步處置的危廢。綜合比較目前各類治理技術(shù)，焚燒法是當(dāng)前比較徹底的一種技術(shù)，主要是利用燃燒氧化和高溫下的分解作用。因此，焚燒適用于凈化可燃的物質(zhì)。但焚燒法使用時(shí)應(yīng)充分考慮安全性和焚燒后的煙氣排放問(wèn)題。本方案是在充分結(jié)合焦化企業(yè)自身?xiàng)l件的基礎(chǔ)上開(kāi)展的，治理總思路：能實(shí)現(xiàn)絕對(duì)密閉的，經(jīng)密閉或氮封后入煤氣負(fù)壓管道，回到生產(chǎn)系統(tǒng)；不能實(shí)現(xiàn)絕對(duì)密閉的或尾氣中含氧無(wú)法控制的，經(jīng)洗滌預(yù)處理凈化后進(jìn)入焦化企業(yè)自有的焦?fàn)t進(jìn)行焚燒。本方案主要討論入焦?fàn)t焚燒。

2.1 預(yù)處理

按不同工段不同尾氣組分設(shè)置不同洗滌液的尾氣洗滌吸收預(yù)處理裝置。逸散尾氣通過(guò)風(fēng)機(jī)的吸力進(jìn)入洗滌凈化裝置，與洗滌吸收液充分接觸吸收。如用水洗氨氣、洗油洗苯或萘等有機(jī)組分。液體吸收法作為尾氣治理的預(yù)處理，預(yù)處理意義：

(1)通過(guò)吸收，降低尾氣中有害組分的濃度；進(jìn)而提升安全可靠度，為焚燒打下基礎(chǔ)。

(2)控制尾氣溫度，穩(wěn)定在低溫狀態(tài)。

(3)回收部分高沸點(diǎn)有機(jī)物如萘、粗蒽等，并避免這些高沸點(diǎn)有機(jī)物對(duì)設(shè)備設(shè)施造成堵塞等損壞。

2.2 入焦?fàn)t焚燒

經(jīng)預(yù)處理裝置后的凈化尾氣進(jìn)入尾氣緩沖罐，進(jìn)一步過(guò)濾尾氣中夾帶的液體和渣類物質(zhì)，再由尾氣風(fēng)機(jī)經(jīng)安全裝置通過(guò)管道接至焦?fàn)t地下室機(jī)焦兩側(cè)的廢氣盤中，當(dāng)廢氣盤開(kāi)閉器為空氣上升時(shí)，尾氣管道自控閥門打開(kāi)，使收集尾氣進(jìn)入廢氣盤，和吸入空氣混合后共同進(jìn)入焦?fàn)t蓄熱室，最后進(jìn)入燃燒室被高溫焚燒。當(dāng)焦?fàn)t廢氣盤開(kāi)閉器為廢氣下降時(shí)，自控閥門關(guān)閉，尾氣不進(jìn)入。

焦?fàn)t交換機(jī)定期換向，將該換向信號(hào)引至尾氣管道控制閥，使自控閥聯(lián)鎖同步，讓入爐焚燒的尾氣始終進(jìn)入焦?fàn)t被燃燒。工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

表1 各尾氣治理技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)匯總

圖1 煤焦化化產(chǎn)區(qū)域尾氣入焦?fàn)t焚燒工藝流程簡(jiǎn)圖

入焦?fàn)t焚燒作為VOCs 治理的精處理，精處理意義：

(1)通過(guò)焦?fàn)t內(nèi)高溫可實(shí)現(xiàn)有害氣體徹底分解、穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

(2)不新增排放口，無(wú)需安裝監(jiān)測(cè)等設(shè)施。

(3)焚燒后產(chǎn)生的SO2、NOx 等可進(jìn)入焦?fàn)t煙氣已有的脫硫脫硝裝置處理，無(wú)須再單獨(dú)考慮。

3 尾氣入焦?fàn)t焚燒技術(shù)安全控制

焦?fàn)t屬于明火設(shè)備，自身就是一個(gè)火源，入爐焚燒的尾氣又含有多種易燃易爆成分，主要有氨氣、硫化氫、苯系物、非甲烷總烴及少許夾帶煤氣等。所以，為保障尾氣入焦?fàn)t焚燒的安全，需重點(diǎn)做好安全控制。

(1)入焦?fàn)t尾氣管路設(shè)多濃度在線檢測(cè)裝置，并與配套的自動(dòng)閥聯(lián)鎖，嚴(yán)控入爐的有機(jī)化合物濃度值，使其受控在安全水準(zhǔn)內(nèi)，這是防止發(fā)生爆炸的一個(gè)本質(zhì)對(duì)策。一旦濃度超標(biāo)，切斷入爐管路，應(yīng)急放散—通常，入焦?fàn)t氣體濃度控制在其爆炸下限的25%以下[3]。

(2)入爐尾氣管路設(shè)阻火器2 套，串聯(lián)使用，用于防回火，實(shí)施有效隔斷，保障使用安全。

(3)入爐尾氣管路設(shè)置安全連接器一套，進(jìn)一步保障使用安全。

(4)入爐尾氣管路設(shè)自動(dòng)滅火系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)出現(xiàn)了火災(zāi)等應(yīng)急狀況，自動(dòng)滅火系統(tǒng)立即自動(dòng)啟動(dòng)。

(5)根據(jù)應(yīng)用，配備相關(guān)泄爆口。

(6)配備一套獨(dú)立的自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 結(jié)語(yǔ)

該技術(shù)于2019 年在山東某110 萬(wàn)噸/年焦炭產(chǎn)能的焦化廠成功應(yīng)用，使用穩(wěn)定。驗(yàn)證了此法是在充分結(jié)合煤焦化企業(yè)自身?xiàng)l件基礎(chǔ)下、較徹底處理逸散尾氣的有效途徑之一。

目前，中國(guó)的環(huán)保治理在設(shè)計(jì)同時(shí)應(yīng)充分考慮設(shè)施的安全性，同時(shí)，特殊工況如焦化行業(yè)化產(chǎn)區(qū)域還應(yīng)考慮使用過(guò)程中含萘易堵塞的影響。如含萘易堵塞尾氣管道應(yīng)設(shè)計(jì)為蒸汽伴熱管、管道預(yù)留吹掃口、低點(diǎn)設(shè)自動(dòng)排凝等措施。

為保障環(huán)保治理的實(shí)際效果，企業(yè)還需加強(qiáng)環(huán)保設(shè)施的日常管理：按要求定期進(jìn)行管道吹掃、設(shè)備拆卸檢查、自控聯(lián)鎖使用效果檢測(cè)、預(yù)處理循環(huán)洗滌液飽和度檢查等等。