焦化工業(yè)大氣污染現(xiàn)狀及防控對策

劉文博，陳健祥

（甘肅靜和源環(huán)?？萍加邢薰?，甘肅 蘭州730000）

焦化工業(yè)是以煤炭為原料，經(jīng)高溫干餾煉制焦炭，回收煤氣、煤焦油和粗苯等化工產(chǎn)品的煤化學(xué)工業(yè)，已成為我國重要的能源轉(zhuǎn)化加工工業(yè)，其與煤炭、鋼鐵和化工等工業(yè)形成密切相關(guān)的上下游產(chǎn)業(yè)鏈。由于城鎮(zhèn)化和國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需求，我國焦炭產(chǎn)量迅速增加（如圖1所示），自1994年以來，我國成為全球第一大焦炭生產(chǎn)和消費(fèi)國，焦炭產(chǎn)量一直占全球總量的60%以上，2018年焦炭產(chǎn)量4.382億t，占世界焦炭產(chǎn)量的67%[1]。我國焦炭生產(chǎn)主要分布在山西、河北、山東、陜西、內(nèi)蒙古、河南和遼寧等地，占全國焦炭產(chǎn)量的78%（如圖2所示）。其中獨立焦化企業(yè)約占2/3，其余為鋼鐵聯(lián)合焦化企業(yè)。

圖1 我國焦炭生產(chǎn)產(chǎn)量

焦炭生產(chǎn)過程資源和能源的利用效率低，同時產(chǎn)生大量的廢氣、廢水和固體廢物等對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，隨之而來的污染問題也嚴(yán)重地制約著焦化工業(yè)的發(fā)展[2]。近年，在《焦化行業(yè)準(zhǔn)入條件》、打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)等政策法規(guī)的引導(dǎo)下，我國在煤炭干餾工藝技術(shù)、焦?fàn)t大型化、煤氣資源化和煉焦化學(xué)產(chǎn)品的精深加工、節(jié)能減排等方面均有所突破與發(fā)展[1]。截至2017年，4.3m及以下焦?fàn)t仍占41%[1]，仍需要逐步淘汰爐齡較長、環(huán)保措施不完善的4.3m及以下焦?fàn)t，因此，焦化行業(yè)仍然需要不斷地探索新的發(fā)展模式、加大技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)和創(chuàng)新力度、延伸產(chǎn)業(yè)鏈、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，持續(xù)降低物耗和能耗、減少污染物的產(chǎn)生和排放，持續(xù)實施清潔生產(chǎn)，促進(jìn)焦化行業(yè)走上綠色生態(tài)發(fā)展之路[3]。

1 焦化工業(yè)大氣污染特征及現(xiàn)狀

煤干餾成焦的機(jī)理和焦?fàn)t的特殊結(jié)構(gòu)決定了焦化工藝是以非連續(xù)性的方式生產(chǎn)焦炭，工藝流程復(fù)雜，難以實現(xiàn)完全自動化，人工輔助作業(yè)環(huán)節(jié)多，產(chǎn)排污節(jié)點多，如圖3所示。

焦化工業(yè)排放的大氣污染物種類繁雜且毒性大，以點源、面源和體源方式及高強(qiáng)度和間歇性排放的典型特征。顆粒物主要來自焦煤的儲運(yùn)、破碎、篩分、出焦、熄焦、篩焦、焦炭儲運(yùn)和焦?fàn)t排放，其中焦?fàn)t煙氣、爐門逸散氣、鍋爐煙氣、推焦車煙氣中的顆粒物粒徑小，含有多環(huán)芳烴等有毒有害物質(zhì)。煤炭在焦?fàn)t中干餾、結(jié)焦等化學(xué)轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生的污染物是大氣污染物產(chǎn)生的根源，氣態(tài)污染物主要來自焦?fàn)t荒煤氣泄漏、放散煤氣凈化和化產(chǎn)品回收工段的無組織排放，主要成分包括揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）、氮氧化物、一氧化碳與含硫化合物等。已研究確定的VOC有一百多種，主要包括烷烴、烯烴、芳烴、醛類或酮類等物質(zhì)，其中很多物質(zhì)具有臭味和刺激性，氯乙烯、苯、多環(huán)芳烴等已被列為致癌物[4]。出焦時灼熱的焦炭與空氣接觸生成CO、CO2和NO2等。焦?fàn)t產(chǎn)生的污染物是大氣污染最嚴(yán)重的部位。

根據(jù)大氣污染物排放清單技術(shù)指南的計算方法和因子得到2018年我國各省市焦化工業(yè)大氣污染物的排放量見表1。

由表1可知，小于10微米顆粒物排放量為384.3萬t，臭氧前體物的NOx和VOCs排放量分別為53.9萬t和129.71萬t。焦化行業(yè)排放的VOCs按烷烴、烯烴和芳香烴分類，按照文獻(xiàn)[6]方法及計算焦化行業(yè)排放的VOCs不同組分的臭氧生成潛勢和二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢如圖4所示，其中烯烴和芳香烴對臭氧生成的貢獻(xiàn)較大，對二次有機(jī)氣溶膠也有一定貢獻(xiàn)。

圖4 臭氧生成和二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢

2 焦化工業(yè)大氣污染防控思路與對策

在物資匾乏和經(jīng)濟(jì)落后的情況下，人類本想通過工業(yè)（如焦化）的建設(shè)豐富物資和增加國民經(jīng)濟(jì)收入，提高人民的生活質(zhì)量。工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)加工過程受工藝原理、設(shè)備、過程控制等多種因素的制約，不可避免地產(chǎn)生廢氣、廢水污染物和固體廢物，對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，直接和間接地影響著人群健康，但是經(jīng)多年運(yùn)行實踐表明與初衷相違背的結(jié)果，反而降低了人的生活質(zhì)量。綜合分析可以看出，對人民的生活質(zhì)量改善這一功能而言，工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)與污染就構(gòu)成了一個復(fù)雜的巨大系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 工業(yè)生產(chǎn)與污染的系統(tǒng)示意圖

因此，對大氣污染的防控只有深入了解這個復(fù)雜的系統(tǒng)，綜合、全面地考慮，才有可能得到科學(xué)有效的大氣污染解決方案?；诮够I(yè)生產(chǎn)與大氣污染的系統(tǒng)的復(fù)雜性，需要不斷地創(chuàng)新大氣污染防控的思想和理念，從焦化工業(yè)所在的區(qū)域、行業(yè)和焦炭生產(chǎn)企業(yè)二個層面采取整體防控的戰(zhàn)略，以保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)焦化行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，達(dá)到提高人的生活質(zhì)量的最終目的，如圖6所示。以下從區(qū)域、行業(yè)和生產(chǎn)企業(yè)二個層面介紹焦化工業(yè)大氣污染防控思路與對策。

圖6 工業(yè)生產(chǎn)與污染的系統(tǒng)示意圖

2.1 區(qū)域?qū)用?，制定科學(xué)的焦化污染防控思路

我國大氣污染正從局地、單一的城市空氣污染向區(qū)域和復(fù)合型污染轉(zhuǎn)變，污染特征也由單一類型的污染物向多種污染物協(xié)同作用工業(yè)復(fù)合污染轉(zhuǎn)變。我國大氣污染形成了以臭氧和細(xì)顆粒物為主要污染特征的復(fù)合污染物，其在大氣環(huán)境中的濃度與前體物（如NOx和VOCs）之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系，成因機(jī)理十分復(fù)雜。以細(xì)顆粒物和臭氧為代表的二次污染物成為我國大氣污染控制的難點，焦化行業(yè)除排放顆粒物外，也大量排放NOx和VOCs，成為大氣污染控制的重點行業(yè)。

建立區(qū)域大氣污染源排放清單，科學(xué)制定區(qū)域的污染管控措施。排放清單是指不同大氣污染源排放的各種污染物的源強(qiáng)信息的集合，是深入和準(zhǔn)確理解的各種污染源對區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量的影響和識別區(qū)域污染來源的基礎(chǔ)，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了不同區(qū)域?qū)用娴呐欧徘鍐蔚难芯縖7-9]?；谂欧徘鍐魏蜌庀髷?shù)據(jù)，利用以大氣動力學(xué)理論和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理為基礎(chǔ)的空氣質(zhì)量模型，可以確定區(qū)域污染源貢獻(xiàn)清單[10]。依據(jù)模擬區(qū)域內(nèi)污染物的時空分布，可以劃分大氣污染控制的重點和一般控制區(qū)域；結(jié)合區(qū)域發(fā)展規(guī)劃和大氣環(huán)境污染特征，利用多目標(biāo)規(guī)劃方法，確定區(qū)域污染源管控清單，制定治理費(fèi)用和環(huán)境效益最優(yōu)的科學(xué)有效的大氣污染源控制對策[11]。

從區(qū)域角度，調(diào)整重點控制區(qū)域焦化工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化焦化工業(yè)布局，鼓勵鋼鐵企業(yè)并購重組獨立焦化企業(yè)，并延伸產(chǎn)業(yè)鏈。從焦化工業(yè)對區(qū)域大氣污染的綜合影響考慮，根據(jù)焦化企業(yè)對區(qū)域環(huán)境空氣污染的貢獻(xiàn)程度，分別針對重點和一般控制區(qū)域的焦化企業(yè)，分階段和區(qū)域采取適宜的控制策略，形成“一市一策”，乃至“一區(qū)（縣）一策”的污染控制對策。強(qiáng)化重污染過程預(yù)警預(yù)報，在重污染期間，對重點控制區(qū)的焦化工業(yè)采取錯峰生產(chǎn)和減產(chǎn)等應(yīng)急措施應(yīng)對大氣重污染過程。

2.2 行業(yè)層面，制定科學(xué)的焦化污染防控思路

通過政策法規(guī)引導(dǎo)焦化行業(yè)走綠色生態(tài)發(fā)展之路。自2004年發(fā)布及其后修改的《焦化行業(yè)準(zhǔn)入條件》、打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)等政策的頒布，為焦化行業(yè)良性發(fā)展和落后設(shè)備的淘汰，焦化工業(yè)技術(shù)的提升與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整起了指導(dǎo)作用。持續(xù)研究和制定適合我國國情的法規(guī)，繼續(xù)發(fā)揮政策法規(guī)對焦化行業(yè)發(fā)展的引領(lǐng)作用。

發(fā)揮行業(yè)協(xié)會優(yōu)勢，整合優(yōu)勢資源，加大高能效和低污染技術(shù)及裝備的研發(fā)，有效地解決焦化行業(yè)低能效和高污染問題，制定焦化行業(yè)污染防治技術(shù)指南，實時推廣先進(jìn)的煤焦化技術(shù)和最佳污染防治技術(shù)，推動焦化產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級。

建立焦化行業(yè)科學(xué)發(fā)展評價體系，完善對焦化企業(yè)的科學(xué)評估。通過退出轉(zhuǎn)型、改造提升、兼并重組和停產(chǎn)整治，嚴(yán)控焦炭產(chǎn)能，促進(jìn)焦化企業(yè)的良性發(fā)展。

2.3 企業(yè)層面，成熟技術(shù)的選擇和新技術(shù)的研發(fā)

焦化企業(yè)大氣污染的控制可以通過清潔生產(chǎn)實現(xiàn)污染物的源頭減量和末端治理相結(jié)合的控制措施，提升企業(yè)的市場競爭力。企業(yè)需要做好深入系統(tǒng)調(diào)研，利用好現(xiàn)有成熟的污染減緩的防治技術(shù)。針對企業(yè)實際情況，研發(fā)焦化行業(yè)污染治理新技術(shù)和設(shè)備，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。

對焦化企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化改造，可降低硫化物、碳化物、氰化物等物質(zhì)排放量[12]。針對焦化工業(yè)廢氣中顆粒物、無機(jī)氣態(tài)污染（SO2、NOx、NH3和HS2）和有機(jī)氣態(tài)污染，文獻(xiàn)綜述了廢氣污染治理技術(shù)[13，14]。焦?fàn)t燃燒廢氣可采取低硫、低氮的清潔燃?xì)猓瑥U氣循環(huán)與多段加熱相結(jié)合的低氮燃燒技術(shù)減少NOx的產(chǎn)生和排放。

煤氣凈化和化產(chǎn)回收工段的有機(jī)廢氣治理技術(shù)成為目前關(guān)注的焦點，主要采?。?）將各貯槽產(chǎn)生的廢氣集中收集送排氣洗凈塔進(jìn)行洗滌凈化，排氣洗凈塔通常采用酸洗、堿洗、洗油洗滌、水洗和吸附吸收等措施減少VOCs的排放。（2）設(shè)置壓力平衡系統(tǒng)將從貯槽等化產(chǎn)區(qū)域收集的不含氧氣的VOCs送至焦化企業(yè)自身的負(fù)壓煤氣管道，實現(xiàn)煤氣的回收，此處理方法對安全措施有較高的要求。（3）將化產(chǎn)區(qū)域可收集的VOCs收集后，送入焦?fàn)t燃燒或其他熱力焚燒設(shè)施進(jìn)行處理，實現(xiàn)能源的利用和VOCs的有效處理。（4）在焦化行業(yè)推進(jìn)LDAR，制定泵、壓縮機(jī)、閥門、法蘭等易發(fā)生泄漏的設(shè)備與管線組件泄漏檢測與修復(fù)計劃，定期檢測及時修復(fù)，減少VOCs的無組織排放。

2.4 焦化工業(yè)大氣污染治理存在的問題

焦化行業(yè)不僅受鋼鐵煤炭去過剩產(chǎn)能的影響，面臨產(chǎn)能過剩、區(qū)域分布不均、市場不規(guī)范競爭等困境。同時，由于煉焦煤資源缺乏、資源配置及產(chǎn)業(yè)布局不合理，獨立焦化企業(yè)的占比較大，集中度不高，嚴(yán)重影響焦化企業(yè)余熱、余能的回收利用（干熄焦）、氮氧化物的控制、資源的綜合利用及化產(chǎn)品的深加工。低能效和高污染也制約著煤焦化產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和發(fā)展。由于《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、《焦化廢水治理工程技術(shù)規(guī)范》，全面收嚴(yán)了焦化企業(yè)環(huán)保要求，以改善環(huán)境質(zhì)量為目標(biāo)的環(huán)保政策要求下，我國焦化企業(yè)環(huán)保壓力明顯加大[15]。目前，焦化工業(yè)業(yè)大氣污染治理存在以下亟待研究和解決的問題：

1）焦?fàn)t爐門及小爐門、頂裝焦?fàn)t的爐頂?shù)难b煤孔或搗固焦?fàn)t的導(dǎo)煙孔、上升管蓋、橋管與閥體的連接處、上升管底座等無組織排放的有效治理。

2）煤氣凈化和化產(chǎn)品回收工段VOCs的收集比較薄弱，缺乏經(jīng)濟(jì)有效地治理措施。缺乏有效對物料輸送管道、泵、壓縮機(jī)、閥門、法蘭等易產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)物泄漏造成的無組織排放管控措施。

3）目前濕法熄焦仍然占據(jù)相當(dāng)?shù)谋戎?，沒有有效的針對濕熄焦過程VOCs的治理措施，對濕法熄焦過程中產(chǎn)生的污染物種類及其排放量有待進(jìn)一步研究。