焦化廠VOCs與焦爐煙道廢氣循環(huán)綜合利用技術的探討

柴高貴，郝曉明

（山西焦化集團有限公司，山西 臨汾041606）

為了更好地保護環(huán)境和適應日趨嚴峻的環(huán)保形勢，結合《揮發(fā)性有機物無組織排放控制標準》（GB 37822—2019）、《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》（2019年4月生態(tài)環(huán)境部、發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、財政部、交通運輸部等五部委聯合印發(fā)）、《臨汾市2019年鋼鐵、焦化行業(yè)深度減排實施方案》等相關文件的要求，加強VOCs無組織排放的控制和管理，并積極推進焦爐超低排放改造是焦化企業(yè)面臨的緊迫任務。本文主要結合山西焦化集團有限公司（以下簡稱山焦公司）的運行實踐，對VOCs與焦爐廢氣循環(huán)綜合利用技術進行探討。

1 焦化廠VOCs和焦爐煙氣氮氧化物治理技術及應用現狀

1.1 VOCs治理

當前，煉焦行業(yè)常用的VOCs治理措施主要分為排放源頭控制和排放末端治理兩大類。

排放源頭控制，也就是通過采取預防性的措施，如改進生產工藝和加強生產工藝過程管控等，有效減少揮發(fā)性有機物的排放。

排放末端治理，也就是對不符合排放標準的末端排放物進行治理，主要有活性炭吸附法、低溫等離子凈化法、燃燒法、UV光解法等。

活性炭吸附法是一種常見的廢氣處理方法，主要是利用多孔性的活性炭、硅藻土、無煙煤等，將有機氣體分子吸附到其表面，從而凈化廢氣。

低溫等離子凈化法是利用低溫等離子凈化設備中的介質在阻擋放電過程中，等離子體內部產生富含較高化學活性的粒子，如電子、離子、自由基和激發(fā)態(tài)分子等。廢氣中的污染物質與這些具有較高能量的活性基團發(fā)生反應，轉化為CO2和H2O等物質，從而達到凈化廢氣的目的。

燃燒法分為直接燃燒法、催化燃燒法，主要用于高濃度VOCs廢氣的凈化處理。對于自身不能燃燒的中低濃度尾氣，通常需使用助燃劑或加熱。直接燃燒設備可以是燃氣鍋爐、焦爐、焚燒爐或者火炬等。

UV光解法是利用UV光解凈化設備發(fā)出特制的高能UV紫外線光束照射惡臭氣體，裂解H2S、硫化物、苯、甲苯、二甲苯及其他VOCs成分的分子鏈結構，使有機或無機高分子惡臭化合物分子鏈在高能紫外線光束照射下，降解轉變成低分子化合物，如CO2、H2O等。利用高能UV光束裂解惡臭氣體中細菌的分子鍵，破壞細菌的核酸（DNA），再通過臭氧進行氧化反應，徹底達到脫臭及殺滅細菌的目的。

1.2 焦爐煙氣氮氧化物治理

目前焦爐煙氣NOx控制技術可分為兩大類，即燃燒中控制技術和燃燒后控制技術，其中燃燒中控制技術是根據NOx的形成機理而產生的低氮燃燒技術，主要有低過量空氣燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環(huán)等方法；燃燒后控制技術可分為選擇性催化（非催化）還原法、吸附法、高能電子活化氧化法、濕式絡合吸收法等。

1.2.1 燃燒中控制技術（低氮燃燒技術）

（1）低過量空氣燃燒法

在傳統的燃燒器中，要求燃料和所有空氣快速混合，并在過量空氣狀態(tài)下進行充分燃燒。從NOx形成機理中可以知道，反應區(qū)內的空燃比極大地影響著NOx的形成，反應區(qū)的空氣過剩越多，NOx排放量越大。降低過量空氣系數，在一定程度上會起到限制反應區(qū)內氧濃度的目的，因而對熱力型NOx和燃料型NOx的生成都有明顯的控制作用，采用這種方法可使NOx生成量降低15%～20%；但是降低過量空氣系數，CO濃度隨之增加，燃燒效率下降。實際運行中，需要權衡利弊，根據具體的工藝條件和排放要求，選擇合適的過量空氣系數。

（2）燃料分級燃燒法

燃料分級燃燒又稱燃料再燃技術，是指在爐膛(燃燒室)內，設置一次燃料欠氧燃燒的NOx還原區(qū)段以控制NOx最終生成量的一種“準一次措施”。一般采用燃料分級的方法可以達到脫除30%以上NOx的效果。

（3）煙氣再循環(huán)法

煙氣再循環(huán)是常用的燃燒中降低NOx排放量的方法之一。該技術是將10%～30%的低溫煙氣(溫度為300℃～400℃)經煙氣再循環(huán)風機回抽并混入助燃空氣中，從而降低燃燒區(qū)域的溫度，同時降低燃燒區(qū)域氧的濃度，最終降低NOx的生成量。

1.2.2 燃燒后控制技術

（1）選擇性非催化還原（SNCR）法

SNCR脫硝技術是在不使用催化劑的條件下，利用還原劑將煙氣中的NOx還原為無害的N2和H2O的一種脫硝方法。該方法首先將含NH3的還原劑噴入爐膛的適宜溫度區(qū)域，在高溫下，還原劑迅速熱分解出NH3，并與煙氣中的NOx進行還原反應，生成N2和H2O。

（2）選擇性催化還原（SCR）法

SCR是指在有氧和一定的溫度區(qū)域，在催化劑作用下，用還原劑(如NH3、CO或烴類化合物)將煙氣中的NOx還原為無害的N2和H2O的工藝。

1.2.3 其他脫硝方法

（1）脈沖電暈等離子法和電子束照射法

這兩類方法都是利用高能電子撞擊煙氣中的H2O、O2等分子，產生O·、HO·等氧化性很強的自由基，將NO氧化成NO2，NO2與H2O反應生成HNO3，并與噴入的NH3反應生成硝銨化肥。

（2）活性炭吸附法

活性炭具有較大的比表面積，對低濃度NOx有較高的吸附能力，相對很多吸附材料而言，具有吸附速率快和吸附容量大的優(yōu)點，其吸附量超過分子篩和硅膠。

（3）濕式絡合吸收法

濕式絡合吸收法原理是利用液相絡合劑直接同NO反應，增大NO在水中的溶解性，從而使NO易從氣相轉入液相，適于處理主要含有NO的燃煤煙氣。

2 山焦公司VOCs與煙氣氮氧化物的治理

2.1 VOCs治理

山焦公司VOCs治理采用燃燒法技術，先將VOCs放散氣收集，再經酸洗、堿洗后通過風機送至焦爐廢氣盤（開閉器），代替部分空氣燃燒。

2.1.1 回收系統VOCs放散氣量及各成分質量濃度

山焦公司一、二、三系統放散氣量分別為11 500 m3/h、20 500 m3/h、24 000 m3/h，為確保收集廢氣入焦爐空氣系統的安全，增加1/3的空氣量，3個系統設計處理量分別為15 600 m3/h、27 000 m3/h、32 000 m3/h。放散氣VOCs中各成分質量濃度見表1。

表1 放散氣VOCs中各成分質量濃度

2.1.2 工藝流程

山焦公司VOCs治理工藝流程圖見圖1。

圖1 山焦公司VOCs治理工藝流程圖

回收系統收集的VOCs放散氣經酸洗塔、堿洗塔處理后，引入焦爐燃燒。為確保VOCs引入焦爐后燃燒穩(wěn)定，引風機前增設配風閥，以保障進入焦爐煙氣后煙氣中含氧體積分數在20%以上，實現替代部分焦爐燃燒空氣的作用。VOCs經引風機通過管道送至煉焦車間焦爐地下室，引入上升氣流廢氣開閉器，焦爐加熱系統進入空氣量相應減少，基本不需要對進風擋板進行調節(jié)，能夠滿足焦爐正常生產。此方式即使在回收VOCs系統停運情況下，也不影響焦爐正常進風加熱。VOCs進入焦爐燃燒后，實現回收系統無VOCs排放點，且焦爐排放煙氣不再含有VOCs組分。

2.1.3 放散氣經酸洗、堿洗后的控制要求

放散氣經酸洗、堿洗后的控制要求見表2。

表2 堿洗塔出口放散氣各組分質量濃度控制要求

山焦公司目前只分析堿洗塔出口氨和硫化氫濃度，其他成分暫未分析，根據分析結果看，氨、硫化氫濃度達到設計要求。

2.2 焦爐煙氣氮氧化物治理

山焦公司6座焦爐配套的5套煙氣NOx控制系統采用燃燒后SCR脫硝技術，煙氣在脫硝單元內與噴氨裝置送入的稀釋氨氣（還原劑）充分混合，混合后的煙氣進入脫硝單元催化劑層，在催化劑作用下發(fā)生脫硝反應，脫除NOx，主要反應式見式（1）、（2）：

脫硝裝置前后氮氧化物對比情況見表3。

表3 脫硝裝置前后氮氧化物對比

經脫硝后，排放氣中NOx質量濃度≤130 mg/m3，滿足《煉焦化學工業(yè)污染物排放標準》GB 16171—2012的要求。

3 VOCs與焦爐廢氣循環(huán)綜合利用

3.1 工藝流程

采用在焦爐煙道氣管道上開孔安裝硬密封蝶閥，使煙道廢氣與回收系統VOCs放散氣混合（循環(huán)廢氣量不超過總廢氣量的10%），通過管道送至焦爐空氣系統?；旌蠚饨浶煹?、蓄熱室、斜道，再至燃燒室與煤氣混合進行燃燒，將有機物和其他無機物分解，燃燒后的廢氣再經斜道、蓄熱室、小煙道、廢氣開閉器進入煙道，經脫硫脫硝后通過焦爐煙囪排至大氣?；旌蠚庖虢範t可采用單管路或雙管路。

（1）混合氣單管路引入焦爐

輸送至煉焦車間的回收系統VOCs放散氣與焦爐煙道混合氣經過廢氣引出裝置，分別引入焦爐地下室機、焦兩側廢氣輸送管道，兩條管道分別安裝在焦爐機、焦兩側廢氣開閉器下方，其上安裝有硬密封蝶閥（配電動執(zhí)行器）和壓力變送器，其前端與風機出口總管連接，每條管道均設N+2條廢氣輸送支管，與N+2個廢氣開閉器對應（N為焦爐孔數）。

每座焦爐機、焦兩側均配置N+2套廢氣交換裝置（由柱塞換向閥、坨輪組和環(huán)鏈等構成），特制的柱塞換向閥的閥芯上部通過環(huán)鏈、坨輪與交換機拉桿連接，實現與焦爐煤氣廢氣交換裝置的同步交換。廢氣開閉器上安裝用于接通和斷開引入放散氣體的裝置（鏈條連接的開閉閥門），與交換裝置同步進行廢氣的交換。

混合氣單管路引入焦爐工藝流程圖見圖2。

圖2 混合氣單管路引入焦爐工藝流程圖

（2）混合氣雙管路引入焦爐

回收系統經過預處理的放散氣經一根總管通過隔斷水封后，引入焦爐端臺，與焦爐煙道氣管道引出的廢氣混合，在端臺分成兩根管道，每根管道上安裝電動蝶閥，且一開一閉形成互鎖。兩根管道至地下室后再各自分成兩根管道，分別引至機、焦側地下室開閉器下部，在開閉器側部開孔安裝閥門管道，間隔與開閉器下部兩根管道相連（即一根連接單數，一根連接雙數），與交換裝置同步進行交換。

混合氣經單、雙管路引入焦爐的有關對比見表4。

表4 混合氣經單、雙管路引入焦爐的有關對比

經過對比，山焦公司確定了技術改造方案，采用混合氣經單管路引入焦爐工藝，并實施了相關改造。

3.2 投用后效果

（1）回收系統的VOCs經收集入焦爐焚燒，消除了回收系統各區(qū)域放散氣無組織排放現象。

（2）采用焦爐廢氣外循環(huán)式優(yōu)化加熱，回配廢氣中一般含氧體積分數在8%左右，這部分氧參與燃燒后，需新配入的空氣量減少，可提高高向加熱的均勻性，并且提高焦炭質量。

（3）將焦爐煙囪廢氣直接吹入廢氣坨進風口內，可助燃空氣，減緩局部燃燒強度，降低燃燒點溫度，消除NOx的生成條件，從而達到控制煙囪氣NOx排放量的目的。焦爐煙道出口NOx的質量濃度降低40%～60%（由1 200 mg/m3降至720 mg/m3～480 mg/m3）。

（4）焦爐煙囪廢氣被強制加入助燃空氣后，焦爐加熱機理發(fā)生變化，焦爐立火道標溫降低、立火道上部和下部溫差減小，熱效率提高。焦爐加熱煤氣消耗降低約2%。

（5）因焦爐加熱煤氣消耗降低，并且新配入空氣量減少，煙囪廢氣總量降低約5%。

4 結 語

山焦公司對焦化廠VOCs與焦爐煙道廢氣混合進焦爐燃燒進行了研究，并實施技術改造，項目投用后，有效解決了回收系統各區(qū)域放散氣無組織排放的問題，同時改善了焦爐加熱的均勻性，減少了焦爐加熱煤氣消耗量，并且有效減少了煙囪廢氣總量、降低了焦爐煙道出口氣中氮氧化物濃度，對公司實現超低排放起到積極作用。隨著環(huán)保要求的不斷提高，推廣焦化廠VOCs與焦爐煙道廢氣循環(huán)綜合利用，可減少焦化生產過程中廢氣對環(huán)境的污染，實現企業(yè)綠色發(fā)展。