淺談焦化過程中PM2.5的排放與控制

李忠慶

（山西省化工設(shè)計院，山西 太原 030024）

我國是世界上主要的焦炭生產(chǎn)國和出口國，焦炭產(chǎn)量占據(jù)世界的一半，出口量更是高達(dá)世界的60%。焦炭的生產(chǎn)過程就是焦化過程。焦化過程的基礎(chǔ)是熱分解，或者稱為煤的干餾，即，在完全沒有空氣的情況下，將焦?fàn)t中的煤加熱，不同的溫度可以產(chǎn)生不同的物理、化學(xué)的變化過程。焦化過程以及產(chǎn)品回收過程產(chǎn)生的工業(yè)原料有煤焦油、焦炭、苯族烴及煤氣［1］。

實際上，焦化過程可以分為2個過程，即，煉焦以及化學(xué)產(chǎn)品回收。在煉焦過程中會排出一次粒子和二次粒子前體物，如，碳?xì)浠衔铩H3、NOx和SO2等一些污染物質(zhì)；而化學(xué)產(chǎn)品回收中通常只排出二次粒子前體物。這些過程導(dǎo)致焦化過程變成了一種污染極大的產(chǎn)業(yè)。所以，焦化過程中對污染物排放量的控制已經(jīng)成為焦化產(chǎn)業(yè)急需解決的難題之一。

1 焦化過程中PM2.5的排放特點［2－3］

1.1 焦化過程

焦化過程中產(chǎn)生大氣污染最嚴(yán)重的有3個環(huán)節(jié)，分別是裝煤、出焦以及熄焦，這些過程都會產(chǎn)生大量的顆粒物。顆粒物的粒徑分為3種：PM2.5、PM10以及TSP。通常，將粒徑小于2.5μm的顆粒物叫做PM2.5；粒徑小于10μm的顆粒物叫做PM10；粒徑小于100μm的顆粒物叫做TSP。

在生產(chǎn)過程中，裝煤煙塵中顆粒物質(zhì)量濃度在2g／m3～10g／m3，外排氣體中顆粒物的質(zhì)量濃度在20mg／m3～50mg／m3；出焦煙氣中顆粒物質(zhì)量濃度在5g／m3～12g／m3，外排氣體中顆粒物的質(zhì)量濃度在20mg／m3～50mg／m3，脫除效率高達(dá)99%；不同的熄焦方式產(chǎn)生的顆粒物的量都不盡相同，顆粒物質(zhì)量濃度為40g／（t焦）～300g／（t焦）。

焦化過程的加熱通常由高爐煤氣、焦?fàn)t氣、混合煤氣和空氣燃燒產(chǎn)生，焦?fàn)t的排放煙囪里會排放出形成PM2.5的二次粒子前體物，這也是產(chǎn)生SO2和NOx的主要來源。

鋼鐵工業(yè)中焦化過程的加熱一般用混合煤氣或者高爐煤氣。1t焦炭消耗1 000m3的貧煤氣，而1m3貧煤氣的燃燒會產(chǎn)生1.92m3的干煙氣。即，1t焦炭將產(chǎn)生1 920m3的干煙氣。但是，對于獨立的焦化工廠，常用焦?fàn)t產(chǎn)的煤氣進(jìn)行加熱，1t焦炭消耗200m3焦?fàn)t煤氣，1m3焦?fàn)t煤氣會產(chǎn)生6.76m3干煙氣。因此，1t焦炭產(chǎn)生1 352m3干煙氣。

我國2012年施行的煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，普通地區(qū)焦?fàn)t煙囪中排放SO2質(zhì)量濃度要小于50mg／m3、NOx質(zhì)量濃度小于500mg／m3。對于重點控制區(qū)，要求得更加嚴(yán)格，焦?fàn)t排氣煙囪排放的SO2質(zhì)量濃度必須小于30mg／m3、NOx質(zhì)量濃度小于150mg／m3。但是，我國目前的實際情況卻不盡人意，NOx的濃度嚴(yán)重超標(biāo)，完全達(dá)不到煉焦化學(xué)工業(yè)污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 化學(xué)產(chǎn)品的回收

化學(xué)產(chǎn)品的回收主要由4個步驟組成：焦油回收、氨回收、硫回收以及粗苯回收。以氨回收的特征來進(jìn)行分類，焦化的回收工藝可以分為A.S流程和硫銨流程。A.S流程中的氨只用來脫除煤氣中的硫，而不直接用來回收氨；硫銨流程是將焦?fàn)t煤氣中的氨回收用來生產(chǎn)硫酸銨。目前，國內(nèi)多采用硫銨流程來回收。

形成PM2.5的二次粒子前體物還包括化學(xué)產(chǎn)品回收過程中排放的污染物NH3、H2S和烴類物質(zhì)。

調(diào)查結(jié)果顯示，1t焦炭排放污染物0.47kg。以我國焦炭4億t／a為例，NH3排放量為33 560t／a，H2S排放量為38 000t／a，HCN排放量為2 520t／a，CmHn排放量為428 900t／a。這些形成PM2.5的二次粒子前體物最大的特點就是，在空氣中停留時間很長，蔓延的距離很遠(yuǎn)，不僅影響空氣質(zhì)量，危害人體健康，而且加劇了PM2.5的形成。

2 焦化過程中PM2.5的控制

2.1 焦化過程的控制

焦化過程中粉塵顆粒物大部分來源于裝煤、出焦、熄焦過程。其中，出焦時排放的PM2.5和PM10的濃度是最高的。雖然有布袋除塵技術(shù)，但仍不能有效地應(yīng)對PM2.5所產(chǎn)生的問題。目前，對于焦化過程中PM2.5排放的控制，一般采用陶瓷膜或布袋除塵后循環(huán)水洗滌技術(shù)。

2.2 煉焦加熱過程的控制

降低焦?fàn)t中SO2排放量的最好方法是控制焦?fàn)t中H2S的含量。新建焦化廠，最好選擇能長期穩(wěn)定運行且脫硫效率高的MTS負(fù)壓脫硫方法，將H2S質(zhì)量濃度保持在小于15mg／m3；已經(jīng)投產(chǎn)的焦化廠，對使用濕式氧化脫硫的設(shè)備可以采取相應(yīng)升級的辦法來改造，提高脫硫效率。同時，嚴(yán)格脫硫工段的管理和生產(chǎn)操作，降低排放的含硫量。

焦?fàn)t中排出的NOx是空氣和煤氣高溫燃燒所產(chǎn)生的，故降低NOx排放量最好的方法是改變空氣、煤氣的燃燒條件。

第1種方案，將空氣分階段進(jìn)行燃燒。例如，先將空氣量減少到所需空氣總量的70%～75%。此時，氧氣多，燃料少，燃燒時能夠降低燃燒區(qū)的溫度和燃燒速度，在還原性氣氛里還可以降低NOx的反應(yīng)率，從而降低NOx在這一過程的生成量。然后，將剩余所需的空氣從燃燒室的上方送進(jìn)去，與正在燃燒的氣體混合，完成燃燒過程。

第2種方案，將煤氣分階段進(jìn)行燃燒。因為燃燒生成的NO在遇到烴根和沒有完全燃燒產(chǎn)生的H2、CO、C或CnHm時，會發(fā)生NO的還原反應(yīng)。根據(jù)這個原理，可以先將80%～85%的煤氣送進(jìn)焦?fàn)t的燃燒室底部，生成NOx。再將剩余的煤氣送進(jìn)焦?fàn)t的燃燒室上面，生成還原性強(qiáng)的氣氛，使NOx在還原性強(qiáng)的氣氛中被還原成氮分子。這樣，不僅還原了NOx，而且抑制了新的NOx的生成，降低了NOx的排放量。

2.3 化學(xué)產(chǎn)品回收的控制

國內(nèi)主要的化學(xué)產(chǎn)品回收技術(shù)采用硫銨流程，使用正壓工藝，水蒸氣當(dāng)載體，用化工單元操作控制溫度變化來使能量流無序，因此污染物的排放量特別大。所以，要嚴(yán)格控制化學(xué)產(chǎn)品的回收，采用負(fù)壓工藝，去蒸汽化，能量流有序的工藝流程更好。

3 結(jié)論

焦化過程中排放的污染物與PM2.5的形成有著密不可分的關(guān)系。出焦過程采用陶瓷膜、布袋除塵并循環(huán)的水洗滌技術(shù)能夠降低PM2.5的排放；煉焦加熱過程采用分段燃燒的方式可降低NOx的排放；焦化過程中化學(xué)產(chǎn)品回收采用負(fù)壓、去蒸汽、有序的短流程可以控制污染物的排放。

［1］ 于振東，鄭文華.現(xiàn)代焦化生產(chǎn)技術(shù)手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

［2］ 齊煒.煉焦過程中硫元素遷移規(guī)律研究［J］.潔凈煤技術(shù)，2014，20（1）：34－35.

［3］ 李從慶.煉焦生產(chǎn)大氣污染物排放特征研究［D］.重慶：西南大學(xué)，2009.