焦爐煙道氣脫硫脫硝現狀和工藝路線探討

董艷蘋

(中冶京誠工程技術有限公司,北京　100176)

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焦爐煙道氣脫硫脫硝現狀和工藝路線探討

董艷蘋

(中冶京誠工程技術有限公司,北京100176)

[摘要]隨著環保政策的日趨嚴格,焦爐煙道氣中的SO2和NOx排放將被嚴格限制。文章簡要介紹了該領域在技術和資金上的現狀以及存在的困難,從工藝流程、可能存在的問題及投資規模等方面簡要分析和對比了三種不同的工藝路線。

[關鍵詞]焦爐煙道氣；脫硫脫硝；環境；工藝路線

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

1背景

近年來,隨著我國的環境問題日趨嚴峻,政府在環保法規的制定、執行和檢查力度方面不斷加強。尤其是在近幾年華北地區嚴重霧霾天氣頻現的狀況下,大氣污染問題成為環保的重點領域。焦化行業作為鋼鐵行業和煤化工行業的交叉領域,受到了來自社會和環保部門的共同關注。2015年1月1日之后,所有新建和現有企業都要開始執行的《煉焦化學工業污染排放標準》[1]規定,機焦、半焦爐煙囪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,SO2、NOX和顆粒物的排放濃度更是達到了30mg/m3、150 mg/m3和15mg/m3。在這樣的環保標準下,焦爐煙道氣不經過后續的凈化處理工序很難達標排放,所以,焦爐煙道氣脫硫脫硝處理將成為焦化行業的一個必備工藝環節。

2現狀和存在的困難

我國現有焦炭產能不低于4.43億噸[2],對應焦爐數量2000余座。由于這些焦爐在建設時并無相關環保要求,幾乎100%的焦爐均未同步建設煙道氣脫硫脫硝設施,均未考慮煙道氣脫硫脫硝設施接口。一些年限較近的焦爐在設計和生產過程中運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,有廢氣循環技術、分段加熱技術以及二者結合的“分段加熱+廢氣循環”技術。[3]在控制SO2排放方面,有些單位采取了盡量降低焦爐煤氣中H2S含量、提高洗苯脫苯效率、降低焦爐漏風率等方法。[4]這些方法雖然在一定程度上可以降低污染物的生成,但受制于現有焦爐生產運營狀況參差不齊和原料來源等問題,這些方法仍無法保證焦爐煙道氣的達標排放。

截至2016年一季度,國內公開資料可查的焦爐煙氣脫硫脫硝工程不足五個,涉及焦爐僅十余座。寶鋼、包鋼、山西潞安集團等國內大型鋼鐵、煤炭企業在此領域做出了積極的嘗試。一些大型的私營鋼鐵、焦化企業結合自身情況,單獨開展了脫硫或脫硝工程。結合目前幾套已建成和在建項目經驗,筆者認為,在焦爐煙道氣脫硫脫硝的未來發展中,仍然存在著以下幾個問題。

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

(2)焦爐自身狀況和運營特點對工藝的影響。從工程實際看,焦爐煙道氣溫度低,給脫硝造成很大的難度。同時焦爐終生不停爐的特點以及設計建造時的煙道竄漏等問題對脫硫脫硝工程的開展都將造成一定的影響,增加施工難度。

(3)脫硫脫硝工藝帶來的建設和運營成本較高。無論現行的哪種工藝,脫硫脫硝改造帶來的建設和運營成本令本就處在寒冬的焦化行業雪上加霜。這也是大大制約煙道氣脫硫脫硝發展的重要因素。

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,首先經過SDA旋轉噴霧法去除煙氣中所含的SO2、SO3等酸性氣體,然后經過布袋除塵后將煙氣送至低溫SCR處進行脫硝。最終處理后的煙氣送回原煙道進行排放。[5]

這種做法充分考慮到現有催化劑在低溫條件下無法避免發生SO2轉化,而由SO2轉化而來的SO3更易與NH3反應,從而生成大量亞硫銨,與煙氣中的O2反應進而形成硫銨,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,保護催化劑。這種工藝布置對于脫硝裝置的保護最為到位,脫硝失敗風險最小。國內一些研究機構和工程公司已經將類似的工藝路線應用在實際的工程中,據公開報道,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,焦爐正常生產時,煙道氣溫度為180℃～300℃,而絕大多數焦爐煙道氣溫度為200℃～230℃。[5]但這樣的煙氣溫度區間,高于旋轉噴霧法80℃～100℃的最佳反應溫度區間。即便考慮對脫硫反應器進行特殊設計,根據近絕熱飽和溫度與反應效率的關系,為維持溫度而降低一些脫硫反應效率,反應的溫度最高的也要在160℃～180℃區間。[7]這樣的反應溫度要求煙道氣在進入SDA裝置前進行換熱降溫,以使煙氣溫度達到SDA能夠適應的溫度區間。即煙道氣的溫降至少要達到20℃以上。但考慮到后續脫硝反應還需要較高的溫度,換熱溫降要盡量小,降溫后的煙氣進入SDA的反應溫度區間即可。這樣的做法使得脫硫反應在高溫低效率下進行；同時留給余熱回收的溫差小,對能源回收的數量少,效率低。

第二,煙氣經過脫硫后,溫度已經降低到180℃左右，甚至更低。這樣的溫度使現有催化劑無法達到預期效率,需對煙氣進行升溫。在升溫過程中,煙氣整體升溫至少在30℃左右,需要消耗外部燃料,大大提高了系統的運行成本。

3.2低溫SCR+余熱回收+干法/濕法脫硫

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

此種工藝流程最為直接,直接利用煙道氣原有溫度進行脫硝,工藝簡明,余熱回收資源多、效率高。同時免去了對煙氣進行加熱產生的能源消耗。同時由于脫硫工藝不受到其他工藝制約,可以根據現場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行了半年左右的工藝實驗,取得了良好的效果。

但客觀來說,這種工藝目前也存在著一個核心問題,即低溫SCR處反應溫度低,SO2含量高,這樣造成催化劑的工作環境極為不利。嚴苛的工作環境使得催化劑的抗硫性能、低溫性能和機械性能等都要達到較高的標準,才能達到目標脫硝效率。這樣就造成了系統風險點比較集中的狀況。根據這種情況,設置一些脫硝裝置保護功能,在極端條件下增強對催化劑的保護,這樣能更好地降低實際應用中可能存在的風險。

3.3活性焦(炭)法

活性焦法(亦稱為活性炭法)是利用活性焦自身的吸附性能,對SO2和NOX進行物理和化學吸附,從而達到脫硫脫硝效果的一種方法。用于焦爐煙道氣脫硫脫硝時,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。吸附塔可根據需要設置為兩級,首先去除煙氣中的SO2,再在煙氣中噴氨,進入第二級脫硝吸附塔。

目前,這種方法在燒結煙氣、銅冶煉環集煙氣中已有較多成功應用案例。但在焦爐煙道氣凈化領域尚無應用,原因是受制于現有活性焦自身催化性能較低。經筆者對國內幾個已經投運的燒結脫硫脫硝裝置的走訪,發現裝置的最高脫硝效率難以達到60%,尚難以滿足大多數焦爐煙道氣脫硝的要求。

然而,筆者認為這項技術在未來有著較大的發展潛力。因為這項技術相對于前述的幾種技術來說,設備的集成化水平較高,運行穩定,可靠性強。只要解決了脫硝效率問題,這種技術的優勢將非常顯著。并且筆者近期了解到,國內某科研院所已經研制出實際運行脫硝效率達到80%左右的新型活性焦產品[8],所以,這項技術在未來兩年內實現突破的可能性極大。

4幾種工藝的投資及運行費用比較

目前,在國內已經實施的幾套工程案例中,由于都帶有科研性和創新性,工程的整體投資均保持在較高水平。隨著各家技術的日趨成熟,市場競爭逐漸激烈,可以預期各工藝路線的投資水平將有不同程度的下降。

在運行費用方面,由于實際投運項目太少,一些工藝路線的項目尚在建設中,故實際運行費用難以全面和準確掌握。且根據焦爐煙道氣溫度會產生波動的特點和不同工程中催化劑實際運行狀況差別較大,實際運行過程中所產生的煙氣加熱的費用和催化劑損耗費用難以憑借理論估算得出。所以目前各種工藝的運行成本還帶有很大的不確定性和不透明性。

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

5結論

(1)對于焦化行業來說,實施煙道氣脫硫脫硝工程存在實際的經濟困難,技術可靠性存在顧慮,但目前幾個大型國有企業在此方面的探索將大大推進全國焦爐煙道氣脫硫脫硝治理的進程。

(2)對于已經推行的兩種工藝路線來說,達標排放的要求均可滿足,主要差異將體現在運行的穩定性和運營成本上。

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

參考文獻:

[1]環境保護部，國家質量監督檢驗檢疫總局.2012 G B煉焦化學工業污染物排放標準[S].北京：中國環境科學出版社，2012.

[2]丁明潔,陳思順,陳新華,等.中國焦化工業問題分析及對策研究[J].現代化工,2013(8):13-17.

[3]鐘英飛.焦爐加熱燃燒時氮氧化物的形成機理及控制[J].燃料與化工,2009,40(6):5-8.

[4]季廣祥.焦化廠焦爐煙囪 SO2排放濃度達標途徑[J].煤化工,2014(1):35-38.

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

[6]孫剛森,高飛.基于寶鋼湛江焦爐煙道廢氣凈化工程之實施論焦爐煙氣污染物凈化治理方案[C].安陽：2015年(第九屆)焦化節能環保及干熄焦技術研討會論文集: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].環境保護科學,2003,29(4): 5-8.

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

[作者簡介]董艷蘋(1979—),女,學士學位,工程師。研究方向：冶金燃氣專業設計。