焦爐煙氣脫硫脫硝凈化技術與工藝

馬晨紅

(山西焦化集團有限公司，山西 臨汾 041606)

在焦爐生產過程中，煙氣污染問題不可避免，當下，針對焦爐煙氣的治理，主要以脫硫脫硝處理為主。根據國家相關規定，將NOx的排放整合至總量控制因子中，并規定在焦爐煙氣中，二氧化硫的質量濃度一定要控制在小于50 mg/Nm3，氮氧化物的質量濃度控制在小于500 mg/Nm3，方可排放至大氣中[1]。故此，對焦爐煙氣脫硫脫硝凈化工藝進行研究具有重要的現實意義。

1 焦爐煙道氣特點

1) 焦化廠焦爐煙道氣參數多樣，對焦爐煙道氣成分影響的因素也多樣，以焦爐生產工藝、焦爐類型、燃料種類、焦爐運行機制、煉焦原料煤有機硫構成比等為主。

2) 和電廠320 ℃～400 ℃煙氣溫度相對比，焦爐煙道氣溫度值相對較低，約為180 ℃～300 ℃，以200 ℃～230 ℃居多。若在工藝生產過程中能應用高爐煤氣加熱焦爐，那么煙道氣溫度將會更低(<200 ℃)。

3) 焦爐煙道氣內SO2含量范圍相對較廣：60 mg/m3～800 mg/m3；NOx含量的差異相對較大：400 mg/m3～1 200 mg/m3；含水量存在很大區別：5.0%～17.5%。

4) 焦爐煙道氣成分構成，伴隨著焦爐液壓交換機操作形式的變化也出現規律性變化，所以，煙氣內SO2、NOx、氧含量的波峰與波谷指標差異較大。

5) 焦爐煙囪務必從始至終維持在熱備的運行狀態中，為確保煙氣凈化設備在突發狀態下能維持焦爐生產作業的正常性，產生的環境污染相對較輕微。和電廠煙氣相比，焦爐煙囪務必在整個生產周期維持熱備狀態，經脫硫脫硝后的煙道氣溫度一定要高于煙氣露點溫度，且煙氣溫度一定要高于130 ℃時方可直接回到原煙囪，所以，焦爐煙道廢氣需經加熱方可回到原煙囪；而在煙氣溫度偏低或含水量偏高情況時，由于焦爐煙囪未應用防腐措施只能排放到大氣環境中。

6) 焦爐煙道氣成分復雜多變，以硫化氫、一氧化碳、甲烷、焦油等為主[2]。

2 焦爐煙氣脫硫脫硝常見工藝和特點

2.1 干法脫硫工藝

干法與半干法煙道氣脫硫系統內的固體堿性吸收劑被噴至煙道氣流內，或促使煙氣以穿透堿性吸收劑的形式與吸收劑氣相觸及。不管是哪種形式，煙氣內所含有的SO2均會與固體堿性物質發生化學反應，生成相對應的硫酸鹽和亞硫酸鹽。為促進以上反應的快速進行，固體堿性物質一定要具備細碎或疏松等特征。在半干法煙道氣脫硫系統運轉過程中，需將適量水添加至煙道氣內，進而促進堿性物質顆粒表層有液膜生成，在這樣的情況下SO2會順利溶入其中，對固體堿性物質與其反應效率均起到正向作用。不管是干法脫硫技術中的脫硫吸收還是產物處理工序，均是在相對干燥的環境下進行的，該種工藝方法運行過程中不會對設備產生明顯的腐蝕作用，并有效規避了污染水排出現象，煙氣在凈化過程中溫度不會明顯降低，該種脫硫工藝技術能促使煙囪更易排氣與擴散。但該工藝類型在運行過程中存在脫硫劑利用率與脫硫效率普遍偏低、設備龐大等不足[3]。

2.2 濕法脫硫工藝

當下，世界各國的濕法煙氣脫硫工藝在工藝程序、運行機制與形式等方面存在異曲同工之處，其均通過使用石灰石、碳酸鈉、石灰等物質，促使其轉化為洗滌劑，在反應塔內對煙氣進行洗滌，進而實現除去煙氣內SO2的目標。該種工藝方法已經有數千年的應用歷程，并始終處于不斷改良與優化的運行狀態中，技術日趨成熟化，脫硫效率高于95%，副產品更易回收[4]。

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝由于吸收劑成本相對較低，故此在濕法脫硫領域應用范疇不斷拓展。該種工藝技術的特征是脫硫率、吸收劑利用率相對較高，能更好地適應高濃度SO2的煙氣條件。但是，其具有基礎建設造價成本高、脫硫廢水有一定腐蝕性等缺點，并且，由于石灰石需連續引進，這在很大程度上增加了采購成本及副產品亞硫酸鈣處理的難度。

2.3 SCR法脫硝工藝

回顧多種脫硝技術的應用歷程發現，選擇性催化還原法(SCR)為脫硝率相對較高、應用范疇及相對成熟的技術類型。SCR技術的應用原理是，在特定溫度與催化劑作用下，使用氨或烴作還原劑，進而有針對性地將煙氣內的NOx還原成氮氣與水。催化反應的環境溫度通常在200 ℃～400 ℃，該類工藝技術在應用過程中無任何副產品生成，采用填充大量催化劑方式，促使煙氣脫硝率達到80%以上。

SCR系統中的反應由主反應與副反應兩大部分構成，其中，主反應見式(1)、式(2)。

(1)

(2)

副反應見式(3)、式(4)。

(3)

(4)

在SCR法系統運行過程中，煙氣溫度是影響催化劑運行效率的主要參數。SCR技術在脫硝方面效能的發揮需具備相對較高的溫度條件，促進催化反應的發生與進行，同時，催化反應過程中也存在最佳催化溫度，這是每類催化劑特有屬性之一，即，溫度直接影響催化反應效率。故此，焦爐煙氣要安設煙氣加熱系統。反應產物以N2與H2O為主，不能回收利用，只會造成一定原料與動力耗損，不產生經濟效益，催化劑每隔3年需更換1次，費用投入量相對較大[5]。

SCR法脫硝工藝經催化劑性能改進后，可促使反應條件溫度有一定降幅，一般在180 ℃～200 ℃，但是，在低溫環境下，SCR工藝因為H2O、SO2及氨易生成銨鹽導致催化劑中毒，可能對催化劑效能造成不同程度影響。

3 焦爐煙氣脫硫脫硝工藝設計與優化措施

3.1 先脫硫后脫硝工藝

該種工藝技術的運行特征體現在煙氣經脫硫處理后，其SO2濃度明顯降低，此時，脫硝催化反應過程中硫酸銨、硫酸氫銨物質的生成量明顯降低，有效維護了脫硝催化劑的生物活性，延長了其使用年限。但是，該種工藝運行期間不可選用濕法脫硫，即便是應用了干法脫硫，溫度也會有10 ℃～20 ℃的降幅，對脫硝反應有序性造成負面影響，若增設煙氣加熱系統，其余熱利用率偏低。

3.2 先脫硝后脫硫工藝

該種工藝最大的優勢在于未經處理的焦爐煙氣溫度范疇基本在180 ℃～300 ℃，迎合了低溫SCR法脫硝反應進行的需求，筆者認為應加設煙氣加熱系統，這樣確保在結焦時間拖延或在其他特殊情況下對煙氣加熱的持續性，以維護脫硝反應的順利進行[6]。煙氣經過脫硝反應后，能直接進入余熱鍋爐進行余熱回收利用，最后直接進行濕法脫硫。該工藝流程見圖1。

圖1 煙氣先脫硝后脫硫工藝流程示意圖

該工藝在運行過程中，暴露兩個問題：1) 焦爐煙氣中含有SO2、焦油等物質，SO2在180 ℃～230 ℃溫度區間時，易和氨氣反應生成硫酸銨、硫酸氫銨，生成的銨鹽和原煙氣中的焦油吸附在催化劑表層不僅會增加阻力，還會導致其活性喪失，部分情況下會阻塞管道及腐蝕設備。為解決以上問題，在設計過程中可在裝置中增設焦油預處理和熱風解析系統，進而有效去除焦油和催化劑表層的雜質。2) 濕法脫硫的反應溫度約為60 ℃，而經由濕法工藝處理后的煙氣溫度約為45 ℃，基本是處于露點之下，若不經加熱處理而直接排放到煙囪中，易形成酸雨，腐蝕煙囪，影響煙氣擴散效率。需對凈化后的煙氣再加熱到130 ℃，易促使焦爐煙囪運行全程處于熱備狀態。

4 結語

本文結合環保相關標準，對焦爐煙氣常用的幾種煙氣脫硫脫硝工藝進行分析、歸納與改進，對煙氣脫硫脫硝的基本程序方案設計及有關問題進行改進，希望對脫硫脫硝系統的正常運行有一定指導作用。