煤焦化化產區域尾氣入焦爐焚燒技術的研究與應用

陳狄新 張峰 劉青松

(1.山東峰迪環保技術有限公司，山東 濟南 250000；2.濟鋼集團有限公司，山東 濟南 250000)

0 引言

煤焦化是以焦爐為核心設備，通過煤氣加熱產生高溫，在隔絕空氣情況下將煤通過高溫干餾方式得到主產品焦炭，同時產生焦爐煤氣、高溫煤焦油、苯等煤化工產品的一種煤轉化工藝技術。其化產區域是將焦爐在生產焦炭過程中產生的荒煤氣進行降溫凈化以得到凈化煤氣，常規生產裝置分冷鼓工段、脫硫工段、洗脫苯工段、硫銨工段和油庫區域等。隨著國家對環保管理要求的越來越嚴格，各企業都陸續開展了生產尾氣的深度達標治理。

化產區域的尾氣組分不僅有有機氣體，如苯、酚、非甲烷總烴等，也有大量的無機氣體，如氨氣、硫化氫等。同時，因生產工況原因，尾氣中還夾帶著煤氣、水汽、萘和粗蒽等易結晶物質，十分復雜，因此，治理的難度也極大。

1 尾氣治理技術簡介

目前，國內尾氣治理工藝技術路線有：洗滌吸收法、吸附法、冷凝回收法、高溫燃燒法、UV 光解氧化法、等離子分解法、生物處理法等[1]。選擇時應充分考慮使用安全風險、工況適應性、投資、運行費用和二次污染等。

1.1 洗滌吸收法

洗滌吸收是利用不同氣體在特定液體中不同的溶解度來分離和去除氣體組分的一種方式。在化工生產中，通過洗滌實現兩相傳質等傳遞過程是一種傳統、常見、很重要的工藝。洗滌吸收法也常根據這一原理用于有害廢氣的處理上，如工業生產廢氣中的H2S 和NH3等組分的都可采用這一方法進行處理。洗滌吸收常見的有物理吸收和化學吸收兩類。

物理吸收：主要利用相似相溶的原理，使用特定的液體來吸收組分類似的氣體。通過這種方式所溶解吸收的氣體與液體并不發生化學反應，僅是氣體溶解于液體中。如用水洗滌吸收氨氣、用洗油洗滌生產尾氣中的烴類蒸氣等。

化學吸收：通過化學反應，用液體吸收尾氣中的特定組分氣體。因為很多尾氣中各污染物的濃度不高，所以它們的吸收常采用化學吸收。例如常用化學吸收有堿液洗滌吸收H2S、SO2，用水洗滌吸收NOx 等。

1.2 吸附法

吸附法是采用多孔性固體吸附劑通過表面現象處理氣態(或液態)混合物的方式，使某一或某些組分在吸附劑表面通過未平衡的分子引力或化學鍵力被吸附在其表面，實現分離的目的。目前吸附法已成為一種常用的凈化有毒有害氣體、治理大氣污染的重要方法。吸附和吸收存在本質差別，吸附是在固態吸附劑表面上通過分子“濃縮”形成吸附層，從分子角度上看是一個不均勻過程，而吸收的液相中分子基本上是均勻分散的。常用于氣態的吸附劑主要有分子篩、活性炭、焦炭等，應用最廣泛的為活性炭。

吸附法常用于低濃度大風量的處理中。

1.3 冷凝回收法

冷凝回收法是根據不同物質在不同溫度下其飽和蒸汽壓不同的物理性質，采用降低溫度或提高壓力的方式，使污染物被冷凝然后將其分離、回收的工藝。冷凝設備分為直接接觸式冷凝器和表面式冷凝器。

優點：技術簡單，受外界影響小，回收效果穩定，安全性好；可以直接回收有機污染物，無二次污染。

適用對象：高溫、高濕、高濃度場合，尤其適用于處理高濃度、中流量的尾氣。

1.4 高溫焚燒法

高溫焚燒法是將尾氣收集送入焚燒設備、利用高溫(840～1000℃)燃燒易燃組分的處理方法。常規為入已有明火設備如管式爐、鍋爐等、入專業焚燒爐如TO、RTO、RCO 等兩種方式。

優點：處理效率高，指標穩定，可真正實現達標排放。

缺點：投資高；需重點考慮安全因素；因尾氣組分復雜，有可能造成燃燒后的煙氣不達標。

1.5 UV光解氧化法

利用高能高臭氧UV 紫外線光束照射有機氣體及空氣中的氧分子，裂解有機氣體。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。

UV 光解氧化設備內部組成主要為紫外燈管、光催化活性纖維過濾層。該燈管產生紫外線量決定了處理效果。優點：適應性強、運行成本低、安裝檢修方便。該法適用于尾氣組分單一、高濃場合。

1.6 等離子分解法

該法常用低溫等離子，這是固態、液態、氣態外的物質第四態，通過高強的氣體著火電壓，使氣體分子被擊穿變為包括電子、離子、原子和自由基等多種混合體。等離子分解法降解污染物是利用高能電子、自由基等使污染物的分子快速分解，并通過后續的其他反應實現污染物被降解的目的。

等離子分解器主要由高壓電源和齒板放電裝置組成，以產生高強度、高濃度、高電能的活性粒子。

優點：雖然一次性投資偏高，但運行費用相對低，操作簡單。

低溫等離子技術使用簡易、高效率同時，對環境的安全系數要求很高，易發生爆炸等危險。常用于除惡臭氣體。

1.7 生物處理法

采用生物處理法，是在生物濾池中的生物填料上通過培養微生物膜對臭氣分子進行治理的生物技術。

當氣、液、固三項混合的含有有毒、有害等惡臭廢氣進入生物池后，與在生物填料上培養生長的高效微生物菌形成的生物膜充分接觸然后被菌種降解。

優點：環保衛生，可同時處理多種廢氣，運行成本低。

缺點：易受沖擊而影響效果，恢復慢；生產調節精細；占地大。

綜上主要治理技術的優缺點見表1。

2 尾氣入焦爐焚燒技術

化工企業尾氣主要來源于揮發性物料儲罐的“大呼吸”和“小呼吸”過程中揮發出的氣體。大呼吸是指液體在儲罐之間因轉移而出現的氣體被排出，排出的氣體多為飽和蒸汽 ,多出現在生產原料和成品入罐時；“小呼吸”是指受罐外溫度或壓力變化導致氣體被排出，排出的氣體則是相對飽和蒸汽。儲罐自由排放的廢氣屬于無組織放散氣，數量與所儲存物料的理化特性、儲罐的結構、當地氣候以及操作頻次等有關。通常，“大呼吸”造成的排放量要大于“小呼吸”[2]。

尾氣治理應從源頭和根本抓起，先控制尾氣發生量和總量，如按標準控制生產，盡可能降低生產溫度；尾氣放散口盡可能密閉、杜絕敞口和無序排放。

尾氣治理不應是單純的對收集的廢氣進行處理，應從環保大局上綜合考慮，不能做簡單的轉移或產生新的需進一步處置的危廢。綜合比較目前各類治理技術，焚燒法是當前比較徹底的一種技術，主要是利用燃燒氧化和高溫下的分解作用。因此，焚燒適用于凈化可燃的物質。但焚燒法使用時應充分考慮安全性和焚燒后的煙氣排放問題。本方案是在充分結合焦化企業自身條件的基礎上開展的，治理總思路：能實現絕對密閉的，經密閉或氮封后入煤氣負壓管道，回到生產系統；不能實現絕對密閉的或尾氣中含氧無法控制的，經洗滌預處理凈化后進入焦化企業自有的焦爐進行焚燒。本方案主要討論入焦爐焚燒。

2.1 預處理

按不同工段不同尾氣組分設置不同洗滌液的尾氣洗滌吸收預處理裝置。逸散尾氣通過風機的吸力進入洗滌凈化裝置，與洗滌吸收液充分接觸吸收。如用水洗氨氣、洗油洗苯或萘等有機組分。液體吸收法作為尾氣治理的預處理，預處理意義：

(1)通過吸收，降低尾氣中有害組分的濃度；進而提升安全可靠度，為焚燒打下基礎。

(2)控制尾氣溫度，穩定在低溫狀態。

(3)回收部分高沸點有機物如萘、粗蒽等，并避免這些高沸點有機物對設備設施造成堵塞等損壞。

2.2 入焦爐焚燒

經預處理裝置后的凈化尾氣進入尾氣緩沖罐，進一步過濾尾氣中夾帶的液體和渣類物質，再由尾氣風機經安全裝置通過管道接至焦爐地下室機焦兩側的廢氣盤中，當廢氣盤開閉器為空氣上升時，尾氣管道自控閥門打開，使收集尾氣進入廢氣盤，和吸入空氣混合后共同進入焦爐蓄熱室，最后進入燃燒室被高溫焚燒。當焦爐廢氣盤開閉器為廢氣下降時，自控閥門關閉，尾氣不進入。

焦爐交換機定期換向，將該換向信號引至尾氣管道控制閥，使自控閥聯鎖同步，讓入爐焚燒的尾氣始終進入焦爐被燃燒。工藝流程簡圖見圖1。

表1 各尾氣治理技術優缺點匯總

圖1 煤焦化化產區域尾氣入焦爐焚燒工藝流程簡圖

入焦爐焚燒作為VOCs 治理的精處理，精處理意義：

(1)通過焦爐內高溫可實現有害氣體徹底分解、穩定達標。

(2)不新增排放口，無需安裝監測等設施。

(3)焚燒后產生的SO2、NOx 等可進入焦爐煙氣已有的脫硫脫硝裝置處理，無須再單獨考慮。

3 尾氣入焦爐焚燒技術安全控制

焦爐屬于明火設備，自身就是一個火源，入爐焚燒的尾氣又含有多種易燃易爆成分，主要有氨氣、硫化氫、苯系物、非甲烷總烴及少許夾帶煤氣等。所以，為保障尾氣入焦爐焚燒的安全，需重點做好安全控制。

(1)入焦爐尾氣管路設多濃度在線檢測裝置，并與配套的自動閥聯鎖，嚴控入爐的有機化合物濃度值，使其受控在安全水準內，這是防止發生爆炸的一個本質對策。一旦濃度超標，切斷入爐管路，應急放散—通常，入焦爐氣體濃度控制在其爆炸下限的25%以下[3]。

(2)入爐尾氣管路設阻火器2 套，串聯使用，用于防回火，實施有效隔斷，保障使用安全。

(3)入爐尾氣管路設置安全連接器一套，進一步保障使用安全。

(4)入爐尾氣管路設自動滅火系統，當檢測出現了火災等應急狀況，自動滅火系統立即自動啟動。

(5)根據應用，配備相關泄爆口。

(6)配備一套獨立的自動控制系統，對運行數據進行實時監控。

4 結語

該技術于2019 年在山東某110 萬噸/年焦炭產能的焦化廠成功應用，使用穩定。驗證了此法是在充分結合煤焦化企業自身條件基礎下、較徹底處理逸散尾氣的有效途徑之一。

目前，中國的環保治理在設計同時應充分考慮設施的安全性，同時，特殊工況如焦化行業化產區域還應考慮使用過程中含萘易堵塞的影響。如含萘易堵塞尾氣管道應設計為蒸汽伴熱管、管道預留吹掃口、低點設自動排凝等措施。

為保障環保治理的實際效果，企業還需加強環保設施的日常管理：按要求定期進行管道吹掃、設備拆卸檢查、自控聯鎖使用效果檢測、預處理循環洗滌液飽和度檢查等等。