焦化企業(yè)VOCs廢氣處理技術(shù)的研究

張新民(南京鋼鐵聯(lián)合有限公司，江蘇 南京 210035)

1 概述

1.1 VOCs定義

VOCs就是指揮發(fā)性有機(jī)物，常用VOCs表示，總揮發(fā)性有機(jī)物有時(shí)也用TVOC來(lái)表示。普通意義上的VOCs就是指揮發(fā)性有機(jī)物；但是環(huán)保意義上的定義是指活潑的、揮發(fā)和參加大氣光化學(xué)反應(yīng)的，也就是會(huì)產(chǎn)生危害的那一類(lèi)揮發(fā)性有機(jī)物。

1.2 VOCs危害

VOC通常分為非甲烷烴，含氧有機(jī)化合物，鹵代烴，含氮有機(jī)化合物和含硫有機(jī)化合物。它們主要來(lái)自煤炭化學(xué)工業(yè)、石化工業(yè)、燃料涂料制造、溶劑制造和使用。

VOC參與大氣環(huán)境中臭氧和二次氣溶膠的形成，并對(duì)區(qū)域大氣臭氧和PM2.5污染產(chǎn)生重大影響。大多數(shù)揮發(fā)性有機(jī)化合物具有令人不愉快的特殊氣味，并且有毒、刺激性、致畸性和致癌性。尤其是苯，甲苯和甲醛可能對(duì)人體健康非常有害。VOC是導(dǎo)致城市朦朧的光化學(xué)煙霧的重要前體。鑒于揮發(fā)性有機(jī)化合物對(duì)人體和環(huán)境的巨大破壞，必須在工業(yè)部門(mén)加強(qiáng)揮發(fā)性有機(jī)化合物的治理，而煤化工行業(yè)則必須這樣做。

2 常見(jiàn)VOCs治理工藝

目前，常見(jiàn)的VOCs治理技術(shù)有吸附法、凈化法、熱氧化法、理化法、低溫等離子體法、植物提取法、生物氧化法等，由此又衍生出多樣化的具體單項(xiàng)治理工藝或組合工藝，部分工藝又互有交叉。

2.1 吸附法

在有機(jī)廢氣的處理中，吸附是處理VOC的最有效和廣泛使用的方法之一。吸附劑包括活性炭、硅藻土和沸石，其中最常用的是活性炭吸附。吸附系統(tǒng)不僅顯著降低了VOCS濃度并排放了廢氣，而且使回收的材料可重新用于吸附后的空氣汽提和解吸。優(yōu)點(diǎn)：適用于高效，高凈化要求的除氣。缺點(diǎn)：當(dāng)吸附一定量的活性炭時(shí)，它會(huì)變得飽和，并且需要對(duì)活性炭進(jìn)行再生或更換，從而導(dǎo)致高昂的運(yùn)營(yíng)成本。此方法通常用于低濃度VOC的后處理。

2.2 燃燒處理法

VOC是有機(jī)揮發(fā)物，易燃。它們可以在室溫下或通過(guò)催化氧化燃燒進(jìn)行處理。氣體通過(guò)進(jìn)氣管道引入鍋爐或焚化爐進(jìn)行燃燒，但是熱有機(jī)氣體需要經(jīng)過(guò)安全認(rèn)證。優(yōu)點(diǎn)：這種方法比較完整，可以處理高濃度的VOC，并且基本上可以將VOC轉(zhuǎn)換為CO2和H2O。缺點(diǎn)：必須考慮高投資和運(yùn)營(yíng)成本，燃燒系統(tǒng)安全和防爆以及煙氣中的NOx污染。

2.3 吸收和脫氣方法

VOC通常可溶于有機(jī)溶劑，例如柴油和200#汽油，因此柴油或200#汽油可用于吸收VOC，吸收的溶劑可用作燃料或稀釋劑。優(yōu)點(diǎn)：這種方法易于操作且成本低廉。缺點(diǎn)：但是，吸收處理后會(huì)殘留揮發(fā)性氣體。由于有機(jī)溶劑本身是揮發(fā)性的，因此VOC不能降至零。高溫下吸收率降低。

2.4 冷凝法

冷凝物收集可用于熱有機(jī)氣體。首先直接冷凝，然后間接冷凝。優(yōu)點(diǎn)：該方法除氣效果明顯，操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行成本低。缺點(diǎn)：這種效果對(duì)低沸點(diǎn)氣體不好。

2.5 化學(xué)洗滌法

利用VOCs中某些物質(zhì)和化學(xué)液體的特性進(jìn)行反應(yīng)并去除氣體中的污染物成分。常用的方法是酸堿清洗，氯清洗和過(guò)氧化氫清洗。優(yōu)點(diǎn)：可以去除各種各樣的惡臭氣體，并且可以實(shí)現(xiàn)很高的去除效率，操作靈活。缺點(diǎn)：需要支持后續(xù)處理設(shè)備。

2.6 生物處理法

生物廢氣的生物處理是最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法，是所有處理方法中運(yùn)行成本最低的，安全且易于操作。VOC生物凈化方法包括直接微生物凈化，間接微生物處理(先吸水，然后廢水生物處理)和植物凈化方法。直接生物凈化包括生物吸收池、生物凈化池、生物濾池、生物濾池，處理效果優(yōu)異，操作方便。其中，生物濾池技術(shù)已經(jīng)成熟并具有許多用途。例如德國(guó)和荷蘭生產(chǎn)數(shù)百種廢氣生物過(guò)濾器，所有這些都運(yùn)行良好[1]。生物處理方法是用水或弱堿液吸收VOC。醇和醛中所含的物質(zhì)很容易溶于水，吸收的廢水被生物降解并排放到標(biāo)準(zhǔn)水平。植物凈化方法是擴(kuò)大工廠(chǎng)區(qū)域的綠色空間，并使用綠色植物吸收和轉(zhuǎn)化空氣中的污染物以?xún)艋諝狻Ｔ摲椒ㄟm用于大規(guī)模環(huán)境中的低濃度污染。

2.7 土壤除臭劑法

土壤除臭機(jī)理可分為物理吸附和生物降解。水溶性惡臭氣體(胺、硫化氫、低級(jí)脂肪酸等)被土壤中的水吸收和去除，不溶性氣味被土壤表面吸收。優(yōu)點(diǎn)：維護(hù)成本低，除臭效果相當(dāng)于活性炭。缺點(diǎn)：占地面積大，不適用于多雨地區(qū)，需要降溫、除濕、降塵預(yù)處理，而且微生物會(huì)破壞物理吸附。

2.8 等離子體法

在外部電場(chǎng)的作用下，電極空間中的電子獲得能量并加速，引起一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)，如激發(fā)、離解和電離，破壞有機(jī)物中的化學(xué)鍵。優(yōu)點(diǎn)：易于加工，易于操作，運(yùn)行成本高，氣體溫度范圍寬(-50～50 ℃)。缺點(diǎn)：去除效率低，可處理的氣體種類(lèi)少。

3 焦化揮發(fā)性有機(jī)化合物的特征

3.1 焦化揮發(fā)性有機(jī)化合物的組成

焦炭行業(yè)是目前最復(fù)雜的VOC治理行業(yè)之一，涉及多個(gè)行業(yè)，每個(gè)行業(yè)的氣體排放量不同。這主要是由于各種氣體泄漏和氣體凈化區(qū)中的臨時(shí)排放以及化學(xué)泄漏。粗苯部分和冷卻部分(不包括機(jī)械排渣槽和排渣口)是具有良好氣密性的儲(chǔ)罐。噴砂段和粗苯段包含揮發(fā)性氣體成分，這些成分在制造過(guò)程中很復(fù)雜。鼓風(fēng)段包含揮發(fā)性氣體：氨、氰化氫、硫化氫、非甲烷總烴、苯并(a)芘、萘等。組成復(fù)雜的粗苯段主要揮發(fā)出苯氣和非甲烷總烴。如果不對(duì)廢氣進(jìn)行處理，揮發(fā)性有機(jī)氣體VOC中的烯烴和某些芳香族化合物也會(huì)與空氣中的氮氧化物在陽(yáng)光的作用下反應(yīng)，從而對(duì)環(huán)境造成二次污染，因此治理起來(lái)更加困難。

3.2 焦炭行業(yè)中揮發(fā)性有機(jī)化合物的特征

根據(jù)排放分類(lèi)，VOC排放可分為揮發(fā)性排放，蒸發(fā)排放，液位波動(dòng)排放和伴隨的氣體排放。揮發(fā)性排放物是一種排放方法，在這種排放方法中，VOC氣體在低溫條件下自然揮發(fā)并通過(guò)逸散點(diǎn)擴(kuò)散。它體積小、溫度低。蒸發(fā)排放物是為了確保存儲(chǔ)設(shè)備在設(shè)備內(nèi)的流動(dòng)性而生成的VOC的排放，或者存儲(chǔ)設(shè)備本身是熱液，有大量的氣體，溫度高。液位波動(dòng)排放是一種通過(guò)在設(shè)備和罐的物料水平波動(dòng)期間提高物料水平來(lái)主動(dòng)排放內(nèi)部氣體的排放方法。它的特點(diǎn)是大量的氣體以及排氣和吸氣的循環(huán)。伴隨的放氣是在加熱、運(yùn)輸和凈化過(guò)程中由蒸汽或空氣攜帶的污染物的釋放。上述四種方法不會(huì)一次出現(xiàn)，通常會(huì)同時(shí)存在一種或兩種。例如焦油儲(chǔ)罐本身存儲(chǔ)具有蒸發(fā)釋放特性的熱焦油，并且在焦油運(yùn)輸過(guò)程中液位會(huì)波動(dòng)[2]。

4 焦化廠(chǎng)主要VOCs治理工藝分析

4.1 治理工藝

處理VOC廢氣的方法很多，例如：吸收、冷凝、吸附、焚化、生物處理和引入負(fù)壓氣體系統(tǒng)，尤其是近年來(lái)的三步清洗(油清洗+酸清洗)。這些方法各有優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)和適用條件。許多國(guó)內(nèi)焦炭公司將有機(jī)化合物的組合物用于VOC的處理。從純技術(shù)角度來(lái)看，所有這些方法只要最終加工的折彎氣體符合排放標(biāo)準(zhǔn)都是可行的。但是從綜合優(yōu)勢(shì)的角度來(lái)看，該過(guò)程的合理性不光是運(yùn)營(yíng)成本，還需要考慮穩(wěn)定性和安全性。

4.2 南鋼焦化采取VOC治理工藝

4.2.1 煉焦工序VOCS治理

煉焦工序揮發(fā)性有機(jī)物相對(duì)集中，主要在焦?fàn)t裝煤推焦和熄焦過(guò)程。南鋼焦化采用負(fù)壓導(dǎo)煙，通過(guò)高壓氨水噴灑形成的負(fù)壓，將裝煤推焦過(guò)程中的荒煤氣吸入集氣管。并設(shè)置推焦、裝煤地面除塵站收集推焦、裝煤過(guò)程中的煙塵，同時(shí)設(shè)置機(jī)焦側(cè)爐頭煙收集生產(chǎn)過(guò)程爐頭逸散的煙塵，煙囪脫硫脫硝技術(shù)降低的燃燒物的氮氧化物。在熄焦工序采用干法熄焦，此工藝產(chǎn)生的VOCS量有限可控。

4.2.2 化產(chǎn)工序揮發(fā)性有機(jī)物排放的相關(guān)治理措施

(1)煤氣凈化區(qū)域逸散氣收集，槽罐逸散氣末端治理裝置技術(shù)方案：根據(jù)各個(gè)區(qū)域尾氣的組分，以及治理要求，南鋼焦化采用“VOCs治理預(yù)處理+蓄熱氧化”的工藝。VOCs治理預(yù)處理裝置。鼓冷區(qū)域采用“油洗+酸洗+堿洗”的預(yù)處理工藝技術(shù)、脫硫區(qū)域采用“水洗”的預(yù)處理工藝技術(shù)、硫銨及蒸氨區(qū)域采用“堿洗”的預(yù)處理工藝技術(shù)、粗苯區(qū)域采用“油洗”的預(yù)處理工藝技術(shù)。VOCs深度治理采用蓄熱式氧化爐技術(shù)(RTO)。鼓冷、脫硫、硫銨、粗苯等區(qū)域預(yù)處理后匯總的尾氣，在進(jìn)入RTO裝置之前，需先進(jìn)行可燃?xì)怏w濃度監(jiān)測(cè)，確保可燃?xì)鉂舛仍谄浔O限下限的25%以下。當(dāng)濃度超出10%LEL時(shí)，可通過(guò)稀釋風(fēng)機(jī)補(bǔ)風(fēng)，降低可燃?xì)怏w濃度。

(2)油庫(kù)區(qū)域尾氣治理技術(shù)。南鋼焦化采用先進(jìn)、節(jié)能、安全、高效的“洗滌+冷凝+吸附”組合工藝。尾氣治理裝置的工藝流程框圖如圖1所示。

圖1 尾氣治理裝置的工藝流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，VOCS廢氣所造成的污染正在引起全國(guó)各級(jí)環(huán)境保護(hù)部門(mén)的越來(lái)越多的關(guān)注。焦化行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始研究各種VOCS廢氣處理技術(shù)，以減少VOCS廢氣向大氣環(huán)境中的排放并避免產(chǎn)生廢氣。空氣污染。隨著我國(guó)焦炭企業(yè)的不斷發(fā)展和壯大，南鋼焦化響應(yīng)中國(guó)綠色環(huán)境建設(shè)的領(lǐng)先理念，采用多種高效VOCS廢氣處理技術(shù)，控制生產(chǎn)區(qū)域中有害氣體的排放并減少對(duì)空氣環(huán)境的污染。