焦爐煙氣中低溫脫硝工藝的研究與應用

張 翠

中化二建集團有限公司 山西太原 030021

煤、石油、天然氣等化石燃料燃燒產生的煙氣中含有二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）和顆粒物等污染物。其中石油、天然氣經過前處理，燃燒產生的污染較輕，而煤燃燒產生的污染較為嚴重。我國的能源結構以煤為主，尤其煤焦作為第二大用煤領域，約占煤炭總消耗量的30%。20 世紀70 年代后，我國開始制定有關環境空氣質量標準和大氣污染物排放標準來控制大氣污染，現已建立了比較完善的國家大氣污染物排放標準體系。2012 年6 月27 日發布并于同年10 月1 日實施的《煉焦化學工業污染物排放標準》（GB16171- 2012），首次將焦爐煙囪排放的NOx列為我國焦化企業大氣污染物的控制指標，并對SO2和顆粒物的排放提出了更為嚴格的要求。2018 年5 月30 日，山西省環保廳正式發布《山西省大氣污染物防治2018 年行動計劃》，要求進一步嚴格環保標準，將國家對京津冀及周邊“2+26”城市執行大氣污染物特別是排放限值標準的要求擴展到全省。11 個市電力（燃煤除外）、鋼鐵、有色、水泥、化工等行業現有企業自2018 年10 月1 日起，焦化行業自2019 年10 月1 日起，排放SO2、NOx、顆粒物和揮發性有機污染物執行大氣污染物特別排放限值標準。

焦化企業大多數采用焦爐煤氣加熱，煙氣由煙囪排出，這是焦化企業中最主要的大氣污染源，其中含全廠廢氣約90%的NOx和60%的SO2。據不完全統計，全國現有焦爐煙囪共約900 多座，尤其是運行多年的焦爐，煙囪排放的NOx大于500mg/ m3。因此，對NOx的治理迫在眉睫。另外，現已經建成的焦爐煙氣脫硫脫硝裝置僅有不到200 套，還有一些企業正在開展方案優選或籌建工作，因此市場空間很大。總之，焦爐煙氣治理不僅關系到焦化企業的去留，更事關焦化行業的可持續高質量發展。

1 焦爐煙氣脫硝技術簡介

焦爐煙氣中NOx的排放濃度主要與燃燒溫度、空氣過剩系數，以及燃料氣在高溫火焰區的停留時間等有關。如果前端控制技術無法有效使用，就要依靠末端治理技術來降低NOx的排放。因此，主要的焦爐煙氣脫硝技術包括焦爐燃燒控制脫硝技術（前端）、焦爐爐內脫硝技術（前端）、強氧化脫硝技術（末端）和選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術（末端）。

1.1 焦爐燃燒控制脫硝技術

在焦爐上安裝火道溫度裝置、粗煤氣溫度測量裝置和焦煤溫度測量裝置，實現焦爐生產的自動測溫、自動加熱控制和自動火落判斷。并在此基礎上增設NOx監測與控制裝置，實現從源頭上控制NOx的產生，即從源頭上“脫硝”目的。本技術可節約焦爐加熱煤氣量2%～4%，提高化產品的回收率，焦爐煙氣NOx排放濃度降低至450mg/ Nm3（小時平均值，下同）以下。

1.2 焦爐爐內脫硝技術

焦爐爐內脫硝技術需在焦爐建設期間實施，在蓄熱室墻體內部設計氨氣導入氣道。在蓄熱室待定溫度段（1000～1100℃）注入氨氣，在下降氣流中氨氣與NOx發生選擇性非催化還原反應(SNCR)進行脫硝，具有40%～60%的脫硝效率。

1.3 強氧化脫硝技術

強氧化脫硝技術是在煙氣經等離子煙氣凈化器調質后，利用臭氧或雙氧水的強氧化性將煙氣中不溶于水的NO 氧化成易溶于水的高價態NOx，在脫硫塔內高價態NOx和SO2一起被脫硫液吸收而達到協同脫硝的目的。本技術適用于后續的煙氣脫硫系統，即脫硫系統能夠同時處理煙氣中的NOx和SO2。

1.4 SCR脫硝技術

SCR 脫硝技術是在一定溫度的煙氣中噴入氨還原劑，混有氨氣的煙氣進入裝有催化劑的脫硝反應器，在催化劑的作用下，氨與煙氣中的NOx發生選擇性催化還原反應生產氮氣和水，從而達到脫硝的效果。本技術也是幾種脫硝技術中效率最高、運行最穩定、應用最廣的技術。

SCR 涉及的主要化學反應見式（1）和式（2），反應原理見圖1。

圖1 反應原理圖

2 焦爐煙氣中低溫脫硝工藝的研究

2.1 研究目標

為保證環境空氣質量達到國家環保要求，冬季期間要求焦爐限產，導致整個運行中焦爐煙氣溫度波動較大，約為170～280℃。與火電廠高溫煙氣320～420℃相比，焦爐煙氣屬于中低溫煙氣。

國內現有焦爐炭化室高度大多為5.5m 以下，建成時間長，無法使用上述前端控制技術降低NOx的排放濃度；且難免有焦油串漏的問題存在，而煙氣中含焦油會大大增加末端治理的難度。

焦爐煙氣中低溫脫硝工藝的研究旨在解決煙氣在溫度低、波動大、含焦油等前提下，如何高效脫除煙氣中NOx的問題。

2.2 主要內容

在承攬項目中發現，部分焦化廠的煙氣脫硫裝置已建成，而脫硝裝置待建。鑒于強氧化脫硝技術的適用性和SCR 脫硝技術的優勢，中低溫脫硝工藝的研究主要基于SCR 脫硝技術。

本工藝處理的氣體為焦化廠焦爐氣燃燒后地下煙道的焦爐煙氣。該煙氣溫度會有低至170℃情況發生，考慮到SCR 脫硝時若反應器內溫度較低，無法保證SCR 催化劑的脫硝效果，脫硝處理后的煙氣就無法達到相關焦爐煙氣排放標準。因此，本工藝采用了在煙道內布置熱風系統對最不利情況下的焦爐煙氣進行加熱，提高煙氣溫度至催化劑的最佳反應溫度范圍內，進而保證催化劑的脫硝效率。熱風系統中的燃燒器采用焦爐煤氣配空氣燃燒提供熱量，高溫燃燒后的尾氣與焦爐煙道氣直接混合后進入脫硝反應器。通過控制燃燒器的燃燒負荷可以將脫硝反應器入口煙氣溫度維持在260℃以上。

在脫硝反應器前設置高溫分級過濾器，焦爐煙氣先進入分級過濾器，有效過濾焦爐煙氣中焦油、焦塵、無定型碳等煙氣中大的顆粒物，特別用于防止焦爐串漏產生大量黑煙時煙氣中有害成分對脫硝催化劑性能的影響。在分級過濾系統前設置粉塵濃度高位報警，同時設置過濾器前后壓差高位報警，當焦爐煙氣入口煙塵濃度高于80 mg/ Nm3或分級過濾器設備差壓超過500Pa 時，及時將焦爐煙氣切換旁路，避免焦爐串漏導致煙氣中有害成分對催化劑的影響。

本工藝選用的還原劑為20%稀氨水，可外購，也可由焦化廠供給。稀氨水經氨水蒸發器蒸發為氨和水的混合氣后從氨水蒸發器頂部排出，同時蒸發器本體設有足夠的過熱加熱段以保證氨水氣輸送至氨水氣/ 煙氣混合器內不會冷凝。氨水蒸發器上需設置液位、溫度、壓力和流量等多重聯鎖，以確保氨水蒸發器的使用安全可靠。氨水氣與加熱后的稀釋風在管道混合器中混合均勻后進入布置在煙道內的噴氨格柵系統，通過布置在煙道內的多條噴氨格柵支管噴入煙道并與焦爐煙氣混合均勻。脫硝反應器氨水氣注入量由脫硝裝置進口NOx測量值、煙氣流量和一定的氨氮摩爾比值進行控制，或根據現場具體情況采用定值控制。

脫硝反應器內操作溫度控制在260℃以上，在脫硝反應器前后的進出口煙道和反應器內設置溫度測量點。出現控制溫度范圍以外的情況時，系統會報警，并快速關閉氨水供給系統的氨水快速切斷閥，停止噴氨。在脫硝反應器內氨與NOx在催化劑表面反應生成氮氣和水（氣），生成物隨煙氣送出脫硝裝置界區，進入下一個裝置區。在脫硝反應器進口煙道上設置NOx、SO2、O2、溫度和流量分析儀，在脫硝反應器出口煙道上設置NOx、NH3分析儀。

此外，在SCR 脫硝反應器和分級過濾器內分別設置超聲波吹灰器，使用壓縮空氣為吹掃介質，吹掃周期和吹掃時間根據現場調試和開車情況進行適當調整。具體工藝流程示意圖見圖2。

圖2 焦爐煙氣中低溫脫硝工藝流程示意圖

2.3 工藝特點

（1）在煙道中設置熱風系統加熱煙氣，并利用焦化廠最易得且經濟的加熱媒介——焦爐煤氣，節省了能耗和成本；煙氣經加熱后既能保證焦油的有效過濾，又能確保催化劑的脫硝效率。

（2）熱風系統后又設置了分級過濾器，過濾煙氣中的焦油和粉塵等，以免催化劑堵塞，保證催化劑的使用壽命。

（3）脫硝反應器設計預留催化劑層，在催化效率降低時方便催化劑的增加和更換。

（4）使用高孔蜂窩陶瓷涂層式整體催化劑，用量少、脫硝效率高、反應器占地面積小。

3 焦爐煤氣中低溫脫硝工藝的應用

中化二建設計工程公司承攬的山西焦煤集團五麟煤焦開發有限責任公司焦爐煙氣脫硝工程，煙氣量為240000Nm3/ h，煙氣中NOx含量為1000mg/ m3，經脫硝后要求煙囪總排口NOx排放濃度≤150mg/ m3，即滿足GB16171- 2012 中特別排放限值的要求。

山西焦煤集團五麟煤焦開發有限責任公司的焦爐煙氣主要有如下幾個特點：溫度波動較大，約為170～280℃；SO2含量不高，約為350mg/ m3；粉塵含量不高，約為30～60 mg/ m3；可能含有串漏的含油荒煤氣。

本項目反應器設置為3+1 層，即裝填3 層催化劑，預留1 層，見圖3。項目使用高孔蜂窩陶瓷涂層式整體催化劑，用量僅為30.38m3；與使用22 孔的蜂窩催化劑相比，用量僅為其一半。因催化劑的用量直接影響反應器的大小，故解決了焦化企業預留場地有限的問題，同時也節約了投資。表1 為本項目使用的催化劑物性參數。

圖3 單體- 模塊- 反應器外形圖

采用焦爐煤氣中低溫脫硝工藝對上述煙氣進行處理，整套裝置運行穩定，煙囪總排口NOx排放濃度平均值保持在10 mg/ m3左右，詳見表2。

4 結語

焦爐煤氣中低溫脫硝工藝針對焦爐煙氣的特點而開發，有效解決了焦爐煙氣溫度低、波動大、含焦油等問題，為后續中低溫煙氣高效脫硝奠定了基礎。

表1 脫硝催化劑物性參數表

本工藝在山西焦煤集團五麟煤焦開發有限責任公司焦爐煙氣脫硝項目EPC 總承包工程中得到成功應用和驗證，為中化二建集團有限公司打開了相關市場，增強了公司在焦爐煙氣中低溫脫硝領域的競爭力。

表2 中低溫脫硝系統投用后的運行數據