焦化行業(yè)VOCs 污染物深度治理技術(shù)及趨勢(shì)

吳昊，崔宇韜，龍紅艷，朱金偉，黃家玉，趙曉亮，譚玉玲，王凡，張辰*

（1.中國環(huán)境科學(xué)研究院大氣環(huán)境研究所，北京 100012；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

近年來，我國焦炭行業(yè)發(fā)展迅速，焦炭產(chǎn)能大幅度增加。焦炭廣泛應(yīng)用于國內(nèi)眾多行業(yè)是鋼鐵行業(yè)的重要輔助型原材料[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020 年年底，我國擁有焦炭產(chǎn)能約6.34 億t，2020 年我國焦炭產(chǎn)量為4.71 億t，按每噸焦炭產(chǎn)生2.96kgVOCs 計(jì)算，2020 年我國焦化行業(yè)共產(chǎn)生1.39MtVOCs[2]。焦化行業(yè)VOCs 排放點(diǎn)位復(fù)雜，其中VOCs 廢氣中含有較高濃度的苯類、酚類、多環(huán)和雜環(huán)芳烴等有機(jī)污染物[3—5]。焦炭生產(chǎn)環(huán)節(jié)是VOCs 排放的主要來源，約占我國工業(yè)生產(chǎn)排放VOCs 總量的十分之一，是大氣細(xì)顆粒物和臭氧污染的主要來源[6—8]。

焦化行業(yè)化產(chǎn)回收區(qū)域和煉焦工序等排放的VOCs 污染物濃度高、組成成分復(fù)雜，目前焦化行業(yè)常用的VOCs 末端治理方法主要有吸收法、吸附法、冷凝法和燃燒法等[9—11]。出于去除率的要求以及成本上的考慮，單一的治理方法已無法對(duì)焦化行業(yè)排放的VOCs 進(jìn)行有效治理。近年來，越來越多的企業(yè)采用技術(shù)組合工藝對(duì)VOCs 進(jìn)行治理[12，13]。

本文在對(duì)焦化行業(yè)VOCs 治理技術(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了四種焦化行業(yè)常用的組合工藝。

1 焦化行業(yè)VOCs 組合治理技術(shù)

1.1 “多級(jí)洗滌+活性炭吸附”工藝

化產(chǎn)回收區(qū)域?yàn)榻够袠I(yè)主要的VOCs 排放區(qū)域，采用“多級(jí)洗滌+活性炭吸附”的組合方法對(duì)VOCs 廢氣進(jìn)行治理（見圖1）。VOCs 要經(jīng)過水洗、油洗、酸洗和堿洗的多級(jí)洗滌處理。通過水洗塔的噴淋水去除絕大部分顆粒物。經(jīng)水洗后的廢氣進(jìn)入油洗塔，在填料區(qū)域與洗滌液充分接觸，去除廢氣中的部分萘、蒽苯等高分子有機(jī)物及焦油揮發(fā)物。廢氣進(jìn)入酸洗塔進(jìn)行酸洗處理，酸洗環(huán)節(jié)可去除廢氣中的氨，最終廢氣進(jìn)入堿洗塔脫除部分硫化氫、酚類等酸性物質(zhì)。各洗滌塔上方設(shè)有除霧器，攔截廢氣中攜帶的液滴。經(jīng)多級(jí)洗滌后，廢氣進(jìn)入活性炭吸附箱進(jìn)行吸附處理，凈化后將氣體排出。

圖1 “多級(jí)洗滌+活性炭吸附”工藝流程

“多級(jí)洗滌+活性炭吸附”工藝運(yùn)行安全穩(wěn)定。與單一吸附法相比，明顯減少了活性炭的更換頻率，提高了治理效率，同時(shí)也減少了二次污染的產(chǎn)生。該組合治理工藝，對(duì)中低濃度的VOCs 去除率可達(dá)90%以上，其缺點(diǎn)是占地面積大、操作較復(fù)雜，活性炭更換較為頻繁。

1.2 “活性炭吸附+蓄熱燃燒”工藝

“活性炭吸附+蓄熱燃燒”的組合方法較適用于高濃度、成分復(fù)雜的VOCs 廢氣處理。常用的吸附劑有活性炭、分子篩、石墨烯和金屬有機(jī)框架等，其中活性炭由于孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，具有吸附性強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)上廣泛使用[14，15]。

圖2 是典型的“活性炭吸附+蓄熱燃燒”工藝。廢氣經(jīng)過濾后去除絕大部分顆粒物，采用活性炭吸附法對(duì)VOCs 進(jìn)行吸附處理，并回收其中有價(jià)值的物質(zhì)，處理后進(jìn)行二次利用，剩余VOCs 進(jìn)入蓄熱燃燒裝置進(jìn)行進(jìn)一步處理。通常蓄熱燃燒裝置分為兩室、三室及多室[16，17]。通過利用助燃?xì)怏w使燃燒室溫度保持在800℃以上，將VOCs 充分氧化分解成CO2、H2O。該方法具有VOCs 去除率高、熱回收率高、二次污染小、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于治理焦化行業(yè)排放的高濃度、成分復(fù)雜的VOCs。其缺點(diǎn)是需要助燃?xì)怏w，會(huì)增加碳排放量，因而僅適用于較高濃度的VOCs 廢氣處理。

圖2 “活性炭吸附+蓄熱燃燒”工藝流程

1.3 “分級(jí)干式過濾+轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+催化燃燒”工藝

針對(duì)目前焦化行業(yè)排放的低濃度、大風(fēng)量VOCs廢氣，可利用“分級(jí)干式過濾+轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+催化燃燒”的組合方法對(duì)廢氣進(jìn)行處理。工藝流程見圖3，干式過濾去除廢氣中的顆粒物后，通過輪轉(zhuǎn)對(duì)VOCs 廢氣進(jìn)行處理，使其轉(zhuǎn)化為高濃度、小風(fēng)量的VOCs。在催化劑的作用下，VOCs 在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行催化燃燒反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為CO2和H2O 等無害物質(zhì)。輪轉(zhuǎn)裝置常用的吸附材料為沸石分子篩。

圖3 “分級(jí)干式過濾+轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+催化燃燒”工藝流程

該組合工藝適合處理低濃度、大風(fēng)量VOCs，對(duì)VOCs 的去除率可達(dá)90%以上，可實(shí)現(xiàn)焦化VOCs 的深度治理。缺點(diǎn)是運(yùn)行過程中需要大量能耗，同時(shí)增加了碳排放量。

1.4 “洗滌＋焦?fàn)t燃燒”工藝

焦化企業(yè)化產(chǎn)回收區(qū)域冷鼓、硫銨、脫硫等不同工段會(huì)產(chǎn)生大量VOCs 廢氣，含有焦油、萘、蒽、苯系物等高分子有機(jī)物可采用“洗滌+焦?fàn)t燃燒”的組合治理方法實(shí)現(xiàn)對(duì)VOCs 廢氣的深度治理。

通過油洗、水洗等預(yù)處理可去除廢氣中大部分的焦油、苯、萘、蒽等有機(jī)物，以及廢氣中的NH3、H2S、HCN。經(jīng)水洗、油洗后的廢氣通過風(fēng)機(jī)被送至焦?fàn)t地下室低氮燃燒煙氣處循環(huán)風(fēng)機(jī)入口，與焦?fàn)t煙氣進(jìn)行充分混合后由循環(huán)風(fēng)機(jī)送至焦?fàn)t廢氣盤。焦?fàn)t燃燒室內(nèi)的溫度為950℃—1100℃，廢氣中的VOCs在此溫度下充分氧化分解，生成水和二氧化碳并放出熱量。“洗滌+焦?fàn)t燃燒”工藝流程見圖4。本組合治理方法利用焦?fàn)t的高溫特性，針對(duì)化產(chǎn)回收區(qū)域不同工段VOCs 進(jìn)行充分氧化分解，去除效率一般高于90%，最高可達(dá)98%以上，而且可充分利用廢氣VOCs 熱值，投資及運(yùn)行成本相對(duì)較低，適用于幾乎所有焦化企業(yè)。

圖4 “洗滌+焦?fàn)t燃燒”工藝流程

2 結(jié)語

本文探討了了四種不同的VOCs 組合治理工藝，分析各種組合工藝的適用范圍及應(yīng)用效果。文章分析認(rèn)為，“洗滌+焦?fàn)t燃燒”組合治理工藝適用VOCs濃度范圍廣、去除效率高，而且可充分利用廢氣VOCs 熱值，有利于焦化行業(yè)減污降碳，是我國目前較適用于焦化行業(yè)VOCs 深度治理的組合工藝。