焦化廠焦爐煙囪二氧化硫排放濃度超標分析及治理研究

摘要：針對某焦化廠7#、8# 焦爐煙囪二氧化硫排放濃度超標問題展開調查研究。通過系統排查與數據分析，確定焦爐爐體漏氣和換向過程煤氣燃燒不充分是導致二氧化硫排放濃度超標的主要原因。對此，研究提出并實施了綜合治理方案，焦爐煙囪二氧化硫排放濃度顯著降低，穩定控制在50 mg/m3 以下，完全滿足國家排放標準要求。研究為類似焦化企業的污染物排放治理，提供了可借鑒的技術方案和管理經驗。

關鍵詞：焦爐煙囪；二氧化硫；排放治理

焦化是鋼鐵生產的重要環節，同時也是大氣污染物排放的主要來源之一。近年來，隨著環保要求的日益嚴格，焦化企業面臨著越來越大的減排壓力，焦爐煙囪二氧化硫排放濃度超標成為許多焦化廠亟待解決的環保難題。本研究以某焦化廠為例，深入分析導致二氧化硫排放超標的根本原因，并提出針對性的治理方案，旨在探索一套行之有效的綜合治理模式，為焦化行業的清潔生產和污染防治提供參考。

1 工程概況

某焦化廠7#、8# 焦爐煙囪加裝了廢氣煙塵在線監控系統，并與當地環保部門聯網，實時監測二氧化硫、氮氧化物和粉塵顆粒物3 項指標的排放濃度。在6 個月的設備調試期內，監測數據顯示僅二氧化硫排放濃度存在超標現象，最高濃度達66 mg/m3，超出《煉焦化學工業污染物排放標準》（GB 16171-2012）“二氧化硫排放濃度應低于50 mg/m3”的要求，超標率為6.07%，超標倍數在1.3 左右。因此，需要定位導致二氧化硫超標排放的主要原因，并總結出一套行之有效的綜合治理方案，確保二氧化硫排放濃度得到合理控制。

2 二氧化硫超標排放原因分析

2.1 焦爐爐體漏氣導致硫分進入燃燒室

焦爐在正常加熱過程中，炭化室內的煤料會釋放出含硫化合物。當爐體出現漏氣時，這部分含硫氣體就會隨爐內氣流進入燃燒室，并在高溫條件下被氧化生成二氧化硫，隨煙氣由煙囪排放，造成二氧化硫排放濃度升高。研究發現，當切斷煤氣、停止加熱供應時，煙囪二氧化硫排放濃度顯著下降；繼續燃燒煤氣加熱，煙囪二氧化硫排放濃度就會一直保持在較高水平。這一結果證實，爐體漏氣是導致二氧化硫排放超標的主要原因之一。經測算，原料煤氣中硫化氫濃度約為5 mg/m3，在完全轉化為二氧化硫的理想情況下，對煙囪二氧化硫排放濃度的貢獻為5 mg/m3 左右，遠低于二氧化硫超標排放時的實際排放濃度[1]。由此可見，硫分的額外來源主要是爐體漏氣。

2.2 焦爐換向過程中煤氣燃燒不充分

通過對煙氣二氧化硫濃度的動態監測發現，如圖1 所示，在焦爐換向期間，二氧化硫濃度呈現明顯的周期性波動。經深入檢查發現，由于焦爐換向時煙道負壓較小，翻板閥門開啟較晚，會導致換向初期廢氣不能及時排出；同時，由于煤氣閥門提前打開，煤氣燃燒不充分，導致硫分轉化率升高[2]。在焦爐換向結束后5～7 min 內，煙囪二氧化硫排放濃度顯著高于正常水平。

3 二氧化硫超標排放治理建議與預期

3.1 減少焦爐爐體竄漏

3.1.1 優化焦爐熱工制度

針對焦爐爐體漏氣導致的二氧化硫超標排放問題，應從源頭抓起，通過優化焦爐熱工制度有效控制爐體漏氣量。由于過高的負壓會加大炭化室與燃燒室的壓差，促使含硫氣體由炭化室漏入燃燒室，因此建議某焦化廠結合實際情況將焦爐的機、焦側標準火道看火孔壓力控制在微正壓（0～20 Pa）范圍內，預期在優化調整后讓爐墻結石墨現象得到明顯改善、爐體漏氣能得到有效緩解。同時，根據生產實踐，建議將焦爐集氣管壓力由120 Pa 調整為135Pa，并將壓力波動幅度控制在±20 Pa 以內。另外，焦爐每20 min 換向1 次，若出現“落交換”現象，則會造成立火道溫度失衡，加劇爐墻石墨燒損和爐體漏氣，因此建議在DCS 控制系統中設置專門的落交換報警程序，及時發現和處理換向異常，從源頭上防止漏氣量的增加，并在保證焦炭質量的前提下，將燃燒室溫度盡可能地控制在低限[3]。

3.1.2 改進推焦裝煤流程

推焦和裝煤是焦爐生產的關鍵環節，通過改進推焦、裝煤流程，可進一步減少爐體漏氣，控制二氧化硫排放。由于裝煤密度偏低或分布不均會加劇爐體變形，導致爐門漏風漏氣，因此建議采用先進的裝煤車定量給煤系統，確保炭化室內煤餅裝填均勻、密實，減少煤餅裂縫，預期改進后煤餅密度可提高1.5%，爐體漏氣率可降低10% 以上。同時，采用平穩、勻速推焦方式，將推焦速度嚴格控制在0.4～0.5 m/min，避免因推焦過快導致的拉裂炭和碎焦；針對性地優化焦爐煙道結構，減小阻力，保證爐內負壓穩定，預期推焦速度每降低0.1 m/min，爐體漏氣量平均可減少5%。另外，建議定期檢查裝煤車與爐門之間的密封情況，一旦發現損壞則及時更換密封部件，將裝煤車與爐門之間的泄漏量控制在0.5% 以內，減少爐內外壓差，防止漏氣加劇。除此之外，還需優化裝煤車運行線路，減少裝煤車移動和調頭的時間，將單爐裝煤時間控制在3 min 以內。

3.1.3 完善焦爐熱修方法

根據鋼磚特性和應力分布規律，如圖2 所示，優化熱修升溫曲線，避免鋼磚熱脹冷縮引起的應力損傷。建議某焦化廠焦爐熱修時，將升溫速率嚴格控制為＜ 5 ℃ /h，要求最高溫度≤ 1300 ℃、保溫時間≥ 48 h，以顯著提升熱修后爐墻完整性，預期使用壽命可延長20%以上。同時，在熱修磚中加入5% 左右的石墨，以提高磚體導熱性和熱穩定性，減少熱脹冷縮應力。另外，在耐火澆注料中加入一定比例的碳化硅，以改善抗氧化性能，延緩材料老化。

3.2 減緩焦爐換向期間二氧化硫濃度升高速度

3.2.1 延長中停時間

焦爐換向過程中的中停時間對二氧化硫排放濃度有顯著影響，通過延長中停時間，可以有效減緩換向期間的二氧化硫排放濃度升高速度。某焦化廠在現有DCS 系統中增加了中停時間控制模塊，實現了對中停時間的精確調節，通過逐步調整中停時間，使其從原來的10 s 逐步增加至15 s、20 s、25 s，最終確定最佳中停時間。同時，建立動態監測系統，實時監測二氧化硫排放濃度，分析不同中停時間條件下的二氧化硫排放趨勢。另外，根據優化結果制定新的操作規程，并確保操作人員嚴格執行。

不同中停時間條件下二氧化硫排放濃度的系統測試結果如表1 所示。

從表1 可以看出，隨著中停時間的延長，二氧化硫平均濃度呈現明顯下降趨勢；當中停時間延長至20 s 時，二氧化硫平均濃度降低至48 mg/m3，低于50 mg/m3 的排放標準，降低比例達17.24 %，同時換向后二氧化硫濃度穩定時間也由7 min 縮短至5 min。

綜合考慮生產效率和排放達標的平衡，最終確定中停時間為20 s。這一調整，既可確保二氧化硫排放濃度達標，又能縮短焦爐換向后的二氧化硫濃度穩定時間，有利于整體生產的穩定性[4]。

3.2.2 控制空氣過剩系數

焦爐燃燒過程中的空氣過剩系數對二氧化硫的生成和排放具有顯著影響，通過在焦爐換向期間精確控制空氣過剩系數，可以有效減少二氧化硫的生成。因此，建議某焦化廠安裝高精度氧含量在線監測系統，在焦爐煙道安裝氧含量在線監測儀，實時監測煙氣中的氧含量，為空氣過剩系數的控制提供準確數據，同時在現有DCS系統中增加空氣過剩系數控制模塊，根據實時監測的氧含量數據，自動調節進風量。結合實際情況，確定最優空氣過剩系數范圍為1.05～1.10。在此范圍內，可將二氧化硫排放濃度控制在45～50 mg/m3 之間，滿足國家排放標準要求。

4 實踐效果

實踐中，某焦化廠7#、8# 焦爐將機、焦側標準火道看火孔壓力控制在微正壓（0～20Pa）范圍內，并將集氣管壓力由120 Pa 提高至135 Pa，緩解了爐體漏氣問題；二氧化硫排放平均濃度從58 mg/m3 降至52 mg/m3，降幅約10.3%；爐墻結石墨現象得到明顯改善；爐頂煤氣燃燒情況有所優化。另外，將焦爐換向過程的中停時間從10 s 延長至20 s 后，二氧化硫排放平均濃度降至48 mg/m3，再次降幅約7.7%；換向后二氧化硫濃度穩定時間從7min 縮短至5 min，顯著提高了焦爐運行的穩定性。總之，在實施相關治理措施后，某焦化廠7#、8# 焦爐煙囪二氧化硫排放情況得到明顯改善，完全滿足GB 16171-2012 要求，超標問題徹底解決，排放濃度的波動幅度明顯降低，焦爐運行更加穩定。某焦化廠7#、8# 焦爐煙囪優化前后二氧化硫排放濃度對比如圖3所示。

對某焦化廠焦爐煙囪二氧化硫超標排放治理后的長期效果進行跟蹤分析，結果顯示優化治理后的6 個月內某焦化廠7#、8# 焦爐煙囪二氧化硫排放濃度始終保持在合格范圍，平均排放濃度為46.5 mg/m3，較治理前下降了約19.8%。與此同時，焦炭質量保持穩定，生產效率未受明顯影響。實踐結果表明，本研究提出的綜合治理方案有效，且具有良好的可持續性。

5 結束語

綜上所述，通過對某焦化廠焦爐煙囪二氧化硫超標排放問題的系統分析，提出并實施了治理方案后，治理成效顯著。首先，對焦爐爐體漏氣和換向過程煤氣燃燒不充分導致的二氧化硫排放超標問題，提出一系列治理方案；其次，通過施實具體的治理方案，使焦爐煙囪二氧化硫排放濃度得到有效控制，徹底解決超標排放問題，降低排放濃度波動幅度；最后，經長期跟蹤分析，發現在實施治理方案后的6 個月內，二氧化硫平均排放濃度較治理前下降了約19.8%，同時未對焦炭質量和生產效率造成明顯影響。由此可見，通過優化生產工藝、改進操作流程和加強過程控制，可在保證生產效率的同時有效降低污染物排放。未來，可進一步研究探索更先進的脫硫技術，以及焦爐煙氣多污染物協同控制的整體解決方案，從而為焦化行業的可持續發展提供更多技術支撐。

參考文獻

[1] 鄭亮.焦化廠焦爐煙氣脫硫脫硝工藝技術分析[J].山西化工，2023，43（11）：227-228，233.

[2] 徐雙全.焦化廠焦爐煙氣脫硫脫硝技術的應用研究[J].山西化工，2023，43（8）：219-221.

[3] 神興明，任士偉，王娜.工業廢氣二氧化硫的危害和檢測方法[J].河南化工，2023，40（1）：54-55.

[4] 劉麗青，張俊，王靈，等.燃煤電廠超低排放實證研究分析[J].資源節約與環保，2021（3）：1-2.

作者簡介

張曉旭（1983—），男，漢族，河南平頂山人，高級工程師，大學本科，研究方向為廢氣和粉塵治理。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-07-16