煤焦化過程VOCs 的排放特征分析

邢建峰

（山西省忻州生態環境監測中心，山西 忻州 034000）

0 引言

焦炭是工業領域的重要原材料，而在焦炭的生產過程中，煤焦化過程是不可或缺的一部分。由于煤炭材料自身理化性質的復雜性，加之煤焦化過程通常涉及到干燥、高溫裂解干餾和固化等一系列復雜步驟，因此在煤焦化過程中，將不可避免地產生一定量的揮發性有機物（以下簡稱VOCs），這些物質如不及時處理則容易造成嚴重的環境污染問題[1]。為實現對VOCs的有效處理，其首要任務則是對煤焦化過程中VOCs的排放特征進行研究，以此確定更具針對性的VOCs處理策略。

1 實驗方法

本次研究主要針對某地四家典型的煤化工企業進行研究，以上四家煤化工企業均以煉焦業務為主營業務，為方便研究，對其分別簡稱為TG、PF、SJ 和JD，并針對其不同生產工段進行采樣、檢測與數據分析[2]。

結合以上企業煉焦的主要工藝流程，本次通過對煉焦區域、化產回收區域和污水處理區域分別進行廢氣采集，以獲得實驗所需的VOCs 樣品。各個采樣點及污水處理廢氣排放口距離地面在15～40 m 不等，化產回收區域廢氣采樣點與地面的距離則控制在2 m左右。針對單個采樣點，分別采用氣袋和吸附管兩種方式進行采集，以分別完成濃度分析和組成特征分析。其中，氣袋采樣方法使用型號為2030-7 的真空箱氣袋采樣器，將采集到的廢氣保存到表面鋁箔覆蓋的3 L 采樣袋中，采樣泵流量2 L/min，進行1 min 的采集。吸附管采樣則主要使用氣泵與取樣管等裝置組成采樣系統，將采樣點廢氣中的VOCs 收集于Tenax 吸附管的吸附劑當中，該采樣管采樣流量為0.5 L/min，進行60 min 的采集，樣品保存方法與氣袋采樣方法相一致。

在采集到樣品后，首先對樣品進行稀釋，以確保其達到儀器檢測范圍內的要求。本次搭建的稀釋裝置管路連接，如圖1 所示。

圖1 稀釋裝置管路連接圖

基于該管路，首先在源樣采樣袋中抽取50 mL 氣體，而后在收集氣袋中注入1 000 mL 氮氣。由此，按照設定的稀釋倍數，逐步將抽取得到的氣體注入裝有氮氣的收集袋中，并繼續在采樣袋內注入氮氣，至采樣袋內氣體總體積超過2 000 mL 后完成稀釋。

樣品稀釋完成后，依次使用預濃縮裝置、氣相色譜儀質量選擇檢測器和火焰離子化檢測器進行組分濃度分析。在分析過程中，先抽取取樣袋中一定量的稀釋后氣體，使用預濃縮裝置對其進行三次預濃縮處理后進樣進入檢測器檢測，并在計算機上讀取和儲存檢測結果數據[3]。

2 煤焦化過程VOCs 的排放特征

在得到檢測數據后，對數據統計分析，并分別從以下幾個方面著手，對煤焦化過程中VOCs 的排放特征進行分析。

一是針對煉焦區域的VOCs 排放特征分析。根據圖譜檢測后獲知，在煉焦區域中，VOCs 組分相對較為復雜，其中占比居前十位的化合物分別為乙烯、苯、乙烷、正丁烷、甲苯、乙炔、正己烷、異丁烷、1-丁烯和丙烯，在此基礎上，對四個煉焦廠的VOCs 濃度水平與組成特征做進一步分析，分析結果如圖2 所示。

圖2 各煉焦廠焦爐煙氣VOCs 濃度水平與組成特征分析

根據圖2 中的數據可見，各個煉焦廠在焦爐煙氣VOCs 的濃度水平和組成比例上存在著一定的差異。其中TG 和SJ 的焦爐煙氣VOCs 中芳香烴占比相對更高，在JD 企業中烷烴的濃度水平則明顯偏高且與其他成分差距懸殊，而在PF 企業中，則以烯烴含量為最高。根據相關理論可知，焦爐煙氣VOCs 與燃料的不完全燃燒有關，在高溫環境下，一些小分子烴類物質將發生復雜化學反應而轉變為芳香烴，由此可推斷出，煉焦過程中VOCs 的組成與各個企業煉焦工藝參數和環境參數的差異有著直接的關聯。在此基礎上，進一步分析出焦煙氣中的VOCs 濃度水平，結果顯示，TG、PF、SJ 和JD 四家企業的指標分別為7.7%、16.0%、14.8%和8.5%，相對而言，TG 企業的排放量較低，就此對其煤質進行研究后發現，該企業的配煤中焦煤占比較高，煤質較優，因此排放的VOCs 也處于較低水平。

二是對化產區域的VOCs 排放特征進行分析，為方便進行分析，本次僅對TG 企業的實際情況進行分析，結果顯示，化產區域廢氣中以烯烴組分比例最高，為58.25%，其次是芳香烴和烷烴，分別為19.78%和14.10%，炔烴占比最低，僅為7.87%。在此基礎上，對該企業化產區域不同工段的廢氣VOCs 濃度與組成特征分析，分析結果如圖3 所示。

圖3 煉焦廠TG 化產區域VOCs 濃度與組成特征

根據圖3 可見，化產區域的不同工段VOCs 濃度與組成特征存在一定差異，在冷鼓工段和脫硫工段中，芳香烴（主要為苯）是主要的特征污染物，占比相對較高，而在粗苯工段中，烯烴（主要為乙烯）的濃度則相對更高[4]。

三是對污水處理區域的VOCs 排放特征進行研究。對該區域的VOCs 濃度整體分析后發現，四家焦化廠的VOCs 質量濃度不同，以SJ 為最高，達到137.25 mg/m3，其次是TG 和PF，分別為18.84 mg/m3和10.86 mg/m3，JD 最低，為6.01 mg/m3。根據實際調查后得知，SJ 的VOCs 濃度偏高的主要原因是缺乏VOCs 處理裝置。在此基礎上，對各個焦化廠的污水處理區域VOCs 組分具體分析，分析結果如圖4 所示。

圖4 各焦化廠污水處理區域VOCs 組分圖

根據圖4 可知，TG、PF 和SJ 三個焦化廠在污水處理區域的廢氣組成比例基本保持一致，均為芳香烴占比最高，而JD 則與之存在顯著差異，以烷烴為占比最高。根據實地調研可知，JD 煉焦各工段中的烷烴濃度均較高，據此推斷，JD 煉焦廠烷烴釋放較多的主要原因是煉焦工藝、煉焦煤種和煤質參數的影響。

3 相關建議

根據分析的煤焦化過程VOCs 的排放特征分析結果可知，煤焦化過程中產生的VOCs 組分相對較為復雜，且具體的成分及比例也通常受到各種因素的影響而出現顯著差異，給后續的VOCs 治理帶來較高難度[5]。針對這一問題，在今后的工作中應當采取如下措施：首先，應當加強對煤炭材料的質量檢測，優先選擇焦煤占比較高的材料進行焦化生產作業；其次，應當加強對焦化過程中的環境參數控制，避免環境參數出現較為明顯的波動；再次，應當進一步研究VOCs處理技術，以期降低煤焦化過程產生的環境污染問題。

4 結語

整體來看，在本次研究中，結合某地焦化廠的煤焦化過程現狀，選取四家較為典型的焦化廠，分別對其在煉焦區域、化產區域和污水處理區域的VOCs 組分與比例進行初步分析，并對各組數據之間的差異原因進行了初步探究，由此初步確定了煤焦化過程中VOCs 的排放特征。在此基礎上，根據排放特征為后續的VOCs 處理工作提供了一定的建議參考，以期不斷提升VOCs 的治理效果。