焦化厂焦炉烟气脱硫脱硝工艺技术分析

2019-10-09刘芳

中国资源综合利用 2019年9期

刘芳

（山东省冶金设计院股份有限公司，济南 250101）

焦化生产期间排放的烟气含有氮氧化物和二氧化硫污染物，PM2.5 在此转化中约占空气总量的50%，同时，酸雨也会因此形成，这将造成严重的环境污染问题。脱硫脱硝技术的发展和进步为控制焦炭烟气污染物提供了方向指导，尤其是氮氧化为工作的进行提供了保证。本文主要分析目前相对完善的几种方法，为之后的脱硫脱硝工作顺利进行提供保障。

1 焦炉烟气特点概述

从储煤区域生产的洗精煤直接从煤廊输送到煤塔中，由漏嘴通过煤车并依次进入炭化室，然后在 1 000℃的高温下处理后成为焦炭，焦炉加热使用回炉气体从外管输送到炼焦炉的不同燃烧室，并且在燃烧室与预热的空气混合并燃烧，燃烧得到的废气通过垂直火道和斜道后，在通过分烟道、总烟道时利用储热室和格子砖进行换热，然后排出。

焦炉具有比较特别的生产方式，其排出的热烟气含有各种混合物和粉尘等气体，其中属氮氧化物较多，需要烟气脱硫、脱氮、除尘后方可排出。烟气中的二氧化氮在高温燃烧后出现，焦炉煤气含有的氢气体超过50%，燃烧速度相对较快，火焰燃烧温度在 1 800℃左右，其间，氧气和氮气将在1 300℃左右发生明显的氧化反应后产生二氧化氮。

从一般的角度来看，焦炉烟气具有以下明显的特征。第一，其中烟气的温度范围为180～300℃，其温度易于上下波动；第二，其中烟气的组分比较复杂，二氧化硫的成分较高，其浓度在140～450 mg/Nm3，二氧化硫容易与氨发生反应形成硫铵酸，会使管道堵塞和设备腐蚀；第三，焦炉烟囱需要一直处在受热准备的状态，就是在脱硫脱硝后，最终排出温度要控制在约130℃[1]。

2 烟气脱硫工艺分析

烟气中的二氧化硫本身是弱酸性物质，通过与相应的碱性物质反应后，它便可以被消除。根据吸收剂的形式不同，脱硫可分为湿法和干法。

2.1 干法脱硫

干燥和半干燥烟道气脱硫系统中的固体碱性吸收剂，通过烟气穿透碱性吸收剂和烟道气的方式和烟道气进行接触，无论何种环境下，其中含有的二氧化硫和固体碱性物质都一定会反应生成硫酸盐和亚硫酸盐。为了快速发生反应，固体碱性物质要细小或松散。半干法烟道将水加入到气体脱硫系统的烟道气中，使碱性物质颗粒表面形成液膜，再将二氧化硫加入其中，可以使固体碱性物质反应速度提高，此技术中的脱硫和之后的处理都是在干燥环境中进行，这种方法对设备的腐蚀不是很明显，没有存在污水排放现象，并且在排放气体的过程中没有显著的温度下降，它使烟囱更容易通风和扩散。但是，该方法存在脱硫剂使用效率低、设备庞大等缺陷。

2.2 湿法脱硫

世界各地的湿法烟气脱硫工艺，其机理和形式都很相似，基本都是通过使用石灰石、碳酸钠和其他物质来当成洗涤剂，并在反应塔中通过洗涤烟气以除去烟气中的硫氧化物，这种方法至今已经存在50年之久，并在不断改进和完善。之后，其技术开始成熟，脱硫效率超过95%。其产能相对较大，煤种适应性较强，运行成本较低，副产品易于回收利用。

石灰石湿法脱硫工艺因为使用的吸收剂成本低，已广泛用于湿法脱硫领域。此工艺具有脱硫率较高、吸收剂使用率高的优势，可以满足高浓度下二氧化硫的处理要求。缺点是基本建设投资成本高，脱硫废水具有一定的腐蚀性，更重要的是，需要连续采买石灰石，副产品亚硫酸钙处理更加困难。

焦化厂通常可以使用氨脱硫技术。氨脱硫方法不仅可以消除管道中的氧气，还可以利用焦化厂回收车间的处理系统，使二者结合发生反应来生产硫酸铵。同时，选择适合的媒介作为反应的脱硫剂，如氨水等，从而减轻机器的负担。氨脱硫方法使用液体吸收剂来洗涤烟道气，以除去其中的氧气。该器械简单，比较易于操作，脱硫效率高[2]。

氨脱硫不是一种综合方法，不能在同一时刻完成处理，只能单独建立系统；副产硫酸铵肥料质量受氨水质量的影响，其纯度难以达到标准要求。这对其本身质量有着很大的要求，所以可以使用陶膜覆盖，但其必须经过过滤后方可使用；拖尾在温度较低的情况下就会形成，为了防止这种情况发生，需要加装发热零件；硫酸铵盐在液柱中结晶，易于黏附在塔壁或喷管上，从而产生管道堵塞和严重腐蚀，设备选择要求高，腐蚀严重，需要考虑防腐和清洁设备。

2.3 其他方法

近几年，随着科学技术的发展，我国脱硫技术研究有了新的突破。除了传统的干法和湿法脱硫，又衍生出其他脱硫方法，如超重力脱硫技术，但大部分仍然处于试验阶段，等待进一步的工业应用验证。

3 烟气脱硝工艺分析

在各种脱硝技术中，选择性催化还原法的脱硝效率最高，应用范围最广，相对成熟。这种方法需要采用适量的催化剂，即氨，有选择地把其中的二氧化氮还原为水和氮，催化反应温度控制在约400℃。该技术没有副产品，通过增加催化剂负载量，脱硝效率可以达到约90%。

在设计系统时，烟气温度是催化剂选择的主要参数，该技术所需的高温条件约为400℃，催化反应只能在一定的温度范围内进行，有催化的最佳温度，温度高低将直接影响反应过程。为了控制炼焦炉烟气温度，人们需要改进烟气加热系统。反应产物是氮和水，不能回收，只会消耗能量和原始材料，不会产生任何价值，而且催化剂三年就需要更换，其成本非常高[3]。

关于SCR 催化剂脱硝，人们可以改良催化剂，适当降低反应速率，使反应温度降低。但是，低温环境下，大多数技术处于试验阶段，尚未用于任何工业装置实践。由于氨和二氧化硫在低温下易于形成铵盐，导致催化剂中毒，影响催化剂性能，低温脱硝催化剂的采购路线都相对集中，价格较高[4]。

4 工艺设计改进建议

根据烟气排放的相关标准，烟气中二氧化硫的浓度小于30 mg/Nm3，二氧化氮浓度小于150 mg/Nm3。因此，需要添加额外的脱硫和脱硝系统，以确保烟气达标排放。

首先，先硫后硝方法的特点是烟气通过脱硫，其中的二氧化硫浓度就会降低，这可以减少脱硝时硫酸氢铵和硫酸铵的形成，确保脱硝催化剂的活性，延长其使用寿命。但是，并不是所有工艺都能使用湿法脱硫，而且在温度不断下降的过程中，就算是干法脱硫脱硝也没法进行，只有加装发热材料，提高余热使用效率，尽可能减少干法脱硫器械的使用来减少成本[5]。

其次，先硝后硫方法的优点是没有加工过的烟气温度约为300℃，比较适用于低温SCR 方法进行脱硝反应，随后可以通过锅炉实现余热加工、重复利用或者收回。但这种方法存在两个缺点。

一是焦炉烟道气在180℃左右含有氧气，而氧气在150～200℃（恰好是反硝化反应的适宜温度）会和氨发生反应，反应产物又极易对催化剂的结构造成损坏，使催化剂失去效果，最终导致设备堵塞、无法使用。因此，在设计脱硝系统时，人们可以添加滤网和洗涤系统，通过过滤器清洗药剂表面的杂质[6]。

二是湿法脱硫的反应温度为40～50℃。在湿法脱硫后，烟道气温度通常在40～50℃，基本低于露点标准，如果直接排放，不再加热处理，很容易形成酸雾，对烟囱进行腐蚀，不利于烟雾的扩散。同时，在雨季来临时，就会出现白雾现象，所以净化后的烟气需要加热到130℃左右（废热锅炉产生的蒸汽部分可以直接使用），这样焦炉烟囱总是处于热备用状态，烟气脱硫设备示意图如图1所示。