焦化工业大气污染现状及防控对策

刘文博，陈健祥

（甘肃静和源环保科技有限公司，甘肃 兰州730000）

焦化工业是以煤炭为原料，经高温干馏炼制焦炭，回收煤气、煤焦油和粗苯等化工产品的煤化学工业，已成为我国重要的能源转化加工工业，其与煤炭、钢铁和化工等工业形成密切相关的上下游产业链。由于城镇化和国民经济快速发展的需求，我国焦炭产量迅速增加（如图1所示），自1994年以来，我国成为全球第一大焦炭生产和消费国，焦炭产量一直占全球总量的60%以上，2018年焦炭产量4.382亿t，占世界焦炭产量的67%[1]。我国焦炭生产主要分布在山西、河北、山东、陕西、内蒙古、河南和辽宁等地，占全国焦炭产量的78%（如图2所示）。其中独立焦化企业约占2/3，其余为钢铁联合焦化企业。

图1 我国焦炭生产产量

焦炭生产过程资源和能源的利用效率低，同时产生大量的废气、废水和固体废物等对环境造成严重的污染，随之而来的污染问题也严重地制约着焦化工业的发展[2]。近年，在《焦化行业准入条件》、打赢蓝天保卫战等政策法规的引导下，我国在煤炭干馏工艺技术、焦炉大型化、煤气资源化和炼焦化学产品的精深加工、节能减排等方面均有所突破与发展[1]。截至2017年，4.3m及以下焦炉仍占41%[1]，仍需要逐步淘汰炉龄较长、环保措施不完善的4.3m及以下焦炉，因此，焦化行业仍然需要不断地探索新的发展模式、加大技术和设备的研发和创新力度、延伸产业链、优化产品结构，持续降低物耗和能耗、减少污染物的产生和排放，持续实施清洁生产，促进焦化行业走上绿色生态发展之路[3]。

1 焦化工业大气污染特征及现状

煤干馏成焦的机理和焦炉的特殊结构决定了焦化工艺是以非连续性的方式生产焦炭，工艺流程复杂，难以实现完全自动化，人工辅助作业环节多，产排污节点多，如图3所示。

焦化工业排放的大气污染物种类繁杂且毒性大，以点源、面源和体源方式及高强度和间歇性排放的典型特征。颗粒物主要来自焦煤的储运、破碎、筛分、出焦、熄焦、筛焦、焦炭储运和焦炉排放，其中焦炉烟气、炉门逸散气、锅炉烟气、推焦车烟气中的颗粒物粒径小，含有多环芳烃等有毒有害物质。煤炭在焦炉中干馏、结焦等化学转化过程产生的污染物是大气污染物产生的根源，气态污染物主要来自焦炉荒煤气泄漏、放散煤气净化和化产品回收工段的无组织排放，主要成分包括挥发性有机物（VOCs）、氮氧化物、一氧化碳与含硫化合物等。已研究确定的VOC有一百多种，主要包括烷烃、烯烃、芳烃、醛类或酮类等物质，其中很多物质具有臭味和刺激性，氯乙烯、苯、多环芳烃等已被列为致癌物[4]。出焦时灼热的焦炭与空气接触生成CO、CO2和NO2等。焦炉产生的污染物是大气污染最严重的部位。

根据大气污染物排放清单技术指南的计算方法和因子得到2018年我国各省市焦化工业大气污染物的排放量见表1。

由表1可知，小于10微米颗粒物排放量为384.3万t，臭氧前体物的NOx和VOCs排放量分别为53.9万t和129.71万t。焦化行业排放的VOCs按烷烃、烯烃和芳香烃分类，按照文献[6]方法及计算焦化行业排放的VOCs不同组分的臭氧生成潜势和二次有机气溶胶生成潜势如图4所示，其中烯烃和芳香烃对臭氧生成的贡献较大，对二次有机气溶胶也有一定贡献。

图4 臭氧生成和二次有机气溶胶生成潜势

2 焦化工业大气污染防控思路与对策

在物资匾乏和经济落后的情况下，人类本想通过工业（如焦化）的建设丰富物资和增加国民经济收入，提高人民的生活质量。工业企业生产加工过程受工艺原理、设备、过程控制等多种因素的制约，不可避免地产生废气、废水污染物和固体废物，对大气环境造成严重的污染，直接和间接地影响着人群健康，但是经多年运行实践表明与初衷相违背的结果，反而降低了人的生活质量。综合分析可以看出，对人民的生活质量改善这一功能而言，工业企业的生产与污染就构成了一个复杂的巨大系统，如图5所示。

图5 工业生产与污染的系统示意图

因此，对大气污染的防控只有深入了解这个复杂的系统，综合、全面地考虑，才有可能得到科学有效的大气污染解决方案。基于焦化工业生产与大气污染的系统的复杂性，需要不断地创新大气污染防控的思想和理念，从焦化工业所在的区域、行业和焦炭生产企业二个层面采取整体防控的战略，以保护和改善生态环境，促进焦化行业的可持续发展为目标，达到提高人的生活质量的最终目的，如图6所示。以下从区域、行业和生产企业二个层面介绍焦化工业大气污染防控思路与对策。

图6 工业生产与污染的系统示意图

2.1 区域层面，制定科学的焦化污染防控思路

我国大气污染正从局地、单一的城市空气污染向区域和复合型污染转变，污染特征也由单一类型的污染物向多种污染物协同作用工业复合污染转变。我国大气污染形成了以臭氧和细颗粒物为主要污染特征的复合污染物，其在大气环境中的浓度与前体物（如NOx和VOCs）之间存在复杂的非线性关系，成因机理十分复杂。以细颗粒物和臭氧为代表的二次污染物成为我国大气污染控制的难点，焦化行业除排放颗粒物外，也大量排放NOx和VOCs，成为大气污染控制的重点行业。

建立区域大气污染源排放清单，科学制定区域的污染管控措施。排放清单是指不同大气污染源排放的各种污染物的源强信息的集合，是深入和准确理解的各种污染源对区域环境空气质量的影响和识别区域污染来源的基础，国内学者进行了不同区域层面的排放清单的研究[7-9]。基于排放清单和气象数据，利用以大气动力学理论和化学反应机理为基础的空气质量模型，可以确定区域污染源贡献清单[10]。依据模拟区域内污染物的时空分布，可以划分大气污染控制的重点和一般控制区域；结合区域发展规划和大气环境污染特征，利用多目标规划方法，确定区域污染源管控清单，制定治理费用和环境效益最优的科学有效的大气污染源控制对策[11]。

从区域角度，调整重点控制区域焦化工业产业结构，优化焦化工业布局，鼓励钢铁企业并购重组独立焦化企业，并延伸产业链。从焦化工业对区域大气污染的综合影响考虑，根据焦化企业对区域环境空气污染的贡献程度，分别针对重点和一般控制区域的焦化企业，分阶段和区域采取适宜的控制策略，形成“一市一策”，乃至“一区（县）一策”的污染控制对策。强化重污染过程预警预报，在重污染期间，对重点控制区的焦化工业采取错峰生产和减产等应急措施应对大气重污染过程。

2.2 行业层面，制定科学的焦化污染防控思路

通过政策法规引导焦化行业走绿色生态发展之路。自2004年发布及其后修改的《焦化行业准入条件》、打赢蓝天保卫战等政策的颁布，为焦化行业良性发展和落后设备的淘汰，焦化工业技术的提升与产业结构的调整起了指导作用。持续研究和制定适合我国国情的法规，继续发挥政策法规对焦化行业发展的引领作用。

发挥行业协会优势，整合优势资源，加大高能效和低污染技术及装备的研发，有效地解决焦化行业低能效和高污染问题，制定焦化行业污染防治技术指南，实时推广先进的煤焦化技术和最佳污染防治技术，推动焦化产业的绿色发展和转型升级。

建立焦化行业科学发展评价体系，完善对焦化企业的科学评估。通过退出转型、改造提升、兼并重组和停产整治，严控焦炭产能，促进焦化企业的良性发展。

2.3 企业层面，成熟技术的选择和新技术的研发

焦化企业大气污染的控制可以通过清洁生产实现污染物的源头减量和末端治理相结合的控制措施，提升企业的市场竞争力。企业需要做好深入系统调研，利用好现有成熟的污染减缓的防治技术。针对企业实际情况，研发焦化行业污染治理新技术和设备，引领行业发展。

对焦化企业的生产设施进行优化改造，可降低硫化物、碳化物、氰化物等物质排放量[12]。针对焦化工业废气中颗粒物、无机气态污染（SO2、NOx、NH3和HS2）和有机气态污染，文献综述了废气污染治理技术[13，14]。焦炉燃烧废气可采取低硫、低氮的清洁燃气，废气循环与多段加热相结合的低氮燃烧技术减少NOx的产生和排放。

煤气净化和化产回收工段的有机废气治理技术成为目前关注的焦点，主要采取（1）将各贮槽产生的废气集中收集送排气洗净塔进行洗涤净化，排气洗净塔通常采用酸洗、碱洗、洗油洗涤、水洗和吸附吸收等措施减少VOCs的排放。（2）设置压力平衡系统将从贮槽等化产区域收集的不含氧气的VOCs送至焦化企业自身的负压煤气管道，实现煤气的回收，此处理方法对安全措施有较高的要求。（3）将化产区域可收集的VOCs收集后，送入焦炉燃烧或其他热力焚烧设施进行处理，实现能源的利用和VOCs的有效处理。（4）在焦化行业推进LDAR，制定泵、压缩机、阀门、法兰等易发生泄漏的设备与管线组件泄漏检测与修复计划，定期检测及时修复，减少VOCs的无组织排放。

2.4 焦化工业大气污染治理存在的问题

焦化行业不仅受钢铁煤炭去过剩产能的影响，面临产能过剩、区域分布不均、市场不规范竞争等困境。同时，由于炼焦煤资源缺乏、资源配置及产业布局不合理，独立焦化企业的占比较大，集中度不高，严重影响焦化企业余热、余能的回收利用（干熄焦）、氮氧化物的控制、资源的综合利用及化产品的深加工。低能效和高污染也制约着煤焦化产业转型和发展。由于《炼焦化学工业污染物排放标准》、《焦化废水治理工程技术规范》，全面收严了焦化企业环保要求，以改善环境质量为目标的环保政策要求下，我国焦化企业环保压力明显加大[15]。目前，焦化工业业大气污染治理存在以下亟待研究和解决的问题：

1）焦炉炉门及小炉门、顶装焦炉的炉顶的装煤孔或捣固焦炉的导烟孔、上升管盖、桥管与阀体的连接处、上升管底座等无组织排放的有效治理。

2）煤气净化和化产品回收工段VOCs的收集比较薄弱，缺乏经济有效地治理措施。缺乏有效对物料输送管道、泵、压缩机、阀门、法兰等易产生挥发性有机物泄漏造成的无组织排放管控措施。

3）目前湿法熄焦仍然占据相当的比重，没有有效的针对湿熄焦过程VOCs的治理措施，对湿法熄焦过程中产生的污染物种类及其排放量有待进一步研究。