焦炉烟气脱硫脱硝技术工业化应用及工艺优化分析

郭 卉

（山西兴新安全生产技术服务有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

炼焦是对煤炭进行处理的环节之一，该环节可对煤炭的热量进行充分利用。在炼焦过程中势必会产生焦炉煤气，焦炉煤气直接排放不仅会对环境造成污染，还会导致资源的浪费[1-2]。因此，为了兼顾环境保护和资源的充分利用对焦炉煤气回收利用是非常有必要的。但是，焦炉煤气中含有的氮氧化物以及硫化物等均是影响其应用效果的因素。因此，必须对焦炉煤气进行净化处理，重点对其中的氮氧化物和二氧化硫进行去除。本文将对焦炉烟气的脱硫脱硝工艺进行研究，具体阐述如下。

1 工程概况

本文所研究焦化厂的焦炉烟气排放量为180 000 m3/h，该烟气的温度为270 ℃；所排放的焦炉烟气中二氧化硫的质量浓度为500 mg/m3，氮氧化物的质量浓度为1 500 mg/m3。为保证焦炉烟气的脱硫脱硝的效果，所选择的工艺需遵循如下原则：

1）所选择的脱硝脱硫工艺需要与本工程所排放焦炉烟气的量相匹配；

2）脱硝脱硫工艺所选择的脱硝剂和脱硫剂应具备稳定供应、低成本以及高性能的要求；

3）在保证稳定生产的前提下，要求脱硫脱硝工艺具备低成本和低运行费用的条件[3]。

结合实践生产经验，针对焦炉烟气脱硫脱硝的需求可选择的工艺路线包括有：半干法脱硫—低温SCR脱硝—余热回收—排放、低温SCR 脱硝—余热回收—半干法脱硫—布袋除尘—排尘、低温SCR 脱硝—余热回收—湿法脱硫—排放、低温SCR 脱硝—余热回收—湿法脱硫—烟气换热—排放四种[4]。结合上述四条工艺路线，并结合现场的生产条件具体确定脱硫脱硝的工艺路线。

分析如下：本工程中焦炉烟气中的二氧化硫的质量浓度500 mg/m3，不属于高硫环境，该环境不会对脱硝催化剂的活性造成影响。同时，在实际操作中脱硝要求的温度高于脱硫温度；因此，可将余热回收装置置于脱硝和脱硫工艺之间，在高效回收余热降低运行成本的同时也可保证脱硫的温度[5]。此外，综合考虑脱硝和脱硫工艺的效率、投资以及运行成本等因素，最终确定的工艺路线为：布袋除尘—低温SCR 脱硝—余热回收—湿法脱硫—排放，具体工艺流程如图1 所示。

图1 焦炉烟气脱硝脱硫工艺流程图

2 焦炉烟气脱硝脱硫工艺参数的确定

在上述确定焦炉烟气脱硝脱硫工艺路线的基础上，本节基于Aspen Plus 对上述烟气脱硫脱硝工艺参数进行模拟研究，最终得出最佳的工艺参数。

2.1 模型建立

结合图1 中的脱硫脱硝工艺流程图，为其配套基于物料平衡的反应器、基于化学平衡的反应器、动力学反应器，选择Heater 中的SIMP-HS 换热器；根据各个设备的结构参数，在Aspen Plus 中构建脱硫脱硝工艺流程的模拟图，如图2 所示。

图2 脱硝脱硫工艺流程模拟图

2.2 工艺参数的确定

基于图2 中构建的脱硝脱硫工艺流程图，对不同工艺参数对工艺系统的影响进行模拟研究；重点关注烟气流速、氨气与一氧化氮体积比对脱硝效率的影响，关注液气比和钙硫比对脱硝效率的影响。

2.2.1 脱硝关键工艺参数的确定

本次数值模拟仿真研究采用控制变量法进行研究，在保证其他工艺参数和条件不变的基础上，对不同烟气流量对脱硝效率的影响进行仿真，仿真结果如图3 所示。

图3 烟气流量对脱硝效率的影响

分析图3 可知，随着烟气流量的增加对应的焦炉烟气中的一氧化氮浓度增加，即脱硝效率降低。但是，在实际生产中考虑到运行工艺的效率，烟气流速并不能太低。因此，经研究对应的焦炉烟气中的一氧化氮流量为1.23 kmol/h，此时的脱硝效率可达84.6%。

2.2.2 氨气与一氧化氮体积比对脱硝效率的影响

在保证其他工艺参数和条件不变的基础上，对还原剂氨气的流量进行调整，对不同氨气浓度对脱硝效率的影响进行仿真分析，仿真结果见表1。

表1 不同还原剂氨气流量对脱硝效率的影响

由表1 可知，随着还原剂氨气流量的增加对应其中一氧化碳的流量减少，即说明脱硝效率增加。但是，综合对比曲线走势可以看出，当还原剂氨气流量增加到一定程度后，烟气中的一氧化氮几乎不再减少。因此，综合考虑脱硝效率和还原剂氨气的使用量，将氨气与一氧化氮的体积比控制在1.03～1.06 之间。

2.2.3 液气比对脱硝效率的影响

从理论上将，液气比将直接影响脱硝工艺中脱硫塔中的组分分配比、传动以及传质情况，进而影响脱硫工艺的反应速度和反应程度。因此，本小节在保证其他工艺参数和条件不变的基础上，通过对液气比进行调整，对不同液气比对脱硫效果的影响进行仿真分析，仿真结果如图4 所示。

图4 液气比对脱硫效率的影响

分析图4 可知，随着烟气流量的增加对应烟气中二氧化硫的浓度减小，即对应的脱硝效率增加。但是，当烟气流量增加到一定程度后二氧化硫浓度的减小幅度非常小，将对应此时的烟气流量换算为液气比为1.3。综合分析，将脱硫工艺中的液气比控制在1.3 之间，对应的脱硫效率高达99.7%。

2.2.4 钙硫比对脱硫效率的影响

在保证其他工艺参数和条件不变的基础上，调整钙硫比（物质的量之比）参数，对不同钙硫比对脱硫效率的影响进行仿真分析，仿真结果如图5 所示。

图5 不同的碳酸钙质量比对脱硫效率的影响

分析图5 可知，当碳酸钙为70 kg 时对应的钙硫比为0.5；此时烟气中的二氧化硫流量从最初的1.37 kmol/h 降低至0.023 kmol/h，硫元素对应转化为亚硫酸氢根离子和亚硫酸钙。随着钙硫比的增加对应的二氧化硫全部转化为二水合亚硫酸钙，此时的碳酸钙为137 kg。

因此，为保证二氧化硫的高效去除，同时保证转化物的稳定性，将钙硫比确定为1。

3 结语

焦炉烟气为煤炭焦化过程中产生的副产物，其中含有二氧化硫和氮氧化物等污染物，对其直接排放不仅会对环境造成污染，而且还会造成资源的浪费。但是，对焦炉烟气的再利用需要对其净化处理，本文重点对焦炉烟气的脱硫脱硝工艺进行研究。总结如下：

1）结合实际生产中烟气的参数和现场生产条件，最终确定的脱硫脱硝工艺路线为：布袋除尘—低温SCR 脱硝—余热回收—湿法脱硫—排放。

2）基于ASPEN 软件进行数值模拟研究确定的最佳工艺参数为：烟气流速确定为3.2 m/s，氨气与一氧化氮的体积比控制在1.03～1.06 之间，液气比控制在1.3 之间，钙硫比确定为1。