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煤焦化过程VOCs 的排放特征分析

2024-03-20邢建峰

山西化工 2024年2期
关键词:炼焦工段特征分析

邢建峰

(山西省忻州生态环境监测中心,山西 忻州 034000)

0 引言

焦炭是工业领域的重要原材料,而在焦炭的生产过程中,煤焦化过程是不可或缺的一部分。由于煤炭材料自身理化性质的复杂性,加之煤焦化过程通常涉及到干燥、高温裂解干馏和固化等一系列复杂步骤,因此在煤焦化过程中,将不可避免地产生一定量的挥发性有机物(以下简称VOCs),这些物质如不及时处理则容易造成严重的环境污染问题[1]。为实现对VOCs的有效处理,其首要任务则是对煤焦化过程中VOCs的排放特征进行研究,以此确定更具针对性的VOCs处理策略。

1 实验方法

本次研究主要针对某地四家典型的煤化工企业进行研究,以上四家煤化工企业均以炼焦业务为主营业务,为方便研究,对其分别简称为TG、PF、SJ 和JD,并针对其不同生产工段进行采样、检测与数据分析[2]。

结合以上企业炼焦的主要工艺流程,本次通过对炼焦区域、化产回收区域和污水处理区域分别进行废气采集,以获得实验所需的VOCs 样品。各个采样点及污水处理废气排放口距离地面在15~40 m 不等,化产回收区域废气采样点与地面的距离则控制在2 m左右。针对单个采样点,分别采用气袋和吸附管两种方式进行采集,以分别完成浓度分析和组成特征分析。其中,气袋采样方法使用型号为2030-7 的真空箱气袋采样器,将采集到的废气保存到表面铝箔覆盖的3 L 采样袋中,采样泵流量2 L/min,进行1 min 的采集。吸附管采样则主要使用气泵与取样管等装置组成采样系统,将采样点废气中的VOCs 收集于Tenax 吸附管的吸附剂当中,该采样管采样流量为0.5 L/min,进行60 min 的采集,样品保存方法与气袋采样方法相一致。

在采集到样品后,首先对样品进行稀释,以确保其达到仪器检测范围内的要求。本次搭建的稀释装置管路连接,如图1 所示。

图1 稀释装置管路连接图

基于该管路,首先在源样采样袋中抽取50 mL 气体,而后在收集气袋中注入1 000 mL 氮气。由此,按照设定的稀释倍数,逐步将抽取得到的气体注入装有氮气的收集袋中,并继续在采样袋内注入氮气,至采样袋内气体总体积超过2 000 mL 后完成稀释。

样品稀释完成后,依次使用预浓缩装置、气相色谱仪质量选择检测器和火焰离子化检测器进行组分浓度分析。在分析过程中,先抽取取样袋中一定量的稀释后气体,使用预浓缩装置对其进行三次预浓缩处理后进样进入检测器检测,并在计算机上读取和储存检测结果数据[3]。

2 煤焦化过程VOCs 的排放特征

在得到检测数据后,对数据统计分析,并分别从以下几个方面着手,对煤焦化过程中VOCs 的排放特征进行分析。

一是针对炼焦区域的VOCs 排放特征分析。根据图谱检测后获知,在炼焦区域中,VOCs 组分相对较为复杂,其中占比居前十位的化合物分别为乙烯、苯、乙烷、正丁烷、甲苯、乙炔、正己烷、异丁烷、1-丁烯和丙烯,在此基础上,对四个炼焦厂的VOCs 浓度水平与组成特征做进一步分析,分析结果如图2 所示。

图2 各炼焦厂焦炉烟气VOCs 浓度水平与组成特征分析

根据图2 中的数据可见,各个炼焦厂在焦炉烟气VOCs 的浓度水平和组成比例上存在着一定的差异。其中TG 和SJ 的焦炉烟气VOCs 中芳香烃占比相对更高,在JD 企业中烷烃的浓度水平则明显偏高且与其他成分差距悬殊,而在PF 企业中,则以烯烃含量为最高。根据相关理论可知,焦炉烟气VOCs 与燃料的不完全燃烧有关,在高温环境下,一些小分子烃类物质将发生复杂化学反应而转变为芳香烃,由此可推断出,炼焦过程中VOCs 的组成与各个企业炼焦工艺参数和环境参数的差异有着直接的关联。在此基础上,进一步分析出焦烟气中的VOCs 浓度水平,结果显示,TG、PF、SJ 和JD 四家企业的指标分别为7.7%、16.0%、14.8%和8.5%,相对而言,TG 企业的排放量较低,就此对其煤质进行研究后发现,该企业的配煤中焦煤占比较高,煤质较优,因此排放的VOCs 也处于较低水平。

二是对化产区域的VOCs 排放特征进行分析,为方便进行分析,本次仅对TG 企业的实际情况进行分析,结果显示,化产区域废气中以烯烃组分比例最高,为58.25%,其次是芳香烃和烷烃,分别为19.78%和14.10%,炔烃占比最低,仅为7.87%。在此基础上,对该企业化产区域不同工段的废气VOCs 浓度与组成特征分析,分析结果如图3 所示。

图3 炼焦厂TG 化产区域VOCs 浓度与组成特征

根据图3 可见,化产区域的不同工段VOCs 浓度与组成特征存在一定差异,在冷鼓工段和脱硫工段中,芳香烃(主要为苯)是主要的特征污染物,占比相对较高,而在粗苯工段中,烯烃(主要为乙烯)的浓度则相对更高[4]。

三是对污水处理区域的VOCs 排放特征进行研究。对该区域的VOCs 浓度整体分析后发现,四家焦化厂的VOCs 质量浓度不同,以SJ 为最高,达到137.25 mg/m3,其次是TG 和PF,分别为18.84 mg/m3和10.86 mg/m3,JD 最低,为6.01 mg/m3。根据实际调查后得知,SJ 的VOCs 浓度偏高的主要原因是缺乏VOCs 处理装置。在此基础上,对各个焦化厂的污水处理区域VOCs 组分具体分析,分析结果如图4 所示。

图4 各焦化厂污水处理区域VOCs 组分图

根据图4 可知,TG、PF 和SJ 三个焦化厂在污水处理区域的废气组成比例基本保持一致,均为芳香烃占比最高,而JD 则与之存在显著差异,以烷烃为占比最高。根据实地调研可知,JD 炼焦各工段中的烷烃浓度均较高,据此推断,JD 炼焦厂烷烃释放较多的主要原因是炼焦工艺、炼焦煤种和煤质参数的影响。

3 相关建议

根据分析的煤焦化过程VOCs 的排放特征分析结果可知,煤焦化过程中产生的VOCs 组分相对较为复杂,且具体的成分及比例也通常受到各种因素的影响而出现显著差异,给后续的VOCs 治理带来较高难度[5]。针对这一问题,在今后的工作中应当采取如下措施:首先,应当加强对煤炭材料的质量检测,优先选择焦煤占比较高的材料进行焦化生产作业;其次,应当加强对焦化过程中的环境参数控制,避免环境参数出现较为明显的波动;再次,应当进一步研究VOCs处理技术,以期降低煤焦化过程产生的环境污染问题。

4 结语

整体来看,在本次研究中,结合某地焦化厂的煤焦化过程现状,选取四家较为典型的焦化厂,分别对其在炼焦区域、化产区域和污水处理区域的VOCs 组分与比例进行初步分析,并对各组数据之间的差异原因进行了初步探究,由此初步确定了煤焦化过程中VOCs 的排放特征。在此基础上,根据排放特征为后续的VOCs 处理工作提供了一定的建议参考,以期不断提升VOCs 的治理效果。

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