焦化厂焦炉烟囱二氧化硫排放浓度超标分析及治理研究

李荣

（运城市生态环境综合监测中心，山西 运城 043600）

引言

钢铁产业作为全球经济的重要支柱，在推动工业发展中扮演着关键角色。在钢铁产业发展中，由于焦化厂焦炉生产的冶金焦为高温炼铁过程中不可或缺的原料，因而焦化厂对钢铁产业的发展有着重要的作用。焦化厂炼焦需要先将烟煤装入焦炉，让烟煤在焦炉中被加热到高温，然后在这个过程中煤中的挥发性物质被驱除，留下富含碳的固体物质，即冶金焦（需要注意的是，这一干馏过程必须在隔绝空气的条件下进行，以防止煤炭燃烧）；焦炉通常使用高炉煤气或焦炉煤气作为燃料，并在焦炉的加热过程中燃烧为炼焦提供所需的高温，整个燃烧过程产生的大量且含有二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、颗粒物等的有毒废气，全部通过焦炉烟囱排出。根据相关研究，焦炉烟囱排放的SO2不仅会对周边空气质量构成威胁，同时也会增加呼吸系统疾病，影响人类健康。此外，由于环保法规的日益严格，企业若无法有效控制SO2排放，也会面临着巨大的经济压力和声誉风险[1]。因此，本研究旨在深入探讨焦炉烟囱SO2超标排放问题的同时，通过分析SO2的来源及排放影响，评估当前控制措施的效果，并探索新的改进方法。研究目标包括确定并量化焦炉SO2的主要来源、评估现有排放控制措施的有效性、提出创新的解决方案等，以更有效地减少SO2排放，期望为钢铁产业的绿色发展提供科学依据和实用建议，以及为相关政策制定提供支持。

1 工程概况

某钢铁公司地处山西省运城市，作为钢铁行业的重要参与者，拥有悠久的历史和显著的市场影响力，其以先进的生产技术和强大的生产能力在行业内占据重要地位，不仅生产的钢铁产品种类较多，而且不断追求技术创新和质量提升。此外，该钢铁公司还一直重视环境保护和可持续发展，致力于通过采用环保技术和改善工艺流程来减少环境污染。

某钢铁公司焦化厂现有2×70 孔TJL4350型复热式捣固型机焦炉2 座，即4#和5#焦炉，炭化室高7.63m 且为复热式包括3 段单集气管、3 个吸气管，干法熄焦、装煤除尘采用PROven技术，出焦除尘采用地面站，年产量为120 万t。当前该钢铁公司焦化厂4#、5#焦炉采用高炉煤气与焦炉煤气94:6 掺混的混合煤气做为燃料，加热燃烧以优化燃料的利用效率，同时减少污染气体的排放。4#、5#焦炉产生的污染废气主要为SO2，因此降低SO2排放浓度对改善区域空气质量和保护区域环境具有重要意义。

在4#、5#焦炉烟囱安装烟气在线监测CEMS 系统，对烟气中的SO2浓度、NOx浓度进行实时在线监测。从2020 年5 月的SO2排放浓度数据可知，SO2每小时排放浓度处于48～102mg/m3之间，SO2月平均排放浓度为69mg/m3，SO2排放浓度超过《炼焦化学工业污染物排放标准》（GB16171-2012）表5 中的大气污染物特别排放限值规定的焦炉烟囱不大于50mg/m3的规定，同时SO2超标排放问题已引发周边居民的多次环保投诉。因此，某钢铁公司焦化厂4#、5#焦炉急需有针对性的进行技术改造、提高运营效率、引入更有效的污染控制技术等，对4#、5#焦炉烟囱SO2排放浓度超标问题进行治理，降低焦炉烟囱中SO2排放浓度并使其符合环保法规的排放要求[2]。

2 焦炉烟囱SO2 来源分析

从硫元素的源头分析可知，某钢铁公司焦化厂4#、5#焦炉烟囱中排放到大气中含有SO2污染物的废气来源主要有2 种可能性。一是在焦炉燃气燃烧时，燃气原料中含有硫元素，燃烧生成SO2；二是煤料泄漏进入燃烧室，煤料含有的硫元素在高温条件下燃烧生成SO2。

2.1 焦炉加热煤气对焦炉烟囱SO2 含量的影响

某钢铁公司焦化厂4#、5#焦炉加热煤气采用高炉煤气与焦炉煤气掺混的混合煤气，且高炉煤气为该钢铁公司炼铁过程中的副产品，其硫分主要以硫化氢（H2S）的形式存在，经检测高炉煤气中H2S 浓度仅为3.8mg/m3，对焦炉煤气来说是一种硫含量较低的高炉煤气。高炉煤气在燃烧过程中，H2S 燃烧会被氧化成SO2，考虑到实际的空气过剩系数，H2S 对烟囱废气中SO2浓度的贡献值在0.9～1.2 倍之间，表明高炉煤气中H2S 燃烧后全部转化为SO2，且废气中SO2的浓度在3.8mg/m3左右。目前，由于仪器技术的限制，准确测量H2S 到SO2的转化率还存在一定困难，因而会导致实际操作中对SO2排放量的估算存在一定的不确定性。另外，由于高炉煤气的成分是外部决定的，对于焦炉管理而言，这些成分是无法控制的。因此，考虑高炉煤气成分对SO2排放的影响较小及测量存在不确性，在当前阶段不作为研究的主要问题[3]。

加热煤气掺混焦炉煤气中的硫元素总量在150～200mg/m3之间，平均含量约180mg/m3。当前某钢铁公司焦化厂4#、5#焦炉加入加热煤气总量为140000m3/h，掺混比例按6%计算，焦炉煤气用量为8400m3/h，焦炉煤气燃烧后硫元素全部转化为SO2进入排入烟气中。按空气系数1.4 计算，混合加热煤气可产生2.12m3废气，则焦炉烟囱中SO2含量约为12.8mg/m3。这表明，尽管焦炉煤气中硫元素总量较大，但由于其掺混比例仅为9%，因此焦炉烟囱中排放的SO2含量也在较低水平。综合来看，某钢铁公司焦化厂4#、5#焦炉加热煤气对焦炉烟囱SO2含量的影响较小，且焦炉加热煤气也不是导致4#、5#焦炉烟囱SO2排放超标问题的因素。

2.2 焦炉炉体窜漏对焦炉烟囱SO2 浓度的影响

焦炉炉体窜漏是指由于焦炉炉体结构缺陷、老化或操作不当导致的气体和物料的非正常泄漏。生产运行期间由于炉体结构的不完全密封，装入碳化室内的配煤隔绝空气干馏生成的一部分荒煤气通过焦炉炉体的砖缝直接泄漏至燃烧室，且这种窜漏现象也会导致部分未经处理的荒煤气直接进入燃烧室，进而影响烟气的成分，提高SO2的排放浓度。此外，窜漏还会导致炉内温度不稳定，进一步加剧SO2的生成。

在煤的干馏过程中，大约有15%～35%的硫转入荒煤气中，以H2S 的形式存在，其余为有机硫，同时炉体窜漏导致的荒煤气直接燃烧并使这部分硫变成SO2并进入烟气。当前某钢铁公司焦化厂4#焦炉炭化室的荒煤气漏气率未超过3%，表明绝大多数荒煤气被收集和处理，只有小部分通过窜漏进入燃烧室。

荒煤气的实际产率约为500000 m3/h，可通过量化的基础来估算由于窜漏可能会造成SO2排放。根据某钢铁公司焦化厂4#焦炉装炉煤全硫含量的情况，通过H2S 的含量与装炉煤全硫含量St,d的关系可知，荒煤气中H2S 的含量可用6g/m3取值进行计算，得到理论可产生的焦炉烟囱中SO2含量约为60.2mg/m3。因此，焦炉炉体窜漏因素对焦炉烟囱SO2浓度的影响较大，可导致焦炉烟囱中的SO2浓度超标。理论上计算得到的焦炉烟囱中总SO2含量为12.8+60.2=73mg/m3，与烟气在线监测CEMS 系统监测值基本保持一致，符合实际生产情况。

综上所述，焦炉炉体窜漏是导致某钢铁公司焦化厂4#、5#焦炉烟囱中SO2浓度超标排放的关键因素，因此需要针对焦炉炉体窜漏进行针对性的治理，以减少窜漏现象，降低SO2的排放。

3 焦炉烟囱SO2 排放浓度超标的治理措施研究

本研究对某钢铁公司焦化厂4#、5#焦炉烟囱SO2来源进行分析，研究焦炉加热煤气和焦炉炉体窜漏对焦炉烟囱SO2含量的影响，并在此基础上提出焦炉烟囱SO2排放浓度超标的治理措施[4]。

3.1 优化加热焦炉煤气脱硫工艺

在治理焦炉烟囱SO2排放浓度超标的过程中，优化加热焦炉煤气脱硫工艺是关键步骤之一。针对某钢铁公司焦化厂化产作业区的现场具体情况，采用脱硫工艺优化措施，提高脱硫效果，有效降低掺混焦炉煤气的含硫总量，实现降低焦炉烟囱中SO2排放浓度的目的。一是改进脱硫剂，使用硫醇基吸收剂、活性炭基材料等更高效的脱硫剂，其中活性炭因其高比表面积和多孔结构，具有良好的吸附性能，能有效去除煤气中的硫化物，实践应用效果理想。二是优化脱硫工艺参数，精确控制脱硫塔的操作参数，如温度、压力和流速等，可有效确保最佳脱硫效果。三是增加吸收剂的循环量和接触时间，提高吸收效率。四是定期维护和清理脱硫系统，以防止堵塞和磨损，确保系统运行效率。五是引入智能自动控制和监测系统，实时监控脱硫工艺的效果，及时调整操作参数应对原料和操作条件的变化。

3.2 采用炭化室空压密封技术控制炭化室漏气率

为有效降低焦炉烟囱SO2排放浓度，提出并采用了用于控制焦炉炭化室漏气的高效方法，即炭化室空压密封技术。这种技术的关键在于使用压缩空气来创建密封层，从而减少或防止炭化室的气体泄漏[5]。

3.2.1 炭化室空压密封技术原理

在焦炉炭化室的门和框架之间，通过特制的密封系统输入压缩空气，让这些压缩空气在门框和炭化室之间形成高压气体层，可有效阻止炭化室内的气体泄漏到外部环境。

3.2.2 炭化室空压密封技术优点

通过有效密封，可显著减少炭化室的漏气率，提高炼焦效率；减少污染，并减少未燃烧气体的泄漏，从而降低有害气体（如SO2）的排放；减轻潜在的爆炸危险，增加工作环境的安全性；减少热量损失，提高能源整体利用效率。

3.2.3 应用炭化室空压密封技术降低SO2排放浓度

炭化室空压密封技术特别适用于那些需要提高炼焦效率和环保标准的现代化焦化厂，可显著改善焦炉的运行效率和环境性能，是现代焦化厂提高生产效率和符合环保要求的有效手段之一。对某钢铁公司焦化厂4#、5#焦炉进行改造，安装必要的空压密封设备和控制系统；对操作人员进行相应的培训，以熟悉新系统的运行和维护；定期检查和维护密封系统，确保其持续有效地运行；实施适当的监控措施，以评估密封效果并及时调整操作参数。因此，应用炭化室空压密封技术能有效降低焦炉烟囱SO2排放浓度，达到排放标准。

3.3 合理设定系统换向周期及交换时间

在焦炉操作中，系统换向周期和交换时间是影响热效率和燃烧完全性的关键因素，进而对SO2排放产生重要影响。换向周期是指焦炉在2 个操作状态之间转换的时间间隔，而交换时间是指完成这一转换所需的具体时间。

在焦炉运行中，系统交换是指从一炭化室向另一炭化室转换加热气流的过程，通常会导致煤气流动性和燃烧条件的短暂变化。从焦炉烟囱SO2排放浓度在线监测曲线可知，每次系统交换之后SO2浓度都会急剧升高，可能是由于交换过程中未完全燃烧的煤气被快速排放到烟囱中导致，因此可通过增加换向周期的办法来降低SO2排放浓度。通过将换向周期从20min 增加到30min，减少每小时内的换向次数，从而减少SO2浓度的波动和峰值。这种操作方式有助于平稳煤气流动和燃烧过程，减少由于交换导致的煤气和空气比例失衡。某钢铁公司焦化厂4#、5#焦炉共用一处烟囱，调整换向周期对于减少SO2排放尤其重要，这可直接影响到2 座炭化室的排放。而同步或优化2座焦炉的换向周期，也可以进一步减少烟囱中SO2浓度的波动，有效地降低每小时SO2排放的平均浓度，对达到环保标准和减少对环境的影响非常有益。

通过在系统交换时适当延长停煤气、空气与废气交换2 个动作时间间隔的办法降低SO2排放浓度。其中，通过延长停煤气和空气交换的时间间隔，可确保焦炉中残余的煤气得到充分燃烧，有助于减少烟囱排放中未燃烧煤气的量，从而降低SO2的生成；通过延长废气交换时间，可使燃烧后的废气更完全地排出系统，减少换向后SO2浓度的波峰高度，从而有效降低每小时的SO2排放平均浓度。

降低污染物排放，虽然有助于减少因燃烧不完全或交换过程中气体混合不均匀导致的污染物排放，特别是SO2的排放，但实施这种策略需要考虑焦炉的运行特性和实际操作条件。操作人员需要根据煤气的性质和燃烧特点来确定最佳的停煤气和交换时间，同时对这种操作调整进行严格的监控和评估，在不影响焦炉的其他操作效率的情况下，确保所采取的措施能够有效降低SO2排放。

总体来说，适当调整系统交换过程中的操作步骤，特别是延长停煤气、空气与废气交换的时间间隔，是控制和降低焦炉烟囱SO2排放浓度的有效方法之一，有助于环保合规和提升整体操作效率。

3.4 采用SDS 干法脱硫工艺技术对末端焦炉烟囱做最终处理

为进一步降低某钢铁公司焦化厂4#、5#焦炉烟囱的SO2排放，提出采用“SDS 干法脱硫工艺+中低温SCR 脱硝技术”，通过干粉吸收剂与烟气中的SO2反应，实现SO2的高效去除。SDS 干法脱硫的关键在于其高效的反应机制和简便的操作流程，与湿法脱硫相比，SDS 干法脱硫具有运行成本低、设备维护要求简单、对环境的影响小等优点。采用SDS 干法脱硫工艺技术对末端焦炉烟囱做最终处理后，焦炉烟囱的SO2排放浓度可降低至40mg/m3左右，完全符合GB16171-2012 的排放要求，效果理想。

结语

上述研究通对山西省运城市某钢铁公司焦化厂4#、5#焦炉烟囱SO2排放情况进行深入分析，采用优化加热煤气脱硫工艺、控制炭化室漏气率、合理设定系统换向周期及采用SDS干法脱硫技术等治理措施，有效降低了SO2排放浓度，治理后焦炉烟囱SO2排放浓度降低至40mg/m3左右，完全符合GB16171-2012 的排放要求。但实现可持续的环境保护和产业发展，需要行业、政府和社会各界的持续努力和合作，因此基于研究结果，未来还应进行进一步的技术创新、政策调整和行业实践改进。