焦?fàn)t煙道氣脫硫脫硝現(xiàn)狀和工藝路線探討

董艷蘋

[摘 要] 隨著環(huán)保政策的日趨嚴(yán)格，焦?fàn)t煙道氣中的SO2和NOx排放將被嚴(yán)格限制。文章簡(jiǎn)要介紹了該領(lǐng)域在技術(shù)和資金上的現(xiàn)狀以及存在的困難，從工藝流程、可能存在的問題及投資規(guī)模等方面簡(jiǎn)要分析和對(duì)比了三種不同的工藝路線。

[關(guān)鍵詞] 焦?fàn)t煙道氣；脫硫脫硝；環(huán)境；工藝路線

[DOI] 10.13939/j.cnki.zgsc.2016.28.097

1 背 景

近年來，隨著我國(guó)的環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻，政府在環(huán)保法規(guī)的制定、執(zhí)行和檢查力度方面不斷加強(qiáng)。尤其是在近幾年華北地區(qū)嚴(yán)重霧霾天氣頻現(xiàn)的狀況下，大氣污染問題成為環(huán)保的重點(diǎn)領(lǐng)域。焦化行業(yè)作為鋼鐵行業(yè)和煤化工行業(yè)的交叉領(lǐng)域，受到了來自社會(huì)和環(huán)保部門的共同關(guān)注。2015年1月1日之后，所有新建和現(xiàn)有企業(yè)都要開始執(zhí)行的《煉焦化學(xué)工業(yè)污染排放標(biāo)準(zhǔn)》[1]規(guī)定，機(jī)焦、半焦?fàn)t煙囪SO2排放濃度小于50mg/m3，NOX濃度小于500mg/m3，顆粒物濃度小于30mg/m3。在大氣污染特別排放限值地區(qū)，SO2、NOX和顆粒物的排放濃度更是達(dá)到了30mg/m3、150 mg/m3和15mg/m3。在這樣的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)下，焦?fàn)t煙道氣不經(jīng)過后續(xù)的凈化處理工序很難達(dá)標(biāo)排放，所以，焦?fàn)t煙道氣脫硫脫硝處理將成為焦化行業(yè)的一個(gè)必備工藝環(huán)節(jié)。

2 現(xiàn)狀和存在的困難

我國(guó)現(xiàn)有焦炭產(chǎn)能不低于4.43億噸[2]，對(duì)應(yīng)焦?fàn)t數(shù)量2000余座。由于這些焦?fàn)t在建設(shè)時(shí)并無相關(guān)環(huán)保要求，幾乎100%的焦?fàn)t均未同步建設(shè)煙道氣脫硫脫硝設(shè)施，均未考慮煙道氣脫硫脫硝設(shè)施接口。一些年限較近的焦?fàn)t在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中運(yùn)用了從污染物生成角度控制二氧化硫和氮氧化物形成，從而降低煙囪出口污染物排放的辦法。在控制NOX生成方面，有廢氣循環(huán)技術(shù)、分段加熱技術(shù)以及二者結(jié)合的“分段加熱+廢氣循環(huán)”技術(shù)。[3]在控制SO2排放方面，有些單位采取了盡量降低焦?fàn)t煤氣中H2S含量、提高洗苯脫苯效率、降低焦?fàn)t漏風(fēng)率等方法。[4]這些方法雖然在一定程度上可以降低污染物的生成，但受制于現(xiàn)有焦?fàn)t生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)狀況參差不齊和原料來源等問題，這些方法仍無法保證焦?fàn)t煙道氣的達(dá)標(biāo)排放。

截至2016年一季度，國(guó)內(nèi)公開資料可查的焦?fàn)t煙氣脫硫脫硝工程不足五個(gè)，涉及焦?fàn)t僅十余座。寶鋼、包鋼、山西潞安集團(tuán)等國(guó)內(nèi)大型鋼鐵、煤炭企業(yè)在此領(lǐng)域做出了積極的嘗試。一些大型的私營(yíng)鋼鐵、焦化企業(yè)結(jié)合自身情況，單獨(dú)開展了脫硫或脫硝工程。結(jié)合目前幾套已建成和在建項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為，在焦?fàn)t煙道氣脫硫脫硝的未來發(fā)展中，仍然存在著以下幾個(gè)問題。

（1）整體工藝尚待檢驗(yàn)。從目前投運(yùn)和在建項(xiàng)目看，存在著2～3種不同的工藝路線。但無論哪種工藝，工藝布置的合理性以及長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性尚需實(shí)踐檢驗(yàn)。

（2）焦?fàn)t自身狀況和運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)對(duì)工藝的影響。從工程實(shí)際看，焦?fàn)t煙道氣溫度低，給脫硝造成很大的難度。同時(shí)焦?fàn)t終生不停爐的特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)建造時(shí)的煙道竄漏等問題對(duì)脫硫脫硝工程的開展都將造成一定的影響，增加施工難度。

（3）脫硫脫硝工藝帶來的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本較高。無論現(xiàn)行的哪種工藝，脫硫脫硝改造帶來的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本令本就處在寒冬的焦化行業(yè)雪上加霜。這也是大大制約煙道氣脫硫脫硝發(fā)展的重要因素。

3 幾種不同工藝路線的比較

3.1 余熱回收+SDA（或類似干法脫硫工藝）+低溫SCR

在這種工藝中，將煙氣從原有煙道中引出后，首先經(jīng)過SDA旋轉(zhuǎn)噴霧法去除煙氣中所含的SO2、SO3等酸性氣體，然后經(jīng)過布袋除塵后將煙氣送至低溫SCR處進(jìn)行脫硝。最終處理后的煙氣送回原煙道進(jìn)行排放。[5]

這種做法充分考慮到現(xiàn)有催化劑在低溫條件下無法避免發(fā)生SO2轉(zhuǎn)化，而由SO2轉(zhuǎn)化而來的SO3更易與NH3反應(yīng)，從而生成大量亞硫銨，與煙氣中的O2反應(yīng)進(jìn)而形成硫銨，附著在催化劑表面。先行脫除SO2和SO3，從源頭上杜絕硫銨的生成，保護(hù)催化劑。這種工藝布置對(duì)于脫硝裝置的保護(hù)最為到位，脫硝失敗風(fēng)險(xiǎn)最小。國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)和工程公司已經(jīng)將類似的工藝路線應(yīng)用在實(shí)際的工程中，據(jù)公開報(bào)道，取得了良好的效果。[6]

但從工藝角度，這種以脫硝效率為保證的工藝布置方式存在一定的不合理性。

首先，焦?fàn)t正常生產(chǎn)時(shí)，煙道氣溫度為180℃～300℃，而絕大多數(shù)焦?fàn)t煙道氣溫度為200℃～230℃。[5]但這樣的煙氣溫度區(qū)間，高于旋轉(zhuǎn)噴霧法80℃～100℃的最佳反應(yīng)溫度區(qū)間。即便考慮對(duì)脫硫反應(yīng)器進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，根據(jù)近絕熱飽和溫度與反應(yīng)效率的關(guān)系，為維持溫度而降低一些脫硫反應(yīng)效率，反應(yīng)的溫度最高的也要在160℃～180℃區(qū)間。[7]這樣的反應(yīng)溫度要求煙道氣在進(jìn)入SDA裝置前進(jìn)行換熱降溫，以使煙氣溫度達(dá)到SDA能夠適應(yīng)的溫度區(qū)間。即煙道氣的溫降至少要達(dá)到20℃以上。但考慮到后續(xù)脫硝反應(yīng)還需要較高的溫度，換熱溫降要盡量小，降溫后的煙氣進(jìn)入SDA的反應(yīng)溫度區(qū)間即可。這樣的做法使得脫硫反應(yīng)在高溫低效率下進(jìn)行；同時(shí)留給余熱回收的溫差小，對(duì)能源回收的數(shù)量少，效率低。

第二，煙氣經(jīng)過脫硫后，溫度已經(jīng)降低到180℃左右，甚至更低。這樣的溫度使現(xiàn)有催化劑無法達(dá)到預(yù)期效率，需對(duì)煙氣進(jìn)行升溫。在升溫過程中，煙氣整體升溫至少在30℃左右，需要消耗外部燃料，大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

3.2 低溫SCR+余熱回收+干法/濕法脫硫

此種工藝相當(dāng)直接地借鑒了成熟的電廠脫硫脫硝流程，即直接從焦?fàn)t原有煙道抽取煙氣。煙氣直接進(jìn)入低溫SCR進(jìn)行脫硝，脫硝后的煙氣進(jìn)入余熱鍋爐進(jìn)行余熱回收，最后溫度降低后的煙氣進(jìn)入脫硫塔進(jìn)行脫硫。

此種工藝流程最為直接，直接利用煙道氣原有溫度進(jìn)行脫硝，工藝簡(jiǎn)明，余熱回收資源多、效率高。同時(shí)免去了對(duì)煙氣進(jìn)行加熱產(chǎn)生的能源消耗。同時(shí)由于脫硫工藝不受到其他工藝制約，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同的條件靈活選擇脫硫方法，因地制宜。此工藝在某焦化廠進(jìn)行了半年左右的工藝實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果。

但客觀來說，這種工藝目前也存在著一個(gè)核心問題，即低溫SCR處反應(yīng)溫度低，SO2含量高，這樣造成催化劑的工作環(huán)境極為不利。嚴(yán)苛的工作環(huán)境使得催化劑的抗硫性能、低溫性能和機(jī)械性能等都要達(dá)到較高的標(biāo)準(zhǔn)，才能達(dá)到目標(biāo)脫硝效率。這樣就造成了系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)比較集中的狀況。根據(jù)這種情況，設(shè)置一些脫硝裝置保護(hù)功能，在極端條件下增強(qiáng)對(duì)催化劑的保護(hù)，這樣能更好地降低實(shí)際應(yīng)用中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 活性焦（炭）法

活性焦法（亦稱為活性炭法）是利用活性焦自身的吸附性能，對(duì)SO2和NOX進(jìn)行物理和化學(xué)吸附，從而達(dá)到脫硫脫硝效果的一種方法。用于焦?fàn)t煙道氣脫硫脫硝時(shí)，可利用余熱鍋爐首先回收煙氣中的熱能，煙氣得到降溫后通入活性焦吸附裝置中。吸附塔可根據(jù)需要設(shè)置為兩級(jí)，首先去除煙氣中的SO2，再在煙氣中噴氨，進(jìn)入第二級(jí)脫硝吸附塔。

目前，這種方法在燒結(jié)煙氣、銅冶煉環(huán)集煙氣中已有較多成功應(yīng)用案例。但在焦?fàn)t煙道氣凈化領(lǐng)域尚無應(yīng)用，原因是受制于現(xiàn)有活性焦自身催化性能較低。經(jīng)筆者對(duì)國(guó)內(nèi)幾個(gè)已經(jīng)投運(yùn)的燒結(jié)脫硫脫硝裝置的走訪，發(fā)現(xiàn)裝置的最高脫硝效率難以達(dá)到60%，尚難以滿足大多數(shù)焦?fàn)t煙道氣脫硝的要求。

然而，筆者認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)在未來有著較大的發(fā)展?jié)摿?。因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)相對(duì)于前述的幾種技術(shù)來說，設(shè)備的集成化水平較高，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)。只要解決了脫硝效率問題，這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)將非常顯著。并且筆者近期了解到，國(guó)內(nèi)某科研院所已經(jīng)研制出實(shí)際運(yùn)行脫硝效率達(dá)到80%左右的新型活性焦產(chǎn)品[8]，所以，這項(xiàng)技術(shù)在未來兩年內(nèi)實(shí)現(xiàn)突破的可能性極大。

4 幾種工藝的投資及運(yùn)行費(fèi)用比較

目前，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)實(shí)施的幾套工程案例中，由于都帶有科研性和創(chuàng)新性，工程的整體投資均保持在較高水平。隨著各家技術(shù)的日趨成熟，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)逐漸激烈，可以預(yù)期各工藝路線的投資水平將有不同程度的下降。

在運(yùn)行費(fèi)用方面，由于實(shí)際投運(yùn)項(xiàng)目太少，一些工藝路線的項(xiàng)目尚在建設(shè)中，故實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用難以全面和準(zhǔn)確掌握。且根據(jù)焦?fàn)t煙道氣溫度會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)的特點(diǎn)和不同工程中催化劑實(shí)際運(yùn)行狀況差別較大，實(shí)際運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的煙氣加熱的費(fèi)用和催化劑損耗費(fèi)用難以憑借理論估算得出。所以目前各種工藝的運(yùn)行成本還帶有很大的不確定性和不透明性。

在投資規(guī)模差別不大的前提下，直接運(yùn)行成本和運(yùn)行穩(wěn)定性將成為決定各種方法市場(chǎng)占有率的最重要的參考因素。

5 結(jié) 論

（1）對(duì)于焦化行業(yè)來說，實(shí)施煙道氣脫硫脫硝工程存在實(shí)際的經(jīng)濟(jì)困難，技術(shù)可靠性存在顧慮，但目前幾個(gè)大型國(guó)有企業(yè)在此方面的探索將大大推進(jìn)全國(guó)焦?fàn)t煙道氣脫硫脫硝治理的進(jìn)程。

（2）對(duì)于已經(jīng)推行的兩種工藝路線來說，達(dá)標(biāo)排放的要求均可滿足，主要差異將體現(xiàn)在運(yùn)行的穩(wěn)定性和運(yùn)營(yíng)成本上。

（3）若脫硝效率問題能夠解決，活性焦法將成為最有潛力的焦?fàn)t煙道氣脫硫脫硝方法。

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