煤焦化過程VOCs 的排放特征分析

邢建峰

（山西省忻州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山西 忻州 034000）

0 引言

焦炭是工業(yè)領域的重要原材料，而在焦炭的生產(chǎn)過程中，煤焦化過程是不可或缺的一部分。由于煤炭材料自身理化性質(zhì)的復雜性，加之煤焦化過程通常涉及到干燥、高溫裂解干餾和固化等一系列復雜步驟，因此在煤焦化過程中，將不可避免地產(chǎn)生一定量的揮發(fā)性有機物（以下簡稱VOCs），這些物質(zhì)如不及時處理則容易造成嚴重的環(huán)境污染問題[1]。為實現(xiàn)對VOCs的有效處理，其首要任務則是對煤焦化過程中VOCs的排放特征進行研究，以此確定更具針對性的VOCs處理策略。

1 實驗方法

本次研究主要針對某地四家典型的煤化工企業(yè)進行研究，以上四家煤化工企業(yè)均以煉焦業(yè)務為主營業(yè)務，為方便研究，對其分別簡稱為TG、PF、SJ 和JD，并針對其不同生產(chǎn)工段進行采樣、檢測與數(shù)據(jù)分析[2]。

結(jié)合以上企業(yè)煉焦的主要工藝流程，本次通過對煉焦區(qū)域、化產(chǎn)回收區(qū)域和污水處理區(qū)域分別進行廢氣采集，以獲得實驗所需的VOCs 樣品。各個采樣點及污水處理廢氣排放口距離地面在15～40 m 不等，化產(chǎn)回收區(qū)域廢氣采樣點與地面的距離則控制在2 m左右。針對單個采樣點，分別采用氣袋和吸附管兩種方式進行采集，以分別完成濃度分析和組成特征分析。其中，氣袋采樣方法使用型號為2030-7 的真空箱氣袋采樣器，將采集到的廢氣保存到表面鋁箔覆蓋的3 L 采樣袋中，采樣泵流量2 L/min，進行1 min 的采集。吸附管采樣則主要使用氣泵與取樣管等裝置組成采樣系統(tǒng)，將采樣點廢氣中的VOCs 收集于Tenax 吸附管的吸附劑當中，該采樣管采樣流量為0.5 L/min，進行60 min 的采集，樣品保存方法與氣袋采樣方法相一致。

在采集到樣品后，首先對樣品進行稀釋，以確保其達到儀器檢測范圍內(nèi)的要求。本次搭建的稀釋裝置管路連接，如圖1 所示。

圖1 稀釋裝置管路連接圖

基于該管路，首先在源樣采樣袋中抽取50 mL 氣體，而后在收集氣袋中注入1 000 mL 氮氣。由此，按照設定的稀釋倍數(shù)，逐步將抽取得到的氣體注入裝有氮氣的收集袋中，并繼續(xù)在采樣袋內(nèi)注入氮氣，至采樣袋內(nèi)氣體總體積超過2 000 mL 后完成稀釋。

樣品稀釋完成后，依次使用預濃縮裝置、氣相色譜儀質(zhì)量選擇檢測器和火焰離子化檢測器進行組分濃度分析。在分析過程中，先抽取取樣袋中一定量的稀釋后氣體，使用預濃縮裝置對其進行三次預濃縮處理后進樣進入檢測器檢測，并在計算機上讀取和儲存檢測結(jié)果數(shù)據(jù)[3]。

2 煤焦化過程VOCs 的排放特征

在得到檢測數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并分別從以下幾個方面著手，對煤焦化過程中VOCs 的排放特征進行分析。

一是針對煉焦區(qū)域的VOCs 排放特征分析。根據(jù)圖譜檢測后獲知，在煉焦區(qū)域中，VOCs 組分相對較為復雜，其中占比居前十位的化合物分別為乙烯、苯、乙烷、正丁烷、甲苯、乙炔、正己烷、異丁烷、1-丁烯和丙烯，在此基礎上，對四個煉焦廠的VOCs 濃度水平與組成特征做進一步分析，分析結(jié)果如圖2 所示。

圖2 各煉焦廠焦爐煙氣VOCs 濃度水平與組成特征分析

根據(jù)圖2 中的數(shù)據(jù)可見，各個煉焦廠在焦爐煙氣VOCs 的濃度水平和組成比例上存在著一定的差異。其中TG 和SJ 的焦爐煙氣VOCs 中芳香烴占比相對更高，在JD 企業(yè)中烷烴的濃度水平則明顯偏高且與其他成分差距懸殊，而在PF 企業(yè)中，則以烯烴含量為最高。根據(jù)相關理論可知，焦爐煙氣VOCs 與燃料的不完全燃燒有關，在高溫環(huán)境下，一些小分子烴類物質(zhì)將發(fā)生復雜化學反應而轉(zhuǎn)變?yōu)榉枷銦N，由此可推斷出，煉焦過程中VOCs 的組成與各個企業(yè)煉焦工藝參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的差異有著直接的關聯(lián)。在此基礎上，進一步分析出焦煙氣中的VOCs 濃度水平，結(jié)果顯示，TG、PF、SJ 和JD 四家企業(yè)的指標分別為7.7%、16.0%、14.8%和8.5%，相對而言，TG 企業(yè)的排放量較低，就此對其煤質(zhì)進行研究后發(fā)現(xiàn)，該企業(yè)的配煤中焦煤占比較高，煤質(zhì)較優(yōu)，因此排放的VOCs 也處于較低水平。

二是對化產(chǎn)區(qū)域的VOCs 排放特征進行分析，為方便進行分析，本次僅對TG 企業(yè)的實際情況進行分析，結(jié)果顯示，化產(chǎn)區(qū)域廢氣中以烯烴組分比例最高，為58.25%，其次是芳香烴和烷烴，分別為19.78%和14.10%，炔烴占比最低，僅為7.87%。在此基礎上，對該企業(yè)化產(chǎn)區(qū)域不同工段的廢氣VOCs 濃度與組成特征分析，分析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 煉焦廠TG 化產(chǎn)區(qū)域VOCs 濃度與組成特征

根據(jù)圖3 可見，化產(chǎn)區(qū)域的不同工段VOCs 濃度與組成特征存在一定差異，在冷鼓工段和脫硫工段中，芳香烴（主要為苯）是主要的特征污染物，占比相對較高，而在粗苯工段中，烯烴（主要為乙烯）的濃度則相對更高[4]。

三是對污水處理區(qū)域的VOCs 排放特征進行研究。對該區(qū)域的VOCs 濃度整體分析后發(fā)現(xiàn)，四家焦化廠的VOCs 質(zhì)量濃度不同，以SJ 為最高，達到137.25 mg/m3，其次是TG 和PF，分別為18.84 mg/m3和10.86 mg/m3，JD 最低，為6.01 mg/m3。根據(jù)實際調(diào)查后得知，SJ 的VOCs 濃度偏高的主要原因是缺乏VOCs 處理裝置。在此基礎上，對各個焦化廠的污水處理區(qū)域VOCs 組分具體分析，分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 各焦化廠污水處理區(qū)域VOCs 組分圖

根據(jù)圖4 可知，TG、PF 和SJ 三個焦化廠在污水處理區(qū)域的廢氣組成比例基本保持一致，均為芳香烴占比最高，而JD 則與之存在顯著差異，以烷烴為占比最高。根據(jù)實地調(diào)研可知，JD 煉焦各工段中的烷烴濃度均較高，據(jù)此推斷，JD 煉焦廠烷烴釋放較多的主要原因是煉焦工藝、煉焦煤種和煤質(zhì)參數(shù)的影響。

3 相關建議

根據(jù)分析的煤焦化過程VOCs 的排放特征分析結(jié)果可知，煤焦化過程中產(chǎn)生的VOCs 組分相對較為復雜，且具體的成分及比例也通常受到各種因素的影響而出現(xiàn)顯著差異，給后續(xù)的VOCs 治理帶來較高難度[5]。針對這一問題，在今后的工作中應當采取如下措施：首先，應當加強對煤炭材料的質(zhì)量檢測，優(yōu)先選擇焦煤占比較高的材料進行焦化生產(chǎn)作業(yè)；其次，應當加強對焦化過程中的環(huán)境參數(shù)控制，避免環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)較為明顯的波動；再次，應當進一步研究VOCs處理技術(shù)，以期降低煤焦化過程產(chǎn)生的環(huán)境污染問題。

4 結(jié)語

整體來看，在本次研究中，結(jié)合某地焦化廠的煤焦化過程現(xiàn)狀，選取四家較為典型的焦化廠，分別對其在煉焦區(qū)域、化產(chǎn)區(qū)域和污水處理區(qū)域的VOCs 組分與比例進行初步分析，并對各組數(shù)據(jù)之間的差異原因進行了初步探究，由此初步確定了煤焦化過程中VOCs 的排放特征。在此基礎上，根據(jù)排放特征為后續(xù)的VOCs 處理工作提供了一定的建議參考，以期不斷提升VOCs 的治理效果。