焦化煙氣脫硫脫硝除塵一體化工藝技術探討

吳春領，徐懷兵

（中鋼集團天澄環保科技股份有限公司，武漢 430205）

我國是世界焦炭生產和消費大國，焦爐煙囪排放煙氣為焦爐燃燒后產生的廢氣，主要含有SO2、NOx及煙塵等污染物，呈有組織高架點源連續性排放。每年污染物的大量排放，使焦化工業成為大氣污染最為嚴重的行業之一[1]。

2012年6月，環保部及國家質檢總局聯合發布《煉焦化學工業污染物排放標準》（GB 16171-2012），明確規定了焦化工業大氣污染物排放標準。針對焦爐煙囪排放煙氣中SO2、NOx和顆粒物，自2015年1月1起，要求所有焦化企業焦爐煙囪排放煙氣中SO2、NOx和顆粒物濃度分別執行50 mg/Nm3、500 mg/Nm3和30 mg/Nm3排放標準，重點地區企業執行特殊地區排放限值，即SO2≤50 mg/Nm3、NOx≤150 mg/Nm3和顆粒物≤15 mg/Nm3。針對嚴格的排放要求和焦化的特殊性，本文對焦爐煙氣的脫硫脫硝除塵一體化進行了探討。

1 焦爐煙氣脫硫脫硝除塵一體化技術

煙氣脫硫脫硝一體化工藝是在整個系統內同時實現脫除SO2、NOx和粉塵的技術，具有裝置少、投資低的特點，而且可減少廢水、廢物產生[1]。

根據焦爐煙道氣溫度低、SO2、NOx呈周期性變化和鋼鐵煉焦廠可再建設空間小的特點，脫硫脫硝一體化技術受到煉焦廠的青睞。該技術可以同時為企業解決脫硫脫硝問題，對于煙氣成分比較復雜，需要同時處理SO2和NOx的企業，尤其是低溫煙氣排污領域，如焦化、鋼鐵燒結、水泥窯等不能采用傳統SCR技術的行業，是具有相當吸引力的選擇，其推廣應用前景十分廣闊。

現對邯鄲某焦化廠焦爐煙氣脫硫脫硝工程項目資料和對焦爐煙氣成分進行分析，以進行工藝路線的選取，分析如下。

首先，如選用先脫硝后脫硫時，由于焦爐入口煙氣溫度為180～240℃，受焦爐竄漏的影響，在煙道氣溫度較低時，煙氣組分反應生成的各種氨鹽類物質會析出，焦油、碳粉、煤粉、灰塵等物質與氨鹽類物質裹挾在一起，會附著在煙道及脫硝催化劑床層表面，會導致脫硝裝置阻力增加，嚴重的話影響脫硝裝置的正常運行和造成催化劑失活。

其次，若先進行低溫脫硝處理，當單獨使用焦爐煤氣時，因入口煙氣SO2濃度最高可達800 mg/Nm3，而目前國內大部分低溫催化劑能承受最高的SO2濃度均不高于50 mg/Nm3，現較高濃度的SO2將使低溫催化劑中毒、失活，故對該項目選取先脫硫后脫硝的處理工藝。

另外，針對焦爐煙氣特點和治理要求，污染物控制技術方案從安全性、技術成熟性、投資性價比及設備布置方面綜合考慮，提出最優處理方案。

1.1 焦爐SO2、顆粒物控制技術

現有焦爐煙氣脫硫技術主要有濕法脫硫、半干法脫硫和干法脫硫[2]。考慮到脫硫脫硝處理后的凈煙氣需返回原有混凝土煙囪進行熱備，要求熱備煙氣溫度≥130℃，該項目的SO2最高脫除率為96.25%。若脫硫采用濕法工藝，脫硫后的凈煙氣溫度≤55℃，后置的脫硝工藝溫度要求至少≥180℃，相當于要將煙氣升溫130℃，對于整個系統來說能耗太大，從能耗和經濟性兩方面考慮都是不可取的，故該項目不適合采用濕法脫硫工藝。經分析，為滿足脫硫后溫度降小和脫硫效率高的要求，從經濟和技術上綜合考慮，擬采用半干法（SDA法）脫硫工藝。該項目最終選用脫硫技術路線為：旋轉噴霧半干法脫硫+布袋除塵。

1.2 焦爐NOx控制技術

現有焦爐NOx控制技術主要采用燃燒后控制技術，即選擇性催化還原法（SCR）、吸收法和固體吸附法等。而SCR法采用氨作為還原劑，在催化劑的作用下，選擇性地將NOx還原成N2和H2O，是煙氣脫硝技術中脫硝效率最高、最為成熟、無二次污染源的技術，全世界約有80%的煙氣脫硝采用SCR技術。

結合焦爐煙道氣溫度低特點，本文提出在焦爐煙道氣上采用成熟的SCR脫硝技術，催化劑采用中低溫脫硝技術，適用煙氣溫度范圍為≥180℃。

2 本工程實際技術應用

2.1 項目背景

邯鄲某焦化廠現4臺焦爐為4×42孔7 m頂裝焦爐，2臺焦爐使用一個煙囪，共2個；焦爐平時使用高爐煤氣加熱，摻燒少量焦爐煤氣，摻燒量約為3%～7%，但當高爐休風或高爐煤氣管道檢修時，個別焦爐或全部焦爐倒為焦爐煤氣加熱。另外，焦爐爐墻存在竄漏現象，焦爐煙氣中的SO2、NOx含量較高而且有較大波動。

單個煙囪原始焦爐煙道氣參數如下：煙氣量302 422 Nm3/h（標態、濕基、實際氧），廢氣溫度180～240℃；煙氣中SO2濃度≤800 mg/Nm3，煙氣中NO2濃度≤1 000 mg/Nm3；煙氣中粉塵濃度≤30 mg/Nm3。為滿足《煉焦化學工業污染物排放標準》中焦爐煙囪SO2和NOx排放濃度要求，每個煙囪各設置一套焦爐煙道氣脫硫脫硝凈化裝置。

2.2 工藝技術路線

煙氣脫硫脫硝工程采用SDA（半干法脫硫）+SCR脫硝技術路線，凈煙氣送焦爐煙囪。SCR脫硝采用低塵布置形式，工藝流程如圖1所示。

焦爐煙道氣（180～240℃）通過煙道接入半干法脫硫塔（SDA塔），煙氣從脫硫塔上部煙氣分配器進入塔體，與經霧化的脫硫劑在塔內充分接觸，迅速完成物理、化學反應，達到脫除SO2及其他酸性介質的目的。脫除SO2后的干燥含塵煙氣排出脫硫塔，進入布袋除塵器進行除塵處理，煙氣中的干燥顆粒物先被濾袋過濾收集，過濾后含未反應脫硫劑的粉塵層進一步脫除煙氣中的SO2，同時吸附焦油等黏性組分。除塵后的煙氣進入脫硝反應器，NOx和噴入的氨在催化劑作用下反生催化還原反應，脫除NOx。

半干法脫硫溫降控制在30℃以內，進入脫硝段的煙氣溫度為130～210℃，利用熱風爐對煙氣加熱，使進入脫硝段的煙氣溫度保持180℃以上,滿足脫硝催化劑催化反應溫度要求。經過脫硫脫硝除塵后的潔凈煙氣由引風機輸送至焦爐煙囪排放，同時滿足煙囪熱備溫度≥130℃的要求。

2.3 技術特點

采用的“SDA半干法脫硫+低溫SCR選擇性催化還原脫硫脫硝除塵一體化”焦爐煙氣凈化工藝具有以下技術特點。

2.3.1 脫硫效率高，適用范圍廣

在脫硝前高效脫硫，不僅使脫硫處理后的煙氣SO2濃度低于30 mg/Nm3，也適應焦爐煙道氣廢氣組分的變化，為低溫高效脫硝創造條件，延長脫硝催化劑的使用壽命，降低系統運行費用。

2.3.2 可有效去除影響脫硝反應的雜質

圖1 煙氣脫硫脫硝工藝流程

利用Na2CO3溶液作為脫硫劑，采用旋轉噴霧干燥法（SDA法）進行高效低溫降煙氣脫硫，滿足SO2排放要求的同時，吸附煙氣中焦油等黏性物質，降低煙氣中SO2及其他組分對低溫催化劑的影響。脫硫效率可根據煙氣入口SO2濃度，通過調節脫硫溶液的噴入量，實現在滿足排放要求的前提下減少脫硫劑的用量，以最經濟的方式運行。

2.3.3 脫硝效率高

項目采用低溫脫硝催化劑，適用溫度為180～350℃，該項目采用的低溫催化劑通過成功的工程實例運行證明，對焦化煙氣具有很強的適用性和良好的低溫活性，180℃以上低溫脫硝效率不低于85%。

2.3.4 有效去除粉塵

在脫硝前設置除塵器，可減少煙氣中的粉塵在通過脫硝催化劑層時對催化劑表面的摩擦，延長催化劑的使用壽命，同時可以脫除煙氣中粉塵顆粒物，使系統顆粒物達標排放。

2.3.5 系統溫降低

采用半干法脫硫+低溫脫硝工藝，系統溫降小，處理后的凈煙氣煙溫≥130℃，可滿足原焦爐煙囪的熱備要求。

2.3.6 可在線更換催化劑

脫硝反應器由獨立的單元構成，可實現系統在線檢修或催化劑更換，單個單元檢修不影響其他單元的正常工作。

2.4 脫硫脫硝反應機理

2.4.1 SDA半干法脫硫技術

對負荷的變動具有良好的適應性，無廢水產生。半干法脫硫工藝采用Na2CO3飽和溶液與煙氣中的SO2進行反應，生成Na2SO4，實現SO2的脫除，化學反應為：

碳酸鈉粉末通過給料螺旋定量加入溶解罐，加水配制成一定濃度的碳酸鈉溶液，溶液經振動篩篩分后自流入溶液罐，根據原煙氣SO2濃度，由碳酸鈉漿液泵定量送入置于脫硫塔頂部的溶液頂罐，頂罐內漿液自流入脫硫塔頂部霧化器，經霧化器霧化成約50 μm的霧滴，與脫硫塔內煙氣接觸迅速完成吸收SO2等酸性氣體。碳酸鈉溶液被霧化成極細小的霧滴，大大增加了脫硫劑與SO2接觸的比表面積，反應極其迅速且有極高的脫除SO2效率。

脫硫后，干燥的粉狀顆粒隨氣流進入布袋除塵器進一步凈化處理，除塵器截留下粉塵定期外運。粗顆粒落入塔底定期外排。

2.4.2 低溫脫硝技術

中低溫催化劑在現有煙氣溫度下能達到所需的反應溫度，減少煙氣升溫耗能。脫硝段煙氣最低溫度為180℃，可滿足催化劑活性適用性要求。煙氣中90%以上NOx是以NO形式存在。脫硝系統以氨（NH3）為還原劑，在SCR催化劑作用下與煙氣中的NOx反應，生成N2和H2O，實現NOX脫除，并控制NH3的逃逸率。其間發生的化學反應如下：

脫硝采用煤氣凈化蒸氨工段產生的氨氣作為還原劑，通過外線管道接至焦爐煙氣凈化裝置區域，利用稀釋風機稀釋后，送入反應器噴氨段，與脫硫、除塵后的高溫煙氣，經充分混合后通過催化劑發生反應。氨氣流量通過煙氣負荷、出口NOx濃度及設定的NOx濃度作為反饋來修正。

2.4.3 熱風加熱技術

根據脫硫脫硝工藝流程，脫硫系統在完成反應后，有一定的溫度降低，故需對煙氣檢測溫度后，根據需要對煙氣進行加熱，以滿足后續脫硝系統要求。

2.4.4 焦爐煙道脫硫脫硝系統阻力

焦爐煙道脫硫脫硝系統由以下幾部分組成：沿程煙道、SDA脫硫塔、布袋除塵器、燃燒器和SCR脫硝反應器等。本工程脫硫脫硝的阻力損失由引風機克服，引風機設置于SCR反應器和煙囪之間，為滿足生產和脫硫脫硝需要，每套脫硫脫硝系統設置兩臺引風機。

3 結論

通過采用本文介紹的焦爐煙氣脫硫脫硝一體化工藝治理技術，使得邯鄲某焦化廠的焦爐煙道氣主要污染物SO2排放濃度≤30 mg/Nm3，脫硫率≥96.25%；顆粒物排放濃度≤15 mg/Nm3；NOx排放濃度≤150 mg/Nm3，脫硝率≥85%；各項技術指標均已達到《煉焦化學工業污染物排放標準》（GB16171-2012）中特殊地區排放限值要求。

本工程不僅具有較高的環境效益和經濟效益，產生示范效應，同時為實現我國煉焦化學工業污染物排放控制和排放總量控制、改善城市和區域空氣質量提供技術和裝備上的支撐。