焦化行業VOCs 污染物深度治理技術及趨勢

吳昊，崔宇韜，龍紅艷，朱金偉，黃家玉，趙曉亮，譚玉玲，王凡，張辰*

（1.中國環境科學研究院大氣環境研究所，北京 100012；2.遼寧工程技術大學環境科學與工程學院，遼寧 阜新 123000）

近年來，我國焦炭行業發展迅速，焦炭產能大幅度增加。焦炭廣泛應用于國內眾多行業是鋼鐵行業的重要輔助型原材料[1]。據統計，截至2020 年年底，我國擁有焦炭產能約6.34 億t，2020 年我國焦炭產量為4.71 億t，按每噸焦炭產生2.96kgVOCs 計算，2020 年我國焦化行業共產生1.39MtVOCs[2]。焦化行業VOCs 排放點位復雜，其中VOCs 廢氣中含有較高濃度的苯類、酚類、多環和雜環芳烴等有機污染物[3—5]。焦炭生產環節是VOCs 排放的主要來源，約占我國工業生產排放VOCs 總量的十分之一，是大氣細顆粒物和臭氧污染的主要來源[6—8]。

焦化行業化產回收區域和煉焦工序等排放的VOCs 污染物濃度高、組成成分復雜，目前焦化行業常用的VOCs 末端治理方法主要有吸收法、吸附法、冷凝法和燃燒法等[9—11]。出于去除率的要求以及成本上的考慮，單一的治理方法已無法對焦化行業排放的VOCs 進行有效治理。近年來，越來越多的企業采用技術組合工藝對VOCs 進行治理[12，13]。

本文在對焦化行業VOCs 治理技術進行分析的基礎上，提出了四種焦化行業常用的組合工藝。

1 焦化行業VOCs 組合治理技術

1.1 “多級洗滌+活性炭吸附”工藝

化產回收區域為焦化行業主要的VOCs 排放區域，采用“多級洗滌+活性炭吸附”的組合方法對VOCs 廢氣進行治理（見圖1）。VOCs 要經過水洗、油洗、酸洗和堿洗的多級洗滌處理。通過水洗塔的噴淋水去除絕大部分顆粒物。經水洗后的廢氣進入油洗塔，在填料區域與洗滌液充分接觸，去除廢氣中的部分萘、蒽苯等高分子有機物及焦油揮發物。廢氣進入酸洗塔進行酸洗處理，酸洗環節可去除廢氣中的氨，最終廢氣進入堿洗塔脫除部分硫化氫、酚類等酸性物質。各洗滌塔上方設有除霧器，攔截廢氣中攜帶的液滴。經多級洗滌后，廢氣進入活性炭吸附箱進行吸附處理，凈化后將氣體排出。

圖1 “多級洗滌+活性炭吸附”工藝流程

“多級洗滌+活性炭吸附”工藝運行安全穩定。與單一吸附法相比，明顯減少了活性炭的更換頻率，提高了治理效率，同時也減少了二次污染的產生。該組合治理工藝，對中低濃度的VOCs 去除率可達90%以上，其缺點是占地面積大、操作較復雜，活性炭更換較為頻繁。

1.2 “活性炭吸附+蓄熱燃燒”工藝

“活性炭吸附+蓄熱燃燒”的組合方法較適用于高濃度、成分復雜的VOCs 廢氣處理。常用的吸附劑有活性炭、分子篩、石墨烯和金屬有機框架等，其中活性炭由于孔結構發達，具有吸附性強、穩定性強、機械強度高等優點，在工業上廣泛使用[14，15]。

圖2 是典型的“活性炭吸附+蓄熱燃燒”工藝。廢氣經過濾后去除絕大部分顆粒物，采用活性炭吸附法對VOCs 進行吸附處理，并回收其中有價值的物質，處理后進行二次利用，剩余VOCs 進入蓄熱燃燒裝置進行進一步處理。通常蓄熱燃燒裝置分為兩室、三室及多室[16，17]。通過利用助燃氣體使燃燒室溫度保持在800℃以上，將VOCs 充分氧化分解成CO2、H2O。該方法具有VOCs 去除率高、熱回收率高、二次污染小、適應性強等優點，適用于治理焦化行業排放的高濃度、成分復雜的VOCs。其缺點是需要助燃氣體，會增加碳排放量，因而僅適用于較高濃度的VOCs 廢氣處理。

圖2 “活性炭吸附+蓄熱燃燒”工藝流程

1.3 “分級干式過濾+轉輪吸附濃縮+催化燃燒”工藝

針對目前焦化行業排放的低濃度、大風量VOCs廢氣，可利用“分級干式過濾+轉輪吸附濃縮+催化燃燒”的組合方法對廢氣進行處理。工藝流程見圖3，干式過濾去除廢氣中的顆粒物后，通過輪轉對VOCs 廢氣進行處理，使其轉化為高濃度、小風量的VOCs。在催化劑的作用下，VOCs 在相對較低的溫度下進行催化燃燒反應，轉化為CO2和H2O 等無害物質。輪轉裝置常用的吸附材料為沸石分子篩。

圖3 “分級干式過濾+轉輪吸附濃縮+催化燃燒”工藝流程

該組合工藝適合處理低濃度、大風量VOCs，對VOCs 的去除率可達90%以上，可實現焦化VOCs 的深度治理。缺點是運行過程中需要大量能耗，同時增加了碳排放量。

1.4 “洗滌＋焦爐燃燒”工藝

焦化企業化產回收區域冷鼓、硫銨、脫硫等不同工段會產生大量VOCs 廢氣，含有焦油、萘、蒽、苯系物等高分子有機物可采用“洗滌+焦爐燃燒”的組合治理方法實現對VOCs 廢氣的深度治理。

通過油洗、水洗等預處理可去除廢氣中大部分的焦油、苯、萘、蒽等有機物，以及廢氣中的NH3、H2S、HCN。經水洗、油洗后的廢氣通過風機被送至焦爐地下室低氮燃燒煙氣處循環風機入口，與焦爐煙氣進行充分混合后由循環風機送至焦爐廢氣盤。焦爐燃燒室內的溫度為950℃—1100℃，廢氣中的VOCs在此溫度下充分氧化分解，生成水和二氧化碳并放出熱量。“洗滌+焦爐燃燒”工藝流程見圖4。本組合治理方法利用焦爐的高溫特性，針對化產回收區域不同工段VOCs 進行充分氧化分解，去除效率一般高于90%，最高可達98%以上，而且可充分利用廢氣VOCs 熱值，投資及運行成本相對較低，適用于幾乎所有焦化企業。

圖4 “洗滌+焦爐燃燒”工藝流程

2 結語

本文探討了了四種不同的VOCs 組合治理工藝，分析各種組合工藝的適用范圍及應用效果。文章分析認為，“洗滌+焦爐燃燒”組合治理工藝適用VOCs濃度范圍廣、去除效率高，而且可充分利用廢氣VOCs 熱值，有利于焦化行業減污降碳，是我國目前較適用于焦化行業VOCs 深度治理的組合工藝。