焦化廠焦爐煙囪二氧化硫排放濃度超標分析及治理研究

李榮

（運城市生態環境綜合監測中心，山西 運城 043600）

引言

鋼鐵產業作為全球經濟的重要支柱，在推動工業發展中扮演著關鍵角色。在鋼鐵產業發展中，由于焦化廠焦爐生產的冶金焦為高溫煉鐵過程中不可或缺的原料，因而焦化廠對鋼鐵產業的發展有著重要的作用。焦化廠煉焦需要先將煙煤裝入焦爐，讓煙煤在焦爐中被加熱到高溫，然后在這個過程中煤中的揮發性物質被驅除，留下富含碳的固體物質，即冶金焦（需要注意的是，這一干餾過程必須在隔絕空氣的條件下進行，以防止煤炭燃燒）；焦爐通常使用高爐煤氣或焦爐煤氣作為燃料，并在焦爐的加熱過程中燃燒為煉焦提供所需的高溫，整個燃燒過程產生的大量且含有二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、顆粒物等的有毒廢氣，全部通過焦爐煙囪排出。根據相關研究，焦爐煙囪排放的SO2不僅會對周邊空氣質量構成威脅，同時也會增加呼吸系統疾病，影響人類健康。此外，由于環保法規的日益嚴格，企業若無法有效控制SO2排放，也會面臨著巨大的經濟壓力和聲譽風險[1]。因此，本研究旨在深入探討焦爐煙囪SO2超標排放問題的同時，通過分析SO2的來源及排放影響，評估當前控制措施的效果，并探索新的改進方法。研究目標包括確定并量化焦爐SO2的主要來源、評估現有排放控制措施的有效性、提出創新的解決方案等，以更有效地減少SO2排放，期望為鋼鐵產業的綠色發展提供科學依據和實用建議，以及為相關政策制定提供支持。

1 工程概況

某鋼鐵公司地處山西省運城市，作為鋼鐵行業的重要參與者，擁有悠久的歷史和顯著的市場影響力，其以先進的生產技術和強大的生產能力在行業內占據重要地位，不僅生產的鋼鐵產品種類較多，而且不斷追求技術創新和質量提升。此外，該鋼鐵公司還一直重視環境保護和可持續發展，致力于通過采用環保技術和改善工藝流程來減少環境污染。

某鋼鐵公司焦化廠現有2×70 孔TJL4350型復熱式搗固型機焦爐2 座，即4#和5#焦爐，炭化室高7.63m 且為復熱式包括3 段單集氣管、3 個吸氣管，干法熄焦、裝煤除塵采用PROven技術，出焦除塵采用地面站，年產量為120 萬t。當前該鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦爐采用高爐煤氣與焦爐煤氣94:6 摻混的混合煤氣做為燃料，加熱燃燒以優化燃料的利用效率，同時減少污染氣體的排放。4#、5#焦爐產生的污染廢氣主要為SO2，因此降低SO2排放濃度對改善區域空氣質量和保護區域環境具有重要意義。

在4#、5#焦爐煙囪安裝煙氣在線監測CEMS 系統，對煙氣中的SO2濃度、NOx濃度進行實時在線監測。從2020 年5 月的SO2排放濃度數據可知，SO2每小時排放濃度處于48～102mg/m3之間，SO2月平均排放濃度為69mg/m3，SO2排放濃度超過《煉焦化學工業污染物排放標準》（GB16171-2012）表5 中的大氣污染物特別排放限值規定的焦爐煙囪不大于50mg/m3的規定，同時SO2超標排放問題已引發周邊居民的多次環保投訴。因此，某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦爐急需有針對性的進行技術改造、提高運營效率、引入更有效的污染控制技術等，對4#、5#焦爐煙囪SO2排放濃度超標問題進行治理，降低焦爐煙囪中SO2排放濃度并使其符合環保法規的排放要求[2]。

2 焦爐煙囪SO2 來源分析

從硫元素的源頭分析可知，某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦爐煙囪中排放到大氣中含有SO2污染物的廢氣來源主要有2 種可能性。一是在焦爐燃氣燃燒時，燃氣原料中含有硫元素，燃燒生成SO2；二是煤料泄漏進入燃燒室，煤料含有的硫元素在高溫條件下燃燒生成SO2。

2.1 焦爐加熱煤氣對焦爐煙囪SO2 含量的影響

某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦爐加熱煤氣采用高爐煤氣與焦爐煤氣摻混的混合煤氣，且高爐煤氣為該鋼鐵公司煉鐵過程中的副產品，其硫分主要以硫化氫（H2S）的形式存在，經檢測高爐煤氣中H2S 濃度僅為3.8mg/m3，對焦爐煤氣來說是一種硫含量較低的高爐煤氣。高爐煤氣在燃燒過程中，H2S 燃燒會被氧化成SO2，考慮到實際的空氣過剩系數，H2S 對煙囪廢氣中SO2濃度的貢獻值在0.9～1.2 倍之間，表明高爐煤氣中H2S 燃燒后全部轉化為SO2，且廢氣中SO2的濃度在3.8mg/m3左右。目前，由于儀器技術的限制，準確測量H2S 到SO2的轉化率還存在一定困難，因而會導致實際操作中對SO2排放量的估算存在一定的不確定性。另外，由于高爐煤氣的成分是外部決定的，對于焦爐管理而言，這些成分是無法控制的。因此，考慮高爐煤氣成分對SO2排放的影響較小及測量存在不確性，在當前階段不作為研究的主要問題[3]。

加熱煤氣摻混焦爐煤氣中的硫元素總量在150～200mg/m3之間，平均含量約180mg/m3。當前某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦爐加入加熱煤氣總量為140000m3/h，摻混比例按6%計算，焦爐煤氣用量為8400m3/h，焦爐煤氣燃燒后硫元素全部轉化為SO2進入排入煙氣中。按空氣系數1.4 計算，混合加熱煤氣可產生2.12m3廢氣，則焦爐煙囪中SO2含量約為12.8mg/m3。這表明，盡管焦爐煤氣中硫元素總量較大，但由于其摻混比例僅為9%，因此焦爐煙囪中排放的SO2含量也在較低水平。綜合來看，某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦爐加熱煤氣對焦爐煙囪SO2含量的影響較小，且焦爐加熱煤氣也不是導致4#、5#焦爐煙囪SO2排放超標問題的因素。

2.2 焦爐爐體竄漏對焦爐煙囪SO2 濃度的影響

焦爐爐體竄漏是指由于焦爐爐體結構缺陷、老化或操作不當導致的氣體和物料的非正常泄漏。生產運行期間由于爐體結構的不完全密封，裝入碳化室內的配煤隔絕空氣干餾生成的一部分荒煤氣通過焦爐爐體的磚縫直接泄漏至燃燒室，且這種竄漏現象也會導致部分未經處理的荒煤氣直接進入燃燒室，進而影響煙氣的成分，提高SO2的排放濃度。此外，竄漏還會導致爐內溫度不穩定，進一步加劇SO2的生成。

在煤的干餾過程中，大約有15%～35%的硫轉入荒煤氣中，以H2S 的形式存在，其余為有機硫，同時爐體竄漏導致的荒煤氣直接燃燒并使這部分硫變成SO2并進入煙氣。當前某鋼鐵公司焦化廠4#焦爐炭化室的荒煤氣漏氣率未超過3%，表明絕大多數荒煤氣被收集和處理，只有小部分通過竄漏進入燃燒室。

荒煤氣的實際產率約為500000 m3/h，可通過量化的基礎來估算由于竄漏可能會造成SO2排放。根據某鋼鐵公司焦化廠4#焦爐裝爐煤全硫含量的情況，通過H2S 的含量與裝爐煤全硫含量St,d的關系可知，荒煤氣中H2S 的含量可用6g/m3取值進行計算，得到理論可產生的焦爐煙囪中SO2含量約為60.2mg/m3。因此，焦爐爐體竄漏因素對焦爐煙囪SO2濃度的影響較大，可導致焦爐煙囪中的SO2濃度超標。理論上計算得到的焦爐煙囪中總SO2含量為12.8+60.2=73mg/m3，與煙氣在線監測CEMS 系統監測值基本保持一致，符合實際生產情況。

綜上所述，焦爐爐體竄漏是導致某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦爐煙囪中SO2濃度超標排放的關鍵因素，因此需要針對焦爐爐體竄漏進行針對性的治理，以減少竄漏現象，降低SO2的排放。

3 焦爐煙囪SO2 排放濃度超標的治理措施研究

本研究對某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦爐煙囪SO2來源進行分析，研究焦爐加熱煤氣和焦爐爐體竄漏對焦爐煙囪SO2含量的影響，并在此基礎上提出焦爐煙囪SO2排放濃度超標的治理措施[4]。

3.1 優化加熱焦爐煤氣脫硫工藝

在治理焦爐煙囪SO2排放濃度超標的過程中，優化加熱焦爐煤氣脫硫工藝是關鍵步驟之一。針對某鋼鐵公司焦化廠化產作業區的現場具體情況，采用脫硫工藝優化措施，提高脫硫效果，有效降低摻混焦爐煤氣的含硫總量，實現降低焦爐煙囪中SO2排放濃度的目的。一是改進脫硫劑，使用硫醇基吸收劑、活性炭基材料等更高效的脫硫劑，其中活性炭因其高比表面積和多孔結構，具有良好的吸附性能，能有效去除煤氣中的硫化物，實踐應用效果理想。二是優化脫硫工藝參數，精確控制脫硫塔的操作參數，如溫度、壓力和流速等，可有效確保最佳脫硫效果。三是增加吸收劑的循環量和接觸時間，提高吸收效率。四是定期維護和清理脫硫系統，以防止堵塞和磨損，確保系統運行效率。五是引入智能自動控制和監測系統，實時監控脫硫工藝的效果，及時調整操作參數應對原料和操作條件的變化。

3.2 采用炭化室空壓密封技術控制炭化室漏氣率

為有效降低焦爐煙囪SO2排放濃度，提出并采用了用于控制焦爐炭化室漏氣的高效方法，即炭化室空壓密封技術。這種技術的關鍵在于使用壓縮空氣來創建密封層，從而減少或防止炭化室的氣體泄漏[5]。

3.2.1 炭化室空壓密封技術原理

在焦爐炭化室的門和框架之間，通過特制的密封系統輸入壓縮空氣，讓這些壓縮空氣在門框和炭化室之間形成高壓氣體層，可有效阻止炭化室內的氣體泄漏到外部環境。

3.2.2 炭化室空壓密封技術優點

通過有效密封，可顯著減少炭化室的漏氣率，提高煉焦效率；減少污染，并減少未燃燒氣體的泄漏，從而降低有害氣體（如SO2）的排放；減輕潛在的爆炸危險，增加工作環境的安全性；減少熱量損失，提高能源整體利用效率。

3.2.3 應用炭化室空壓密封技術降低SO2排放濃度

炭化室空壓密封技術特別適用于那些需要提高煉焦效率和環保標準的現代化焦化廠，可顯著改善焦爐的運行效率和環境性能，是現代焦化廠提高生產效率和符合環保要求的有效手段之一。對某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦爐進行改造，安裝必要的空壓密封設備和控制系統；對操作人員進行相應的培訓，以熟悉新系統的運行和維護；定期檢查和維護密封系統，確保其持續有效地運行；實施適當的監控措施，以評估密封效果并及時調整操作參數。因此，應用炭化室空壓密封技術能有效降低焦爐煙囪SO2排放濃度，達到排放標準。

3.3 合理設定系統換向周期及交換時間

在焦爐操作中，系統換向周期和交換時間是影響熱效率和燃燒完全性的關鍵因素，進而對SO2排放產生重要影響。換向周期是指焦爐在2 個操作狀態之間轉換的時間間隔，而交換時間是指完成這一轉換所需的具體時間。

在焦爐運行中，系統交換是指從一炭化室向另一炭化室轉換加熱氣流的過程，通常會導致煤氣流動性和燃燒條件的短暫變化。從焦爐煙囪SO2排放濃度在線監測曲線可知，每次系統交換之后SO2濃度都會急劇升高，可能是由于交換過程中未完全燃燒的煤氣被快速排放到煙囪中導致，因此可通過增加換向周期的辦法來降低SO2排放濃度。通過將換向周期從20min 增加到30min，減少每小時內的換向次數，從而減少SO2濃度的波動和峰值。這種操作方式有助于平穩煤氣流動和燃燒過程，減少由于交換導致的煤氣和空氣比例失衡。某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦爐共用一處煙囪，調整換向周期對于減少SO2排放尤其重要，這可直接影響到2 座炭化室的排放。而同步或優化2座焦爐的換向周期，也可以進一步減少煙囪中SO2濃度的波動，有效地降低每小時SO2排放的平均濃度，對達到環保標準和減少對環境的影響非常有益。

通過在系統交換時適當延長停煤氣、空氣與廢氣交換2 個動作時間間隔的辦法降低SO2排放濃度。其中，通過延長停煤氣和空氣交換的時間間隔，可確保焦爐中殘余的煤氣得到充分燃燒，有助于減少煙囪排放中未燃燒煤氣的量，從而降低SO2的生成；通過延長廢氣交換時間，可使燃燒后的廢氣更完全地排出系統，減少換向后SO2濃度的波峰高度，從而有效降低每小時的SO2排放平均濃度。

降低污染物排放，雖然有助于減少因燃燒不完全或交換過程中氣體混合不均勻導致的污染物排放，特別是SO2的排放，但實施這種策略需要考慮焦爐的運行特性和實際操作條件。操作人員需要根據煤氣的性質和燃燒特點來確定最佳的停煤氣和交換時間，同時對這種操作調整進行嚴格的監控和評估，在不影響焦爐的其他操作效率的情況下，確保所采取的措施能夠有效降低SO2排放。

總體來說，適當調整系統交換過程中的操作步驟，特別是延長停煤氣、空氣與廢氣交換的時間間隔，是控制和降低焦爐煙囪SO2排放濃度的有效方法之一，有助于環保合規和提升整體操作效率。

3.4 采用SDS 干法脫硫工藝技術對末端焦爐煙囪做最終處理

為進一步降低某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦爐煙囪的SO2排放，提出采用“SDS 干法脫硫工藝+中低溫SCR 脫硝技術”，通過干粉吸收劑與煙氣中的SO2反應，實現SO2的高效去除。SDS 干法脫硫的關鍵在于其高效的反應機制和簡便的操作流程，與濕法脫硫相比，SDS 干法脫硫具有運行成本低、設備維護要求簡單、對環境的影響小等優點。采用SDS 干法脫硫工藝技術對末端焦爐煙囪做最終處理后，焦爐煙囪的SO2排放濃度可降低至40mg/m3左右，完全符合GB16171-2012 的排放要求，效果理想。

結語

上述研究通對山西省運城市某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦爐煙囪SO2排放情況進行深入分析，采用優化加熱煤氣脫硫工藝、控制炭化室漏氣率、合理設定系統換向周期及采用SDS干法脫硫技術等治理措施，有效降低了SO2排放濃度，治理后焦爐煙囪SO2排放濃度降低至40mg/m3左右，完全符合GB16171-2012 的排放要求。但實現可持續的環境保護和產業發展，需要行業、政府和社會各界的持續努力和合作，因此基于研究結果，未來還應進行進一步的技術創新、政策調整和行業實踐改進。