煤焦化化产区域尾气入焦炉焚烧技术的研究与应用

陈狄新 张峰 刘青松

(1.山东峰迪环保技术有限公司，山东 济南 250000；2.济钢集团有限公司，山东 济南 250000)

0 引言

煤焦化是以焦炉为核心设备，通过煤气加热产生高温，在隔绝空气情况下将煤通过高温干馏方式得到主产品焦炭，同时产生焦炉煤气、高温煤焦油、苯等煤化工产品的一种煤转化工艺技术。其化产区域是将焦炉在生产焦炭过程中产生的荒煤气进行降温净化以得到净化煤气，常规生产装置分冷鼓工段、脱硫工段、洗脱苯工段、硫铵工段和油库区域等。随着国家对环保管理要求的越来越严格，各企业都陆续开展了生产尾气的深度达标治理。

化产区域的尾气组分不仅有有机气体，如苯、酚、非甲烷总烃等，也有大量的无机气体，如氨气、硫化氢等。同时，因生产工况原因，尾气中还夹带着煤气、水汽、萘和粗蒽等易结晶物质，十分复杂，因此，治理的难度也极大。

1 尾气治理技术简介

目前，国内尾气治理工艺技术路线有：洗涤吸收法、吸附法、冷凝回收法、高温燃烧法、UV 光解氧化法、等离子分解法、生物处理法等[1]。选择时应充分考虑使用安全风险、工况适应性、投资、运行费用和二次污染等。

1.1 洗涤吸收法

洗涤吸收是利用不同气体在特定液体中不同的溶解度来分离和去除气体组分的一种方式。在化工生产中，通过洗涤实现两相传质等传递过程是一种传统、常见、很重要的工艺。洗涤吸收法也常根据这一原理用于有害废气的处理上，如工业生产废气中的H2S 和NH3等组分的都可采用这一方法进行处理。洗涤吸收常见的有物理吸收和化学吸收两类。

物理吸收：主要利用相似相溶的原理，使用特定的液体来吸收组分类似的气体。通过这种方式所溶解吸收的气体与液体并不发生化学反应，仅是气体溶解于液体中。如用水洗涤吸收氨气、用洗油洗涤生产尾气中的烃类蒸气等。

化学吸收：通过化学反应，用液体吸收尾气中的特定组分气体。因为很多尾气中各污染物的浓度不高，所以它们的吸收常采用化学吸收。例如常用化学吸收有碱液洗涤吸收H2S、SO2，用水洗涤吸收NOx 等。

1.2 吸附法

吸附法是采用多孔性固体吸附剂通过表面现象处理气态(或液态)混合物的方式，使某一或某些组分在吸附剂表面通过未平衡的分子引力或化学键力被吸附在其表面，实现分离的目的。目前吸附法已成为一种常用的净化有毒有害气体、治理大气污染的重要方法。吸附和吸收存在本质差别，吸附是在固态吸附剂表面上通过分子“浓缩”形成吸附层，从分子角度上看是一个不均匀过程，而吸收的液相中分子基本上是均匀分散的。常用于气态的吸附剂主要有分子筛、活性炭、焦炭等，应用最广泛的为活性炭。

吸附法常用于低浓度大风量的处理中。

1.3 冷凝回收法

冷凝回收法是根据不同物质在不同温度下其饱和蒸汽压不同的物理性质，采用降低温度或提高压力的方式，使污染物被冷凝然后将其分离、回收的工艺。冷凝设备分为直接接触式冷凝器和表面式冷凝器。

优点：技术简单，受外界影响小，回收效果稳定，安全性好；可以直接回收有机污染物，无二次污染。

适用对象：高温、高湿、高浓度场合，尤其适用于处理高浓度、中流量的尾气。

1.4 高温焚烧法

高温焚烧法是将尾气收集送入焚烧设备、利用高温(840～1000℃)燃烧易燃组分的处理方法。常规为入已有明火设备如管式炉、锅炉等、入专业焚烧炉如TO、RTO、RCO 等两种方式。

优点：处理效率高，指标稳定，可真正实现达标排放。

缺点：投资高；需重点考虑安全因素；因尾气组分复杂，有可能造成燃烧后的烟气不达标。

1.5 UV光解氧化法

利用高能高臭氧UV 紫外线光束照射有机气体及空气中的氧分子，裂解有机气体。在高能紫外线光束照射下，降解转变成低分子化合物，如CO2、H2O 等。

UV 光解氧化设备内部组成主要为紫外灯管、光催化活性纤维过滤层。该灯管产生紫外线量决定了处理效果。优点：适应性强、运行成本低、安装检修方便。该法适用于尾气组分单一、高浓场合。

1.6 等离子分解法

该法常用低温等离子，这是固态、液态、气态外的物质第四态，通过高强的气体着火电压，使气体分子被击穿变为包括电子、离子、原子和自由基等多种混合体。等离子分解法降解污染物是利用高能电子、自由基等使污染物的分子快速分解，并通过后续的其他反应实现污染物被降解的目的。

等离子分解器主要由高压电源和齿板放电装置组成，以产生高强度、高浓度、高电能的活性粒子。

优点：虽然一次性投资偏高，但运行费用相对低，操作简单。

低温等离子技术使用简易、高效率同时，对环境的安全系数要求很高，易发生爆炸等危险。常用于除恶臭气体。

1.7 生物处理法

采用生物处理法，是在生物滤池中的生物填料上通过培养微生物膜对臭气分子进行治理的生物技术。

当气、液、固三项混合的含有有毒、有害等恶臭废气进入生物池后，与在生物填料上培养生长的高效微生物菌形成的生物膜充分接触然后被菌种降解。

优点：环保卫生，可同时处理多种废气，运行成本低。

缺点：易受冲击而影响效果，恢复慢；生产调节精细；占地大。

综上主要治理技术的优缺点见表1。

2 尾气入焦炉焚烧技术

化工企业尾气主要来源于挥发性物料储罐的“大呼吸”和“小呼吸”过程中挥发出的气体。大呼吸是指液体在储罐之间因转移而出现的气体被排出，排出的气体多为饱和蒸汽 ,多出现在生产原料和成品入罐时；“小呼吸”是指受罐外温度或压力变化导致气体被排出，排出的气体则是相对饱和蒸汽。储罐自由排放的废气属于无组织放散气，数量与所储存物料的理化特性、储罐的结构、当地气候以及操作频次等有关。通常，“大呼吸”造成的排放量要大于“小呼吸”[2]。

尾气治理应从源头和根本抓起，先控制尾气发生量和总量，如按标准控制生产，尽可能降低生产温度；尾气放散口尽可能密闭、杜绝敞口和无序排放。

尾气治理不应是单纯的对收集的废气进行处理，应从环保大局上综合考虑，不能做简单的转移或产生新的需进一步处置的危废。综合比较目前各类治理技术，焚烧法是当前比较彻底的一种技术，主要是利用燃烧氧化和高温下的分解作用。因此，焚烧适用于净化可燃的物质。但焚烧法使用时应充分考虑安全性和焚烧后的烟气排放问题。本方案是在充分结合焦化企业自身条件的基础上开展的，治理总思路：能实现绝对密闭的，经密闭或氮封后入煤气负压管道，回到生产系统；不能实现绝对密闭的或尾气中含氧无法控制的，经洗涤预处理净化后进入焦化企业自有的焦炉进行焚烧。本方案主要讨论入焦炉焚烧。

2.1 预处理

按不同工段不同尾气组分设置不同洗涤液的尾气洗涤吸收预处理装置。逸散尾气通过风机的吸力进入洗涤净化装置，与洗涤吸收液充分接触吸收。如用水洗氨气、洗油洗苯或萘等有机组分。液体吸收法作为尾气治理的预处理，预处理意义：

(1)通过吸收，降低尾气中有害组分的浓度；进而提升安全可靠度，为焚烧打下基础。

(2)控制尾气温度，稳定在低温状态。

(3)回收部分高沸点有机物如萘、粗蒽等，并避免这些高沸点有机物对设备设施造成堵塞等损坏。

2.2 入焦炉焚烧

经预处理装置后的净化尾气进入尾气缓冲罐，进一步过滤尾气中夹带的液体和渣类物质，再由尾气风机经安全装置通过管道接至焦炉地下室机焦两侧的废气盘中，当废气盘开闭器为空气上升时，尾气管道自控阀门打开，使收集尾气进入废气盘，和吸入空气混合后共同进入焦炉蓄热室，最后进入燃烧室被高温焚烧。当焦炉废气盘开闭器为废气下降时，自控阀门关闭，尾气不进入。

焦炉交换机定期换向，将该换向信号引至尾气管道控制阀，使自控阀联锁同步，让入炉焚烧的尾气始终进入焦炉被燃烧。工艺流程简图见图1。

表1 各尾气治理技术优缺点汇总

图1 煤焦化化产区域尾气入焦炉焚烧工艺流程简图

入焦炉焚烧作为VOCs 治理的精处理，精处理意义：

(1)通过焦炉内高温可实现有害气体彻底分解、稳定达标。

(2)不新增排放口，无需安装监测等设施。

(3)焚烧后产生的SO2、NOx 等可进入焦炉烟气已有的脱硫脱硝装置处理，无须再单独考虑。

3 尾气入焦炉焚烧技术安全控制

焦炉属于明火设备，自身就是一个火源，入炉焚烧的尾气又含有多种易燃易爆成分，主要有氨气、硫化氢、苯系物、非甲烷总烃及少许夹带煤气等。所以，为保障尾气入焦炉焚烧的安全，需重点做好安全控制。

(1)入焦炉尾气管路设多浓度在线检测装置，并与配套的自动阀联锁，严控入炉的有机化合物浓度值，使其受控在安全水准内，这是防止发生爆炸的一个本质对策。一旦浓度超标，切断入炉管路，应急放散—通常，入焦炉气体浓度控制在其爆炸下限的25%以下[3]。

(2)入炉尾气管路设阻火器2 套，串联使用，用于防回火，实施有效隔断，保障使用安全。

(3)入炉尾气管路设置安全连接器一套，进一步保障使用安全。

(4)入炉尾气管路设自动灭火系统，当检测出现了火灾等应急状况，自动灭火系统立即自动启动。

(5)根据应用，配备相关泄爆口。

(6)配备一套独立的自动控制系统，对运行数据进行实时监控。

4 结语

该技术于2019 年在山东某110 万吨/年焦炭产能的焦化厂成功应用，使用稳定。验证了此法是在充分结合煤焦化企业自身条件基础下、较彻底处理逸散尾气的有效途径之一。

目前，中国的环保治理在设计同时应充分考虑设施的安全性，同时，特殊工况如焦化行业化产区域还应考虑使用过程中含萘易堵塞的影响。如含萘易堵塞尾气管道应设计为蒸汽伴热管、管道预留吹扫口、低点设自动排凝等措施。

为保障环保治理的实际效果，企业还需加强环保设施的日常管理：按要求定期进行管道吹扫、设备拆卸检查、自控联锁使用效果检测、预处理循环洗涤液饱和度检查等等。