焦爐煙氣治理工藝路線探討

吳 靜 宗井彬 聶宜文 顏世廣 李 蕾

(1.中國恩菲工程技術有限公司裝備公司, 北京 100038;2.北京清新環境技術股份有限公司, 北京 100142)

0 前言

鋼鐵行業是衡量一個國家工業化水平的標志,焦炭作為煉鋼的主要原料之一,其重要性不言而喻。2013—2022年,中國焦炭產量均居全球首位,占比約70%。2022年全國焦炭產量47 344萬t,其中鋼鐵聯合企業焦炭產量為18 327萬t(占全國焦炭產量的38.71%),其他獨立焦化企業焦炭產量為29 017萬t(占焦炭產量的61.29%)。

焦化行業污染物排放量較大,隨著環保政策日益嚴格,國家對焦化行業制定了更高的排放要求。河北省于2018年9月發布焦化行業首個超低排放標準《煉焦化學工業大氣污染物超低排放標準》(DB 13/2863—2018)。該標準要求焦爐煙囪出口顆粒物限值為10 mg/Nm3,SO2為30 mg/Nm3,NOx為130 mg/Nm3,河北省內現有企業自2020年10月1日開始執行。生態環境部2019年4月發布的《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》(環大氣〔2019〕35號),給出鋼鐵行業各生產工序和生產設施的特別排放限值要求,其中焦爐煙囪的排放限值為:顆粒物10 mg/Nm3,SO2為30 mg/Nm3,NOx為150 mg/Nm3。河南省、山西省也隨后發布了焦爐煙囪廢氣的超低排放限值。排放要求的提高,使焦化企業越來越重視焦爐煙氣的治理。

目前焦爐煙氣凈化新建裝置主要是借鑒電廠、鋼廠的煙氣脫硫脫硝技術,結合焦爐自身工藝的特點組合而成。但焦爐煙氣與電廠、鋼廠煙氣相比差異較大,焦化企業需要根據不同的焦爐工藝、煙氣特點,選擇不同的工藝路線。

本文分析常見焦爐煙氣的特點,對比國內現有主要脫硫脫硝工藝技術的優缺點,在此基礎上提出典型的焦爐煙氣治理工藝路線,為相關企業提供借鑒和幫助。

1 焦爐煙氣特點

1)煙氣成分復雜。焦爐煙氣是焦爐煤氣或高爐煤氣燃燒后的產物,主要成分比較復雜,含有SO2、NOx、CO、H2S、焦油及各種粉塵等［1］。焦化工藝、焦爐操作、焦爐原料煤以及焦爐串漏等因素都會影響煙氣組成。采用經過精脫硫后的煤氣作為原料時,產生的焦爐煙氣中SO2濃度較低,一般在50～500 mg/Nm3;部分新型焦爐采用未處理的荒煤氣作為燃料,產生的焦爐煙氣中SO2濃度較高,有些項目甚至高達3 000 mg/Nm3。焦爐煙氣中NOx濃度通常較高,為500～1 200 mg/Nm3［2］。

2)煙氣溫度較低。焦爐煙氣溫度一般為200～300 ℃,甚至在200 ℃以下［3］。

3)焦爐煙氣污染物含量波動大。焦爐煙氣加熱系統每隔20～30 min就要換向一次,換向時停止加熱,在此期間SO2、NOx濃度變化較大［1］。

4)焦爐長期運行,幾乎不停爐,煙氣處理系統需確保焦爐正常生產,且能實現出現故障時系統的快速切換［4］。

5)焦爐煙氣含水量大,露點較高。含水量一般為10%～18%,露點溫度一般在85～120 ℃。

6)煙氣含氧量高,一般為8%～15%。

2 焦爐煙氣常用的脫硫脫硝技術

2.1 脫硫技術

焦爐煙氣中SO2來源包括焦爐加熱用煤氣中的H2S、有機硫燃燒生成的SO2以及炭化室荒煤氣串漏進入燃燒室生成的SO2［5］。

目前常見的脫硫技術分為濕法、半干法、干法［6］。濕法脫硫技術主要有鈣法、雙堿法、氧化鎂法、氨法;半干法脫硫技術主要有循環流化床法(CFB)、噴霧干燥法(SDA);干法脫硫技術主要有碳酸氫鈉干法(SDS)、活性焦法等［7］。各種脫硫技術的對比見表1。

表1 常見脫硫技術的比較

若采用精脫硫后的煤氣作為焦化企業的燃料,則焦爐煙氣中的SO2含量一般較低,對脫硫效率要求不高,結合上述各脫硫技術的特點,半干法(CFB/SDA)、干法脫硫(SDS)技術在焦化行業應用更為廣泛。對于采用荒煤氣作為燃料的新型焦爐,由于焦爐煙氣中的SO2含量較高,可采用濕法脫硫技術或CFB脫硫技術。

2.2 脫硝技術

焦爐煙氣中NOx來源有兩部分:一是燃氣和竄漏的荒煤氣中含氮成分燃燒生成的NOx;二是助燃空氣中N2和O2在高溫下反應生成的NOx［9］。

目前常見的脫硝技術有選擇性非催化還原(SNCR)、選擇性催化還原(SCR)、活性焦法、氧化法、低氮燃燒技術等。各種脫硝技術的對比見表2。

表2 常見脫硝技術的比較

由于焦爐的燃燒控溫較高,焦爐煙氣中NOx含量一般較高,而SNCR脫硝效率較低,且需要合適的溫度窗口(800～950 ℃),因此SNCR不適合用于焦爐煙氣的治理;氧化法及活性焦法脫硝效率均較低,亦不適合焦爐煙氣的脫硝需求。因此目前焦爐煙氣的脫硝技術還是主要考慮SCR。

3 國內焦爐煙氣治理的常見技術路線

根據以上分析,脫硫需在相對低溫下進行,大部分脫硝需在相對高溫下進行。目前,脫硫脫硝技術組合的工藝在焦化企業已經得到推廣應用,根據煙氣溫度特點及污染物濃度不同,常用組合路線有以下幾種。

3.1 路線1:焦爐煙氣(≥280 ℃)-中高溫SCR脫硝-余熱鍋爐-SDS脫硫-布袋除塵器-煙囪

高溫焦爐煙氣(高于280 ℃)首先經過SCR脫硝裝置,充分利用高溫下SCR催化劑活性較高的特點完成脫硝;脫硝后的煙氣經過余熱鍋爐進行余熱回收并降低溫度至180 ℃以下;之后采用SDS技術,向煙氣中噴入碳酸氫鈉干粉,脫除其中的SO2;最終煙氣經過布袋除塵器,去除其中的粉塵,總體達到環保排放指標。

該技術路線適用于高溫、低硫、低焦油含量煙氣,是集脫硝、脫硫、除塵及余熱回收于一體的技術方案。主要針對初始溫度大于280 ℃、且煙氣含硫量小于800 mg/Nm3的焦爐煙氣,一般適用于獨立焦化企業。

該路線的技術特點主要有以下2點。

1)焦爐煙氣溫度高、焦油含量少、SO2含量低,在高溫下煙氣中的焦油或硫酸氫銨堵塞催化劑的風險不大,因此采用前置SCR脫硝,具有較高的脫硝效率。

2)脫硝后進行余熱回收,將溫度降低至適合SDS和布袋除塵器的溫度區間,既回收了熱量又滿足了脫硫除塵的技術要求。

3.2 路線2:焦爐煙氣(220～280 ℃)-SDS脫硫-高溫濾袋除塵器-中低溫SCR脫硝-余熱鍋爐-煙囪

當焦爐煙氣初始溫度為220～280 ℃、SO2濃度≤800 mg/Nm3時,建議采用SDS脫硫-高溫濾袋除塵器-中低溫SCR脫硝-余熱鍋爐-煙囪工藝路線。煙氣首先經過SDS脫硫裝置,然后噴入碳酸氫鈉干粉,脫除其中的SO2;脫硫后的煙氣經過高溫濾袋除塵器,去除其中的粉塵。之后煙氣在低硫、低塵狀態下進入中低溫SCR裝置,完成脫硝;最后煙氣再通過余熱鍋爐回收熱量后排入大氣。

該技術路線適用于溫度為220～280 ℃、SO2濃度≤800 mg/Nm3的焦爐煙氣,適用于鋼焦聯合企業和部分獨立焦化企業。

該路線的技術特點主要有以下3點。

1)針對220～280 ℃、SO2濃度≤800 mg/Nm3的焦爐煙氣,將SDS脫硫裝置前置,同步除去煙氣中的焦油,與耐高溫的濾袋除塵器協同去除煙氣中的碳粉及脫硫副產物,為SCR提供良好的脫硝環境。

2)脫硝采用中低溫SCR技術,凈煙氣經過余熱回收進行排放,完成煙氣治理及熱量回收。SCR后置可避免煙氣中的粉塵、SO3造成催化劑堵塞或中毒的問題。

3)此路線能夠較好地適應煙氣的溫度波動,確保穩定達標排放。

3.3 路線3:焦爐煙氣(110～220 ℃)-SDS脫硫-布袋除塵器-中高溫補燃SCR脫硝-余熱鍋爐-煙囪

煙氣首先經過SDS脫硫裝置,噴入碳酸氫鈉干粉脫除其中的 SO2;脫硫后的煙氣經過高溫濾袋除塵器,去除其中的粉塵,完成脫硫及除塵;通過補燃提升除塵后的煙氣溫度,達到合適的SCR脫硝溫度窗口,之后進行脫硝反應。脫硝反應后的煙氣可通過余熱鍋爐回收熱量。

該技術路線適用于溫度低于220 ℃、SO2含量≤800 mg/Nm3、NOx含量較高的焦爐煙氣,采用SDS脫硫裝置除去煙氣中的SO2,再采用普通的布袋除塵器去除煙氣中的碳粉、焦油及脫硫副產物,為SCR提供良好的脫硝環境。此技術路線更適用于鋼焦聯合企業。

該方法的技術特點主要有以下2點。

1)脫硝采用中高溫補燃SCR技術,脫硝效率得到了保證,同時避免了低溫和焦油對脫硝系統的影響。補燃利用焦化企業中較為清潔的焦爐煤氣為能源,廉價高效。

2)凈煙氣經過余熱回收后排放,可回收因脫硝中補燃的焦爐煤氣能量并通過余熱鍋爐產生一定量的蒸汽。此路線適用于廠區有一定蒸汽需求的焦化企業,在煙氣達到環保排放要求的前提下,實現熱量回收,總體降低了運行費用。

3.4 路線4: CFB脫硫-布袋除塵器-(GGH)-中高溫補燃SCR脫硝-煙囪

該技術路線針對煙氣溫度低于220 ℃、SO2含量為800～3 000 mg/Nm3的煙氣,由于SO2含量高,SDS脫硫已難滿足排放要求,建議采用CFB脫硫+布袋除塵聯合GGH+補燃SCR脫硝的工藝路線。利用CFB脫硫除去煙氣中的SO2后,采用普通的布袋除塵器去除煙氣中的碳粉及脫硫副產物,再通過GGH及補燃提升煙氣溫度,為SCR提供良好的工藝條件。

該路線的技術特點主要有以下2點。

1)本工藝路線選用的脫硫脫硝技術成熟可靠,具有脫硫脫硝效率高、無廢水廢渣產生、腐蝕性小、系統負荷可調、煙氣適用性強等特點,適用于SO2≤3 000 mg/Nm3的煙氣,尤其適用水資源緊張或者廢水處理成本高的項目。

2)脫硝部分采用GGH+補熱SCR技術,避免了低溫和焦油對脫硝系統的影響。配套GGH、加熱爐,煙氣經循環利用熱量,僅需再升溫35 ℃左右即能滿足中高溫催化劑的溫度區間。

隨著低溫催化劑的不斷改進,也可以將煙氣直接升溫至220 ℃以上,此方案省去了煙氣換熱器,但能耗更高,適用于煙氣量較小的情況。

3.5 路線5:濕法脫硫-濕式電除塵器-GGH-中高溫補燃SCR脫硝-煙囪

目前國內部分焦化廠直接采用未經處理過的荒煤氣作為燃料,產生的焦爐煙氣中SO2濃度較高,一般濃度≥2 000 mg/Nm3,對于這種焦爐煙氣,推薦采用濕法脫硫裝置處理。為避免濕法脫硫煙氣攜帶的酸霧、石膏液滴等堵塞或腐蝕GGH,建議濕法脫硫后加上濕式電除塵器,也可通過改變GGH原煙氣側的材質,減少配套去除濕法脫硫霧滴的設施。

該工藝路線選用的脫硫脫硝技術成熟可靠,具有脫除效率高、系統穩定性和煙氣適用性強的特點,但投資成本高,配套設施復雜。

4 結束語

近年來,焦化行業焦爐煙氣的脫硫脫硝工藝發展迅速,焦化企業在新建脫硫脫硝系統時,應充分考慮本焦爐煙氣的溫度、污染物的濃度、焦爐工藝、資源情況以及副產物處理要求等因素,選擇可靠、先進、成熟的脫硫脫硝技術,在出口指標達標的前提下,最大限度地利用煙氣溫度梯度,減少能源消耗。