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【中國(guó)智能制造網(wǎng) 技術(shù)前沿】焦?fàn)t是冶金行業(yè)中造成大氣污染嚴(yán)重的設(shè)備之一。焦?fàn)t排放的污染物成分復(fù)雜，含有氮氧化物(NOx)、二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、氰化氫、殘氨、酚以及煤塵、焦油等。2012年6月27日發(fā)布的《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB16171-2012)，次將焦?fàn)t排放的NOx列為我國(guó)焦化企業(yè)大氣污染物排放的控制指標(biāo)，并對(duì)顆粒物和二氧化硫的排放提出了更嚴(yán)格的要求，要求所有企業(yè)自2015年1月1日起，焦?fàn)t煙囪排放二氧化硫小于50mg/m3，NOx小于500mg/m3(機(jī)焦)，顆粒物小于50mg/m3。
焦?fàn)t煙氣污染物的形成機(jī)理和排放控制
目前，對(duì)于新建的焦?fàn)t，煉焦工業(yè)污染物排放并非難以達(dá)標(biāo)。但是，對(duì)運(yùn)行了十幾年或者二十年，壽命已經(jīng)達(dá)到中后期的焦?fàn)t，這將是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。我國(guó)大多數(shù)焦?fàn)t，特別是采用焦?fàn)t煤氣加熱的焦?fàn)t，煙囪排放的NOx一般高于500mg/m3。焦化企業(yè)若要降低焦?fàn)t煙氣中NOx排放，在不采用末端治理的情況下，應(yīng)該控制焦?fàn)t立火道溫度，控制空氣過(guò)剩系數(shù)，采用高爐煤氣或者混合煤氣加熱，能使焦?fàn)t煙氣排放達(dá)標(biāo)。此外，還要加強(qiáng)對(duì)焦?fàn)t的日常維護(hù)管理，減少爐體串漏，能大限度地減少燃料型氮氧化物生成和二氧化硫排放。
焦?fàn)t煙氣氮氧化物的形成機(jī)理
燃燒過(guò)程中氮氧化物形成機(jī)理可分3種：一是由大氣中的氮在高溫下形成的溫度熱力型NOx;二是在低溫火焰中，由于含碳自由基的存在而生成的瞬時(shí)型NOx；三是燃料中固定氮生成的燃料型NOx。
一般情況下，焦?fàn)t主要利用焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣或者二者的混合煤氣來(lái)做熱源對(duì)煤炭進(jìn)行干餾。如果單獨(dú)采用焦?fàn)t煤氣加熱，由于其可燃成分濃度高、燃燒速度快、火焰短而亮、燃燒時(shí)火焰局部溫度高、提供一定熱量所需煤氣量少、加熱系統(tǒng)阻力小、煉焦耗熱量低，產(chǎn)生的熱力型NOx比高爐煤氣多。同時(shí)，由于焦?fàn)t煤氣中含有未處理干凈的焦油、萘，除易堵塞管道外，還會(huì)產(chǎn)生燃料型NOx，這使得只采用焦?fàn)t煤氣做熱源的焦?fàn)t所生成的NOx一般都高于500mg/m3。
高爐煤氣不可燃燒成分約占70%，故熱值低、提供一定的熱量所需煤氣多、燃燒速度慢、火焰長(zhǎng)、高向加熱均勻性好。若單獨(dú)采用高爐煤氣，則基本不產(chǎn)生燃料型NOx。因此，在相同條件下，采用焦?fàn)t煤氣加熱比采用高爐煤氣加熱所產(chǎn)生的NOx要多。但是，高爐煤氣必須預(yù)熱至1000℃以上，才能滿足燃燒室溫度要求，且廢氣量較多、耗熱量高、加熱系統(tǒng)阻力大。為使高爐煤氣加熱順利，鋼鐵企業(yè)常采用焦?fàn)t煤氣與高爐煤氣的混合煤氣(焦?fàn)t煤氣含量為2%~5%)。
據(jù)了解，當(dāng)焦?fàn)t加熱立火道溫度在1300℃~1350℃、溫差為±10℃時(shí)，NOx生成量在±30mg/m3波動(dòng)。燃燒溫度對(duì)溫度熱力型NOx生成有決定性作用，當(dāng)燃燒溫度高于1600℃時(shí)，NOx生成量按指數(shù)規(guī)律迅速增加。可見(jiàn)，焦?fàn)t煙氣中的氮氧化物主要是溫度熱力型。
焦?fàn)t煙氣氮氧化物的控制
燃燒廢氣的NOx排放控制技術(shù)可分為兩類：類是在燃燒過(guò)程中抑制NOx生成的技術(shù)，第二類是燃燒后終端治理。
終端治理目前常用的方法是SCR脫硝法，但處理成本高昂，企業(yè)難以承受。該方法對(duì)使用純焦?fàn)t煤氣做熱源的煉焦企業(yè)有一定的運(yùn)行空間。但是目前，SCR脫硝法成熟的工藝主要應(yīng)用在電廠煙氣脫硝，其所需催化劑活性區(qū)間一般在300℃以上，比焦?fàn)t煙囪排放的煙氣溫度要高，如果焦?fàn)t煙氣要采用SCR脫硝法，需要催化劑活性區(qū)間小于250℃。
對(duì)于使用高爐煤氣或混合煤氣做熱源的煉焦企業(yè)，采用合理的燃燒過(guò)程中控制NOx技術(shù)基本能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并不需要采用末端治理技術(shù)。其中，廢氣循環(huán)、分段加熱、控制實(shí)際燃燒溫度以及將它們相結(jié)合的復(fù)合技術(shù)等都是能降低燃燒廢氣中NOx含量的有效措施。
廢氣循環(huán)。廢氣循環(huán)是目前使用較多的低NOx燃燒技術(shù)。該技術(shù)是在空氣預(yù)熱器前抽取一部分低溫?zé)煔庵苯铀腿霠t膛，或者摻入一次風(fēng)或二次風(fēng)中。因煙氣的吸熱和對(duì)氧氣的稀釋作用會(huì)降低燃燒速度和爐內(nèi)溫度，從而抑制了熱力型NOx的生成。
立火道采用廢氣循環(huán)可以降低煤氣中可燃成分和空氣中氧的濃度，并加快氣流速度，從而拉長(zhǎng)火焰，這有利于焦餅上下加熱均勻、改善焦炭質(zhì)量、縮短結(jié)焦時(shí)間、增加產(chǎn)量并降低耗熱量。廢氣循環(huán)法適用于含氮量低的燃料，降氮效果高達(dá)25%。經(jīng)驗(yàn)表明，煙氣再循環(huán)量一般控制在10%~20%，若超過(guò)30%，燃燒效率則會(huì)降低。
分段加熱。該技術(shù)一般是只用空氣分段，或空氣和貧煤氣分段供給加熱。采用分段加熱的一般都是7米以上焦?fàn)t，由于焦?fàn)t較大，分段加熱可以使焦?fàn)t受熱更均勻。
控制實(shí)際燃燒溫度。焦?fàn)t使用高爐煤氣或混合煤氣加熱，燃燒過(guò)程中所生成的主要是溫度熱力型NOx。當(dāng)空氣過(guò)剩系數(shù)α=1.1，空氣預(yù)熱到1100℃時(shí)，高爐煤氣理論燃燒溫度為2150℃，實(shí)際燃燒溫度比測(cè)定的火道溫度相差200℃左右，燃燒溫度稍有衰減，實(shí)際燃燒溫度介于理論燃燒溫度和測(cè)定火道溫度之間，這就為NOx的生成提供了適宜的高溫環(huán)境。
一般情況下，可通過(guò)降低火道溫度、改變焦?fàn)t煤氣組分、降低空氣過(guò)剩系數(shù)、優(yōu)化焦?fàn)t熱工制度來(lái)降低燃燒溫度。但是，降低火道溫度在一定條件下無(wú)法改變，焦?fàn)t煤氣組分一般無(wú)法改變，而降低空氣過(guò)剩系數(shù)和優(yōu)化焦?fàn)t熱工制度可在生產(chǎn)過(guò)程中不斷調(diào)整，因此，這兩點(diǎn)特別是控制空氣過(guò)剩系數(shù)可在實(shí)際生產(chǎn)中做到。
廢氣循環(huán)與分段加熱技術(shù)是在設(shè)計(jì)焦?fàn)t時(shí)就已經(jīng)設(shè)計(jì)完成。對(duì)于運(yùn)行多年的焦?fàn)t，爐體結(jié)構(gòu)、加熱方式等條件已固定。目前運(yùn)行的焦?fàn)t大多有廢氣循環(huán)的功能，而分段加熱技術(shù)一般在7米以上大型焦?fàn)t才有應(yīng)用，中小型焦?fàn)t基本沒(méi)有。而通過(guò)控制實(shí)際燃燒溫度減少溫度熱力型NOx對(duì)于任何類型的焦?fàn)t都有實(shí)際操作的可能性。
對(duì)于減少燃料型NOx，主要是采用高爐煤氣做熱源。在采用混合煤氣時(shí)，應(yīng)減少焦?fàn)t煤氣的摻混比例。此外，爐體串漏的荒煤氣中含氮化合物，是焦?fàn)t煙氣中燃料型NOx的主要來(lái)源之一，因此，控制爐體串漏的荒煤氣也十分必要。
焦?fàn)t煙氣二氧化硫的控制
焦?fàn)t煙氣中SO2來(lái)源于焦?fàn)t加熱用煤氣中H2S和有機(jī)硫的燃燒，以及焦?fàn)t爐體串漏的荒煤氣進(jìn)入燃燒系統(tǒng)后，其所含的全硫化物的燃燒。
SO2的排放量取決于加熱煤氣的種類，當(dāng)使用高爐煤氣加熱時(shí)，因高爐煤氣含硫量低，所以廢氣中SO2含量不高。如果使用焦?fàn)t煤氣，那么焦?fàn)t煤氣中含有一定量的H2S以及有機(jī)硫，后會(huì)變成SO2排放。有資料顯示，焦?fàn)t煤氣在脫硫以后，其中H2S的含量仍有20mg/m3~800mg/m3。而焦?fàn)t荒煤氣中有機(jī)硫總質(zhì)量濃度為500mg/m3~900mg/m3，其中含硫質(zhì)量濃度為300mg/m3~600mg/m3。在焦?fàn)t煤氣凈化過(guò)程中，幾乎所有工序都有脫除有機(jī)硫化物的作用，且工藝過(guò)程條件越適合有機(jī)硫化物的脫除，其脫除率也越高。
焦?fàn)t爐體串漏導(dǎo)致荒煤氣中的硫化物從炭化室經(jīng)爐墻縫隙串漏至燃燒室，并燃燒生成SO2，使得焦?fàn)t煙囪廢氣中SO2濃度升高?；拿簹夂蚧?以H2S為主)總質(zhì)量濃度一般為6500mg/m3~10000mg/m3，是凈化后煤氣中硫含量的15~25倍。由于混合煤氣中焦?fàn)t煤氣比例較低，此時(shí)的SO2主要來(lái)源于爐體串漏的荒煤氣，特別是運(yùn)行壽命到達(dá)中后期的焦?fàn)t，爐體串漏處較多，會(huì)導(dǎo)致煙氣中SO2的含量較高。因此，加強(qiáng)焦?fàn)t日常維護(hù)，減少爐體串漏是減少SO2排放的主要措施。
(原標(biāo)題：焦?fàn)t煙氣污染物排放控制)
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