李曉宏

（山西焦化股份有限公司，山西洪洞 041606）

0 引 言

2019年3月12日， 《臨汾市2019年鋼鐵、焦化行業(yè)深度減排實施方案》發(fā)布，要求焦化企業(yè)加快提升企業(yè)污染防治水平；2019年5月24日，生態(tài)環(huán)境部與國家市場監(jiān)督管理總局聯(lián)合發(fā)布了《揮發(fā)性有機物無組織排放控制標準》（GB37822—2019），要求現(xiàn)有企業(yè)于2020年7月1日起正式執(zhí)行本標準，進一步加強了揮發(fā)性有機物（VOCs）無組織排放的控制和管理。面對日益嚴峻的VOCs治理要求與排放標準，焦化企業(yè)應當選擇先進、成熟、穩(wěn)定、可靠的治理技術實施改造。

1 技改背景

山西焦化股份有限公司（簡稱山西焦化）現(xiàn)有JN60型焦爐6座，設計產(chǎn)能3600kt／a焦炭。煉焦生產(chǎn)中，焦爐炭化室內(nèi)產(chǎn)生的揮發(fā)物送到化產(chǎn)車間，化產(chǎn)車間的主要任務是凈化處理煉焦生產(chǎn)中產(chǎn)生的荒煤氣：荒煤氣經(jīng)循環(huán)氨水、高壓氨水冷卻后進入氣液分離器，分離掉焦油及煤氣后經(jīng)初冷器冷卻進入電捕焦油器除去焦油，焦油作為焦油深加工的原料送往粗苯焦油加工廠；除去焦油的煤氣經(jīng)鼓風機加壓送硫銨工段飽和器，煤氣中的氨與硫酸反應生成硫銨，硫銨作為產(chǎn)品外銷；經(jīng)飽和器脫氨后的煤氣送往脫硫工段脫除煤氣中的苯和硫化氫，生產(chǎn)合格的熔融硫，同時將富含苯族烴的富油送往粗苯工序蒸硫脫苯并對部分脫硫液進行提鹽，凈化后的煤氣送往甲醇廠、鍋爐、管式爐等用戶。

當前化產(chǎn)車間煤氣冷凝鼓風區(qū)域的放散氣已收集至排氣洗凈塔進行處理，脫硫、硫銨區(qū)域的放散氣仍處于無組織放散狀態(tài)；而排氣洗凈塔的廢氣排放濃度為苯并芘≤1μg／m3、氰化氫≤5 mg／m3、酚類物≤100mg／m3、非甲烷總烴≤200 mg／m3、氨≤50mg／m3、硫化氫≤10mg／m3、苯≤30mg／m3，不能滿足環(huán)保達標排放要求。

此外，現(xiàn)階段山西焦化焦爐煙氣NOX濃度基本在800mg／m3左右，國家排放標準為基準氧含量為8%、NOX含量≤130mg／m3，脫硫脫硝系統(tǒng)負荷較重。

2 技改設想及目標

焦化企業(yè)化產(chǎn)系統(tǒng)不可回收VOCs放散氣治理主要有活性炭吸附低溫催化燃燒技術、焚燒技術。其中，焚燒技術根據(jù)焦化企業(yè)自身工藝情況又分為進鍋爐焚燒與進焦爐焚燒，進焦爐焚燒有成熟的雙管技術及剛起步的單管技術。目前，焦爐廢氣循環(huán)優(yōu)化加熱技術在業(yè)內(nèi)開始應用，其原理是通過將焦爐煙氣引入焦爐開閉器替代部分空氣進行燃燒，從而降低焦爐煙氣的NOX排放量。

在對化產(chǎn)車間不可回收VOCs放散氣進行系統(tǒng)性治理的同時，鑒于焦爐煙囪廢氣循環(huán)優(yōu)化加熱技術可降低焦爐煙氣NOX濃度、減少焦爐脫硫脫硝系統(tǒng)氨耗等優(yōu)點，以及單座焦爐廢氣循環(huán)優(yōu)化加熱與VOCs放散氣治理同時實施比只實施不可回收VOCs放散氣治理僅增加投資約70萬元，且煤氣、液氨、催化劑等方面節(jié)約的費用與新增廢氣循環(huán)風機用電費用抵消后年可節(jié)約費用約84.72萬元的效益測算，擬將焦爐廢氣循環(huán)優(yōu)化加熱技術應用與化產(chǎn)車間VOCs放散氣治理同步實施。本項技改需達到如下目標。

（1）據(jù)《臨汾市2019年鋼鐵、焦化行業(yè)深度減排實施方案》要求，主要無組織排放源周邊1m處VOCs（非甲烷總烴）濃度＜5mg／m3。

（2）將回收的放散氣全部引入焦爐進行燃燒，不影響焦爐的正常加熱和安全生產(chǎn)，并對焦爐使用壽命無影響。

（3）焦爐實現(xiàn)源頭控硝，使焦爐煙氣NOX濃度控制在500mg／m3以下，經(jīng)脫硫脫硝系統(tǒng)處理后，達NOX超低排放要求，并優(yōu)化焦爐加熱。

3 技改方案比選

結合業(yè)內(nèi)不可回收VOCs放散氣治理技術及山西焦化生產(chǎn)實際，經(jīng)技術論證確定了VOCs放散氣預處理及最終處理工藝路線，具體如下。

3.1 不可回收VOCs放散氣預處理

化產(chǎn)車間不可回收VOCs放散氣預處理系統(tǒng)工藝流程為：各區(qū)域（冷鼓、硫銨、脫硫）放散氣收集→酸洗→堿洗→氣液分離器。VOCs放散氣經(jīng)酸洗、堿洗后的控制指標見表1。

表1 VOCs放散氣經(jīng)酸洗、堿洗后的控制指標

3.2 VOCs放散氣最終處理工藝技術路線比選

3.2.1 活性炭吸附+低溫催化燃燒

活性炭吸附＋低溫催化燃燒系統(tǒng)主要包括氣體吸附流程、氣體脫附流程及其控制系統(tǒng)。

（1）氣體吸附流程。預處理后的放散氣進入活性炭吸附床，其中的有機物被吸附，氣體得以凈化，凈化后的尾氣通過風機排入大氣。

（2）氣體脫附流程。當活性炭吸附床吸附飽和后，系統(tǒng)切換到備用吸附床（一開一備）運行。啟動脫附風機對飽和的吸附床進行脫附，脫附氣依次經(jīng)催化床中的換熱器、預熱器電加熱升溫至300℃左右，有機物在催化劑的作用下催化燃燒，被氧化分解為CO2和H2O，同時放出大量反應熱，氣體溫度進一步提高，該高溫氣體再次通過換熱器與冷風換熱回收一部分熱量；從換熱器出來的氣體分為兩部分，一部分直接放空，另一部分進入吸附床對活性炭進行脫附。當脫附溫度過高時，啟動補冷風機進行補冷，使脫附氣體溫度穩(wěn)定在適宜區(qū)間；活性炭吸附床內(nèi)溫度超過報警值時，自動啟用火災應急自動噴淋系統(tǒng)。

活性炭吸附＋低溫催化燃燒工藝的不足之處：①活性炭吸附飽和周期短，每周需脫附一次，活性炭使用壽命短，運行成本較高；②大量失效的活性炭需納入危險固廢處理與管理，存在環(huán)境風險；③脫附氣催化燃燒存在較大安全風險，安全管理難度大；④增加了對空排放點位及在線監(jiān)測點位，存在較大的環(huán)境風險，不利于環(huán)保管理。

3.2.2 鍋爐焚燒

預處理后的放散氣經(jīng)隔斷水封后引入鍋爐送風機入口，入鍋爐焚燒。鍋爐焚燒處理放散氣，工藝流程簡單，但山西焦化干熄焦裝置建成投產(chǎn)后蒸汽并入主蒸汽系統(tǒng)，夏季僅開1臺35t／h鍋爐，無法全部穩(wěn)定地回收VOCs放散氣。

3.2.3 焦爐焚燒

預處理后的放散氣作為助燃物經(jīng)阻火器后引入焦爐中間臺，送入焦爐地下室，在地下室分成兩條支路，每條支路上安裝氣動蝶閥，且一開一閉形成互鎖，并與開閉器“廢氣與空氣交換”系統(tǒng)一致，達到同步。

預處理后的放散氣送入焦爐焚燒，放散氣處理徹底，符合環(huán)保處理工藝的發(fā)展趨勢，目前業(yè)內(nèi)大部分企業(yè)用此法對VOCs放散氣進行治理。

通過對上述三種VOCs放散氣治理工藝路線的比選，認為不可回收VOCs放散氣進焦爐焚燒最適合山西焦化的生產(chǎn)實際。

4 改造方案

4.1 不可回收VOCs放散氣治理工藝

不可回收VOCs放散氣進入焦爐焚燒，需實現(xiàn)酸洗塔、堿洗塔全負壓操作，并通過配風以確保進入焦爐VOCs放散氣含氧在20%以上，替代部分焦爐燃燒空氣。如此一來，可實現(xiàn)化產(chǎn)系統(tǒng)無VOCs排放點，且焦爐煙氣中不再含有VOCs成分。VOCs放散氣零排放治理工藝流程見圖1。

圖1 VOCs放散氣零排放治理工藝流程簡圖

4.2 焦爐煙囪廢氣循環(huán)優(yōu)化加熱技改

焦爐煙囪廢氣循環(huán)優(yōu)化加熱技改，可實現(xiàn)焦爐源頭控硝，可使焦爐煙氣NOX濃度控制在500 mg／m3以下，經(jīng)脫硫脫硝系統(tǒng)處理后，達到NOX超低排放要求，并可優(yōu)化焦爐加熱，為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。

4.2.1 焦爐煙囪廢氣循環(huán)優(yōu)化加熱的技術優(yōu)勢

焦爐使用焦爐煤氣加熱時，燃燒室火焰溫度高，產(chǎn)生大量NOX，焦爐上升氣流火道是NOX產(chǎn)生的最主要場所。廢氣循環(huán)系統(tǒng)是將焦爐煙囪廢氣回配至廢氣開閉器中，稀釋助燃空氣中的氧含量，降低焦爐煤氣的燃燒速度并降低燃燒火焰溫度。具體來說，焦爐煙囪廢氣循環(huán)優(yōu)化加熱具有以下技術優(yōu)勢。

4.2.1.1 降低焦爐煙氣中的NOX含量

焦爐煙氣中的NOX形成機理基本上可歸結為兩大類型：一是熱力型NOX，即空氣中的N2和O2在高溫下反應生成NOX；二是含氮組分燃料型NOX，即煤氣中的含氮組分燃燒形成的NOX。大量基礎研究表明，熱力型NOX對焦爐煙氣中NOX的貢獻率達95%以上，因此，只要將熱力型NOX控制在適當水平，就可有效地控制焦爐煙氣中的NOX含量。焦爐煙囪廢氣循環(huán)優(yōu)化加熱，就是通過稀釋助燃空氣中的氧含量而有效降低熱力型NOX的產(chǎn)生。

4.2.1.2 改善焦爐高向加熱、優(yōu)化燃燒系統(tǒng)

焦爐內(nèi)燃燒火焰狀貌如圖2： “直燃1”為未加入廢氣的燃燒火焰，燃燒劇烈，熱量集中在立火道下部，為滿足上部加熱需要，則下部必然過熱；在焦爐開閉器助燃空氣入口加入焦爐煙囪廢氣，“直燃2”為廢氣加入后形成的貧氧燃燒火焰，貧氧燃燒的一個重要特點是局部氧量不足，碳氫化合物燃燒時形成CO，立火道下部溫度降低，可改善焦爐下部熱量過度“富集”的缺陷，而廢氣加入后火焰拉長（火焰可從原來的1.4m左右拉長至2.8m左右）也可改善焦爐下部熱量過度“富集”的狀況。簡言之，貧氧助燃，但總氧充足，CO進入立火道中部后會發(fā)生二次燃燒，熱量釋放在更大空間內(nèi)，熱能利用效率大幅提高，立火道高向溫差減小，較低的標準火道溫度即可滿足煤餅整體加熱需求。

圖2 焦爐內(nèi)燃燒火焰狀貌示意圖

4.2.1.3 節(jié)約回爐煤氣

（1）焦爐煙囪廢氣混入助燃空氣后，焦爐加熱機理發(fā)生變化，焦爐標準火道溫度降低，立火道上部和下部溫差減小，熱效率提高，這是焦爐回爐煤氣量降低的重要原因。

（2）焦爐煙囪廢氣中含氧約8%，焦爐煙囪廢氣混入助燃空氣后，進入焦爐的助燃空氣總量降低，隨助燃空氣進入燃燒室內(nèi)的氮氣同比降低，帶走熱量減小，回爐煤氣消耗必然降低，這同時也是煙囪廢氣總量減少的原因之一。

（3）焦爐煙囪廢氣循環(huán)利用技改實施后，焦爐滿負荷生產(chǎn)時，加熱煤氣消耗量維持在技改前加熱煤氣總量的95%左右即可滿足焦爐加熱需要，這是回爐煤氣消耗大幅降低的主要原因。

4.2.1.4 提高焦炭產(chǎn)量和化產(chǎn)品收率

（1）立火道標準溫度降低、高向溫差減小，為縮短焦爐結焦時間創(chuàng)造了條件，為提升焦炭產(chǎn)量提供了空間，焦炭產(chǎn)量可提高4%～5%。

（2）立火道標準溫度降低10～50℃，意味著焦爐平均溫度降低，入爐煤中的有機組分裂解量減少，煤氣中焦油、粗苯含量會有所提高，這是提高化產(chǎn)品收率的基礎條件。

4.2.1.5 降低焦爐煙氣量和焦爐煙囪廢氣量

（1）焦爐加熱煤氣消耗降低，焦爐煙氣量和焦爐煙囪廢氣量同步降低。

（2）焦爐煙囪廢氣循環(huán)燃燒，回配廢氣一般含氧量在8%左右，這部分氧參與燃燒后，需新配入的空氣量減少，焦爐煙氣量和焦爐煙囪廢氣量相應降低。

（3）工業(yè)生產(chǎn)中，大部分焦爐實際空氣過剩系數(shù)遠高于理論值，相當多的焦爐實際空氣過剩系數(shù)在1.5以上，而焦爐煙囪廢氣循環(huán)燃燒，實際空氣過剩系數(shù)一般控制在1.2左右，這是焦爐煙氣量和焦爐煙囪廢氣量大幅降低的主要原因。

4.2.2 焦爐煙囪廢氣循環(huán)優(yōu)化加熱改造方案

JN60型焦爐有65孔炭化室，滿負荷生產(chǎn)時，焦爐煙囪廢氣（270℃）產(chǎn)生量約150000 m3／h。VOCs放散氣與焦爐煙囪廢氣循環(huán)氣體按1∶1計算，混合后VOCs放散氣溫度為150℃，則工況下VOCs放散氣量為37700m3／h，混合所需抽取焦爐煙囪廢氣循環(huán)量為21000m3／h。

4.2.2.1 理論分析

理論上，VOCs放散氣量約27000m3／h進單座焦爐焚燒基本上可以滿足整體廢氣回配量的需求，但主要存在以下問題：①VOCs放散氣進單座焦爐廢氣循環(huán)系統(tǒng)，沖抵了大量焦爐煙囪廢氣回配量，入焦爐空氣（焦爐煙囪廢氣＋VOCs放散氣＋空氣形成的混合氣）含氧量在19%以上，焦爐加熱過程中NOX降幅有限；②VOCs放散氣若達到混合爆炸極限，優(yōu)先進入高溫的廢氣循環(huán)系統(tǒng)配燒，安全風險較高；③VOCs放散氣因系統(tǒng)故障突然切出焦爐廢氣循環(huán)系統(tǒng)，勢必會造成整個焦爐加熱系統(tǒng)紊亂，系統(tǒng)需重新進行調(diào)整，嚴重影響焦爐熱工效率。

因此，可將VOCs放散氣分配到2座焦爐，配入其各自的廢氣循環(huán)系統(tǒng)，以減弱對焦爐加熱系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的安全性。

4.2.2.2 混合氣單管路引入焦爐廢氣盤燃燒方案

2座焦爐各配置1套焦爐煙囪廢氣外循環(huán)系統(tǒng)（如圖3），焦爐煙囪廢氣外循環(huán)系統(tǒng)由廢氣引出系統(tǒng)、廢氣輸送系統(tǒng)、廢氣混入系統(tǒng)、廢氣交換系統(tǒng)等四部分構成，具體如下。

圖3 焦爐煙囪廢氣外循環(huán)系統(tǒng)示意圖

（1）廢氣引出系統(tǒng)：包括引風機、風機進出口管道及進出口蝶閥，2座焦爐各設1臺風機，均為變頻調(diào)速控制。

（2）廢氣輸送系統(tǒng)：回收的VOCs放散氣輸送至焦爐中間臺進入地下室，在地下室端臺處與焦側煙道氣混合，混合氣經(jīng)廢氣循環(huán)風機送至焦爐地下室機焦兩側廢氣開閉器下方，機焦兩側管道均設n＋2（n為焦爐孔數(shù)）條廢氣輸送支管，與n＋2個廢氣開閉器對應。

（3）廢氣混入系統(tǒng)：由鋼管、手動調(diào)節(jié)閥、測壓管和耐高溫金屬軟管等構成，其一端與廢氣輸送支管連接，另一端接入廢氣開閉器內(nèi)。

（4）廢氣交換系統(tǒng)：廢氣交換系統(tǒng)由柱塞換向閥、坨輪組和環(huán)鏈等構成，2座焦爐機焦兩側均配置n＋2套；特制的柱塞換向閥的閥芯上部通過環(huán)鏈、坨輪與交換機拉桿連接，實現(xiàn)與焦爐煙囪廢氣交換系統(tǒng)的同步交換；廢氣開閉器上安裝用于接通和斷開引入混合氣的裝置（鏈條連接的換向閥），與廢氣交換系統(tǒng)同步進行廢氣的交換。廢氣經(jīng)小煙道、蓄熱室、斜道，再至燃燒室與煤氣混合進行燃燒，有機物和其他無機物得以分解，燃燒后的廢氣再經(jīng)斜道、蓄熱室、小煙道、廢氣開閉器進入煙道，煙氣經(jīng)脫硫脫硝后通過焦爐煙囪排入大氣。

4.3 安全設施與管控措施

（1）由于VOCs放散氣中還含有一定量的CH4、H2和CO，在煤氣水封出現(xiàn)故障時會有煤氣進入放散氣系統(tǒng)，混合氣達到爆炸極限后可能產(chǎn)生爆炸。為保證VOCs放散氣焚燒和管道輸送的安全性，在VOCs放散氣入焦爐前的管道上安裝可燃氣體檢測儀及快切閥，在就地放空管前安裝快切閥，2臺快切閥與可燃氣體檢測儀聯(lián)鎖，當放散氣中可燃氣檢測值達爆炸下限的15%時發(fā)出聲光報警，放散氣中可燃氣檢測值達爆炸下限的20%時進焦爐前的快切閥關閉，就地放空管快切閥自動打開，放散氣在放空管處排放。

（2）VOCs放散氣主管道上安裝阻火水封、阻火器，防止發(fā)生回火。

（3）化產(chǎn)系統(tǒng)各區(qū)域VOCs放散氣進入主管道前的支線上分別設置手動閥控制放散氣量，并設置放散管道及閥門，方便調(diào)節(jié)與檢修。

（4）各排放點收集管道設蒸汽伴熱、蒸汽吹掃口及導淋口，可定期用蒸汽吹掃管道，消除管道內(nèi)萘結晶堵塞風險。

（5）VOCs放散氣回收系統(tǒng)之控制系統(tǒng)采用橫河CENTUMVPDCS系統(tǒng)，無縫嵌入原控制室CENTUMVPDCS系統(tǒng)中，與原控制室共享操作站、通訊和控制網(wǎng)絡，實現(xiàn)流量、壓力、聯(lián)鎖等自控功能；另外，煉焦交換機DCS系統(tǒng)中可檢測放散氣流量、壓力、可燃氣濃度及快切閥開關狀態(tài)。

5 效益分析

5.1 環(huán)保效益

（1）VOCs放散氣入焦爐焚燒，消除了化產(chǎn)系統(tǒng)（冷鼓、硫銨、脫硫區(qū)域）VOCs放散氣無組織排放現(xiàn)象。

（2）采用焦爐煙囪廢氣循環(huán)優(yōu)化加熱技術后，回配廢氣含氧量一般在8%左右，這部分氧參與燃燒后，需新配入空氣量減少，可改善焦爐高向加熱，焦爐加熱煤氣消耗減少，焦爐煙氣量和焦爐煙囪廢氣量隨之減少，減少了大氣污染物排放量。

（3）焦爐煙囪廢氣循環(huán)優(yōu)化加熱技術應用后，實現(xiàn)了焦爐源頭控硝，焦爐煙氣NOX濃度控制在500mg／m3以下，經(jīng)脫硫脫硝系統(tǒng)處理后，達到NOX超低排放要求，同時脫硫脫硝系統(tǒng)噴氨量減少，脫硝催化劑使用壽命延長。

5.2 經(jīng)濟效益

山西焦化單座6m 焦爐加熱煤氣用量為15000m3／h，采用“VOCs放散氣入焦爐焚燒＋焦爐煙囪廢氣循環(huán)優(yōu)化加熱”后，焦爐加熱煤氣消耗量降低2% ～6%，按照煤氣量降低3%、煤氣單價0.26元／m3、年運行8760h計算，年可節(jié)約焦爐煤氣成本102.49萬元；單座焦爐節(jié)約加熱煤氣產(chǎn)生的效益與循環(huán)風機耗電費用抵消后年可節(jié)約費用約45.94萬元，單座焦炭產(chǎn)量按650kt／a計算，噸焦生產(chǎn)成本降低約0.71元。

6 結束語

目前，山西焦化3座焦爐實施了VOCs放散氣入焦爐焚燒改造，2座焦爐實施了焦爐煙囪廢氣循環(huán)優(yōu)化加熱技改（正處于調(diào)試階段）。VOCs放散氣入焦爐焚燒采用最新的單管技術，不僅可節(jié)約投資，而且可實現(xiàn)焦爐煙氣與VOCs放散氣換向的同步，有利于焦爐的穩(wěn)定加熱；改造后，化產(chǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)了無VOCs放散氣排放口，取得了良好的環(huán)保效益與經(jīng)濟效益。