浅谈焦化过程中PM2.5的排放与控制

李忠庆

（山西省化工设计院，山西 太原 030024）

我国是世界上主要的焦炭生产国和出口国，焦炭产量占据世界的一半，出口量更是高达世界的60%。焦炭的生产过程就是焦化过程。焦化过程的基础是热分解，或者称为煤的干馏，即，在完全没有空气的情况下，将焦炉中的煤加热，不同的温度可以产生不同的物理、化学的变化过程。焦化过程以及产品回收过程产生的工业原料有煤焦油、焦炭、苯族烃及煤气［1］。

实际上，焦化过程可以分为2个过程，即，炼焦以及化学产品回收。在炼焦过程中会排出一次粒子和二次粒子前体物，如，碳氢化合物、NH3、NOx和SO2等一些污染物质；而化学产品回收中通常只排出二次粒子前体物。这些过程导致焦化过程变成了一种污染极大的产业。所以，焦化过程中对污染物排放量的控制已经成为焦化产业急需解决的难题之一。

1 焦化过程中PM2.5的排放特点［2－3］

1.1 焦化过程

焦化过程中产生大气污染最严重的有3个环节，分别是装煤、出焦以及熄焦，这些过程都会产生大量的颗粒物。颗粒物的粒径分为3种：PM2.5、PM10以及TSP。通常，将粒径小于2.5μm的颗粒物叫做PM2.5；粒径小于10μm的颗粒物叫做PM10；粒径小于100μm的颗粒物叫做TSP。

在生产过程中，装煤烟尘中颗粒物质量浓度在2g／m3～10g／m3，外排气体中颗粒物的质量浓度在20mg／m3～50mg／m3；出焦烟气中颗粒物质量浓度在5g／m3～12g／m3，外排气体中颗粒物的质量浓度在20mg／m3～50mg／m3，脱除效率高达99%；不同的熄焦方式产生的颗粒物的量都不尽相同，颗粒物质量浓度为40g／（t焦）～300g／（t焦）。

焦化过程的加热通常由高炉煤气、焦炉气、混合煤气和空气燃烧产生，焦炉的排放烟囱里会排放出形成PM2.5的二次粒子前体物，这也是产生SO2和NOx的主要来源。

钢铁工业中焦化过程的加热一般用混合煤气或者高炉煤气。1t焦炭消耗1 000m3的贫煤气，而1m3贫煤气的燃烧会产生1.92m3的干烟气。即，1t焦炭将产生1 920m3的干烟气。但是，对于独立的焦化工厂，常用焦炉产的煤气进行加热，1t焦炭消耗200m3焦炉煤气，1m3焦炉煤气会产生6.76m3干烟气。因此，1t焦炭产生1 352m3干烟气。

我国2012年施行的炼焦化学工业污染物排放标准规定，普通地区焦炉烟囱中排放SO2质量浓度要小于50mg／m3、NOx质量浓度小于500mg／m3。对于重点控制区，要求得更加严格，焦炉排气烟囱排放的SO2质量浓度必须小于30mg／m3、NOx质量浓度小于150mg／m3。但是，我国目前的实际情况却不尽人意，NOx的浓度严重超标，完全达不到炼焦化学工业污染物的排放标准。

1.2 化学产品的回收

化学产品的回收主要由4个步骤组成：焦油回收、氨回收、硫回收以及粗苯回收。以氨回收的特征来进行分类，焦化的回收工艺可以分为A.S流程和硫铵流程。A.S流程中的氨只用来脱除煤气中的硫，而不直接用来回收氨；硫铵流程是将焦炉煤气中的氨回收用来生产硫酸铵。目前，国内多采用硫铵流程来回收。

形成PM2.5的二次粒子前体物还包括化学产品回收过程中排放的污染物NH3、H2S和烃类物质。

调查结果显示，1t焦炭排放污染物0.47kg。以我国焦炭4亿t／a为例，NH3排放量为33 560t／a，H2S排放量为38 000t／a，HCN排放量为2 520t／a，CmHn排放量为428 900t／a。这些形成PM2.5的二次粒子前体物最大的特点就是，在空气中停留时间很长，蔓延的距离很远，不仅影响空气质量，危害人体健康，而且加剧了PM2.5的形成。

2 焦化过程中PM2.5的控制

2.1 焦化过程的控制

焦化过程中粉尘颗粒物大部分来源于装煤、出焦、熄焦过程。其中，出焦时排放的PM2.5和PM10的浓度是最高的。虽然有布袋除尘技术，但仍不能有效地应对PM2.5所产生的问题。目前，对于焦化过程中PM2.5排放的控制，一般采用陶瓷膜或布袋除尘后循环水洗涤技术。

2.2 炼焦加热过程的控制

降低焦炉中SO2排放量的最好方法是控制焦炉中H2S的含量。新建焦化厂，最好选择能长期稳定运行且脱硫效率高的MTS负压脱硫方法，将H2S质量浓度保持在小于15mg／m3；已经投产的焦化厂，对使用湿式氧化脱硫的设备可以采取相应升级的办法来改造，提高脱硫效率。同时，严格脱硫工段的管理和生产操作，降低排放的含硫量。

焦炉中排出的NOx是空气和煤气高温燃烧所产生的，故降低NOx排放量最好的方法是改变空气、煤气的燃烧条件。

第1种方案，将空气分阶段进行燃烧。例如，先将空气量减少到所需空气总量的70%～75%。此时，氧气多，燃料少，燃烧时能够降低燃烧区的温度和燃烧速度，在还原性气氛里还可以降低NOx的反应率，从而降低NOx在这一过程的生成量。然后，将剩余所需的空气从燃烧室的上方送进去，与正在燃烧的气体混合，完成燃烧过程。

第2种方案，将煤气分阶段进行燃烧。因为燃烧生成的NO在遇到烃根和没有完全燃烧产生的H2、CO、C或CnHm时，会发生NO的还原反应。根据这个原理，可以先将80%～85%的煤气送进焦炉的燃烧室底部，生成NOx。再将剩余的煤气送进焦炉的燃烧室上面，生成还原性强的气氛，使NOx在还原性强的气氛中被还原成氮分子。这样，不仅还原了NOx，而且抑制了新的NOx的生成，降低了NOx的排放量。

2.3 化学产品回收的控制

国内主要的化学产品回收技术采用硫铵流程，使用正压工艺，水蒸气当载体，用化工单元操作控制温度变化来使能量流无序，因此污染物的排放量特别大。所以，要严格控制化学产品的回收，采用负压工艺，去蒸汽化，能量流有序的工艺流程更好。

3 结论

焦化过程中排放的污染物与PM2.5的形成有着密不可分的关系。出焦过程采用陶瓷膜、布袋除尘并循环的水洗涤技术能够降低PM2.5的排放；炼焦加热过程采用分段燃烧的方式可降低NOx的排放；焦化过程中化学产品回收采用负压、去蒸汽、有序的短流程可以控制污染物的排放。

［1］ 于振东，郑文华.现代焦化生产技术手册［M］.北京：冶金工业出版社，2010.

［2］ 齐炜.炼焦过程中硫元素迁移规律研究［J］.洁净煤技术，2014，20（1）：34－35.

［3］ 李从庆.炼焦生产大气污染物排放特征研究［D］.重庆：西南大学，2009.