化产系统不可回收VOCs放散气与焦炉废气综合利用小结

李晓宏

（山西焦化股份有限公司，山西洪洞 041606）

0 引 言

2019年3月12日， 《临汾市2019年钢铁、焦化行业深度减排实施方案》发布，要求焦化企业加快提升企业污染防治水平；2019年5月24日，生态环境部与国家市场监督管理总局联合发布了《挥发性有机物无组织排放控制标准》（GB37822—2019），要求现有企业于2020年7月1日起正式执行本标准，进一步加强了挥发性有机物（VOCs）无组织排放的控制和管理。面对日益严峻的VOCs治理要求与排放标准，焦化企业应当选择先进、成熟、稳定、可靠的治理技术实施改造。

1 技改背景

山西焦化股份有限公司（简称山西焦化）现有JN60型焦炉6座，设计产能3600kt／a焦炭。炼焦生产中，焦炉炭化室内产生的挥发物送到化产车间，化产车间的主要任务是净化处理炼焦生产中产生的荒煤气：荒煤气经循环氨水、高压氨水冷却后进入气液分离器，分离掉焦油及煤气后经初冷器冷却进入电捕焦油器除去焦油，焦油作为焦油深加工的原料送往粗苯焦油加工厂；除去焦油的煤气经鼓风机加压送硫铵工段饱和器，煤气中的氨与硫酸反应生成硫铵，硫铵作为产品外销；经饱和器脱氨后的煤气送往脱硫工段脱除煤气中的苯和硫化氢，生产合格的熔融硫，同时将富含苯族烃的富油送往粗苯工序蒸硫脱苯并对部分脱硫液进行提盐，净化后的煤气送往甲醇厂、锅炉、管式炉等用户。

当前化产车间煤气冷凝鼓风区域的放散气已收集至排气洗净塔进行处理，脱硫、硫铵区域的放散气仍处于无组织放散状态；而排气洗净塔的废气排放浓度为苯并芘≤1μg／m3、氰化氢≤5 mg／m3、酚类物≤100mg／m3、非甲烷总烃≤200 mg／m3、氨≤50mg／m3、硫化氢≤10mg／m3、苯≤30mg／m3，不能满足环保达标排放要求。

此外，现阶段山西焦化焦炉烟气NOX浓度基本在800mg／m3左右，国家排放标准为基准氧含量为8%、NOX含量≤130mg／m3，脱硫脱硝系统负荷较重。

2 技改设想及目标

焦化企业化产系统不可回收VOCs放散气治理主要有活性炭吸附低温催化燃烧技术、焚烧技术。其中，焚烧技术根据焦化企业自身工艺情况又分为进锅炉焚烧与进焦炉焚烧，进焦炉焚烧有成熟的双管技术及刚起步的单管技术。目前，焦炉废气循环优化加热技术在业内开始应用，其原理是通过将焦炉烟气引入焦炉开闭器替代部分空气进行燃烧，从而降低焦炉烟气的NOX排放量。

在对化产车间不可回收VOCs放散气进行系统性治理的同时，鉴于焦炉烟囱废气循环优化加热技术可降低焦炉烟气NOX浓度、减少焦炉脱硫脱硝系统氨耗等优点，以及单座焦炉废气循环优化加热与VOCs放散气治理同时实施比只实施不可回收VOCs放散气治理仅增加投资约70万元，且煤气、液氨、催化剂等方面节约的费用与新增废气循环风机用电费用抵消后年可节约费用约84.72万元的效益测算，拟将焦炉废气循环优化加热技术应用与化产车间VOCs放散气治理同步实施。本项技改需达到如下目标。

（1）据《临汾市2019年钢铁、焦化行业深度减排实施方案》要求，主要无组织排放源周边1m处VOCs（非甲烷总烃）浓度＜5mg／m3。

（2）将回收的放散气全部引入焦炉进行燃烧，不影响焦炉的正常加热和安全生产，并对焦炉使用寿命无影响。

（3）焦炉实现源头控硝，使焦炉烟气NOX浓度控制在500mg／m3以下，经脱硫脱硝系统处理后，达NOX超低排放要求，并优化焦炉加热。

3 技改方案比选

结合业内不可回收VOCs放散气治理技术及山西焦化生产实际，经技术论证确定了VOCs放散气预处理及最终处理工艺路线，具体如下。

3.1 不可回收VOCs放散气预处理

化产车间不可回收VOCs放散气预处理系统工艺流程为：各区域（冷鼓、硫铵、脱硫）放散气收集→酸洗→碱洗→气液分离器。VOCs放散气经酸洗、碱洗后的控制指标见表1。

表1 VOCs放散气经酸洗、碱洗后的控制指标

3.2 VOCs放散气最终处理工艺技术路线比选

3.2.1 活性炭吸附+低温催化燃烧

活性炭吸附＋低温催化燃烧系统主要包括气体吸附流程、气体脱附流程及其控制系统。

（1）气体吸附流程。预处理后的放散气进入活性炭吸附床，其中的有机物被吸附，气体得以净化，净化后的尾气通过风机排入大气。

（2）气体脱附流程。当活性炭吸附床吸附饱和后，系统切换到备用吸附床（一开一备）运行。启动脱附风机对饱和的吸附床进行脱附，脱附气依次经催化床中的换热器、预热器电加热升温至300℃左右，有机物在催化剂的作用下催化燃烧，被氧化分解为CO2和H2O，同时放出大量反应热，气体温度进一步提高，该高温气体再次通过换热器与冷风换热回收一部分热量；从换热器出来的气体分为两部分，一部分直接放空，另一部分进入吸附床对活性炭进行脱附。当脱附温度过高时，启动补冷风机进行补冷，使脱附气体温度稳定在适宜区间；活性炭吸附床内温度超过报警值时，自动启用火灾应急自动喷淋系统。

活性炭吸附＋低温催化燃烧工艺的不足之处：①活性炭吸附饱和周期短，每周需脱附一次，活性炭使用寿命短，运行成本较高；②大量失效的活性炭需纳入危险固废处理与管理，存在环境风险；③脱附气催化燃烧存在较大安全风险，安全管理难度大；④增加了对空排放点位及在线监测点位，存在较大的环境风险，不利于环保管理。

3.2.2 锅炉焚烧

预处理后的放散气经隔断水封后引入锅炉送风机入口，入锅炉焚烧。锅炉焚烧处理放散气，工艺流程简单，但山西焦化干熄焦装置建成投产后蒸汽并入主蒸汽系统，夏季仅开1台35t／h锅炉，无法全部稳定地回收VOCs放散气。

3.2.3 焦炉焚烧

预处理后的放散气作为助燃物经阻火器后引入焦炉中间台，送入焦炉地下室，在地下室分成两条支路，每条支路上安装气动蝶阀，且一开一闭形成互锁，并与开闭器“废气与空气交换”系统一致，达到同步。

预处理后的放散气送入焦炉焚烧，放散气处理彻底，符合环保处理工艺的发展趋势，目前业内大部分企业用此法对VOCs放散气进行治理。

通过对上述三种VOCs放散气治理工艺路线的比选，认为不可回收VOCs放散气进焦炉焚烧最适合山西焦化的生产实际。

4 改造方案

4.1 不可回收VOCs放散气治理工艺

不可回收VOCs放散气进入焦炉焚烧，需实现酸洗塔、碱洗塔全负压操作，并通过配风以确保进入焦炉VOCs放散气含氧在20%以上，替代部分焦炉燃烧空气。如此一来，可实现化产系统无VOCs排放点，且焦炉烟气中不再含有VOCs成分。VOCs放散气零排放治理工艺流程见图1。

图1 VOCs放散气零排放治理工艺流程简图

4.2 焦炉烟囱废气循环优化加热技改

焦炉烟囱废气循环优化加热技改，可实现焦炉源头控硝，可使焦炉烟气NOX浓度控制在500 mg／m3以下，经脱硫脱硝系统处理后，达到NOX超低排放要求，并可优化焦炉加热，为企业带来可观的经济效益。

4.2.1 焦炉烟囱废气循环优化加热的技术优势

焦炉使用焦炉煤气加热时，燃烧室火焰温度高，产生大量NOX，焦炉上升气流火道是NOX产生的最主要场所。废气循环系统是将焦炉烟囱废气回配至废气开闭器中，稀释助燃空气中的氧含量，降低焦炉煤气的燃烧速度并降低燃烧火焰温度。具体来说，焦炉烟囱废气循环优化加热具有以下技术优势。

4.2.1.1 降低焦炉烟气中的NOX含量

焦炉烟气中的NOX形成机理基本上可归结为两大类型：一是热力型NOX，即空气中的N2和O2在高温下反应生成NOX；二是含氮组分燃料型NOX，即煤气中的含氮组分燃烧形成的NOX。大量基础研究表明，热力型NOX对焦炉烟气中NOX的贡献率达95%以上，因此，只要将热力型NOX控制在适当水平，就可有效地控制焦炉烟气中的NOX含量。焦炉烟囱废气循环优化加热，就是通过稀释助燃空气中的氧含量而有效降低热力型NOX的产生。

4.2.1.2 改善焦炉高向加热、优化燃烧系统

焦炉内燃烧火焰状貌如图2： “直燃1”为未加入废气的燃烧火焰，燃烧剧烈，热量集中在立火道下部，为满足上部加热需要，则下部必然过热；在焦炉开闭器助燃空气入口加入焦炉烟囱废气，“直燃2”为废气加入后形成的贫氧燃烧火焰，贫氧燃烧的一个重要特点是局部氧量不足，碳氢化合物燃烧时形成CO，立火道下部温度降低，可改善焦炉下部热量过度“富集”的缺陷，而废气加入后火焰拉长（火焰可从原来的1.4m左右拉长至2.8m左右）也可改善焦炉下部热量过度“富集”的状况。简言之，贫氧助燃，但总氧充足，CO进入立火道中部后会发生二次燃烧，热量释放在更大空间内，热能利用效率大幅提高，立火道高向温差减小，较低的标准火道温度即可满足煤饼整体加热需求。

图2 焦炉内燃烧火焰状貌示意图

4.2.1.3 节约回炉煤气

（1）焦炉烟囱废气混入助燃空气后，焦炉加热机理发生变化，焦炉标准火道温度降低，立火道上部和下部温差减小，热效率提高，这是焦炉回炉煤气量降低的重要原因。

（2）焦炉烟囱废气中含氧约8%，焦炉烟囱废气混入助燃空气后，进入焦炉的助燃空气总量降低，随助燃空气进入燃烧室内的氮气同比降低，带走热量减小，回炉煤气消耗必然降低，这同时也是烟囱废气总量减少的原因之一。

（3）焦炉烟囱废气循环利用技改实施后，焦炉满负荷生产时，加热煤气消耗量维持在技改前加热煤气总量的95%左右即可满足焦炉加热需要，这是回炉煤气消耗大幅降低的主要原因。

4.2.1.4 提高焦炭产量和化产品收率

（1）立火道标准温度降低、高向温差减小，为缩短焦炉结焦时间创造了条件，为提升焦炭产量提供了空间，焦炭产量可提高4%～5%。

（2）立火道标准温度降低10～50℃，意味着焦炉平均温度降低，入炉煤中的有机组分裂解量减少，煤气中焦油、粗苯含量会有所提高，这是提高化产品收率的基础条件。

4.2.1.5 降低焦炉烟气量和焦炉烟囱废气量

（1）焦炉加热煤气消耗降低，焦炉烟气量和焦炉烟囱废气量同步降低。

（2）焦炉烟囱废气循环燃烧，回配废气一般含氧量在8%左右，这部分氧参与燃烧后，需新配入的空气量减少，焦炉烟气量和焦炉烟囱废气量相应降低。

（3）工业生产中，大部分焦炉实际空气过剩系数远高于理论值，相当多的焦炉实际空气过剩系数在1.5以上，而焦炉烟囱废气循环燃烧，实际空气过剩系数一般控制在1.2左右，这是焦炉烟气量和焦炉烟囱废气量大幅降低的主要原因。

4.2.2 焦炉烟囱废气循环优化加热改造方案

JN60型焦炉有65孔炭化室，满负荷生产时，焦炉烟囱废气（270℃）产生量约150000 m3／h。VOCs放散气与焦炉烟囱废气循环气体按1∶1计算，混合后VOCs放散气温度为150℃，则工况下VOCs放散气量为37700m3／h，混合所需抽取焦炉烟囱废气循环量为21000m3／h。

4.2.2.1 理论分析

理论上，VOCs放散气量约27000m3／h进单座焦炉焚烧基本上可以满足整体废气回配量的需求，但主要存在以下问题：①VOCs放散气进单座焦炉废气循环系统，冲抵了大量焦炉烟囱废气回配量，入焦炉空气（焦炉烟囱废气＋VOCs放散气＋空气形成的混合气）含氧量在19%以上，焦炉加热过程中NOX降幅有限；②VOCs放散气若达到混合爆炸极限，优先进入高温的废气循环系统配烧，安全风险较高；③VOCs放散气因系统故障突然切出焦炉废气循环系统，势必会造成整个焦炉加热系统紊乱，系统需重新进行调整，严重影响焦炉热工效率。

因此，可将VOCs放散气分配到2座焦炉，配入其各自的废气循环系统，以减弱对焦炉加热系统的影响，提高系统的安全性。

4.2.2.2 混合气单管路引入焦炉废气盘燃烧方案

2座焦炉各配置1套焦炉烟囱废气外循环系统（如图3），焦炉烟囱废气外循环系统由废气引出系统、废气输送系统、废气混入系统、废气交换系统等四部分构成，具体如下。

图3 焦炉烟囱废气外循环系统示意图

（1）废气引出系统：包括引风机、风机进出口管道及进出口蝶阀，2座焦炉各设1台风机，均为变频调速控制。

（2）废气输送系统：回收的VOCs放散气输送至焦炉中间台进入地下室，在地下室端台处与焦侧烟道气混合，混合气经废气循环风机送至焦炉地下室机焦两侧废气开闭器下方，机焦两侧管道均设n＋2（n为焦炉孔数）条废气输送支管，与n＋2个废气开闭器对应。

（3）废气混入系统：由钢管、手动调节阀、测压管和耐高温金属软管等构成，其一端与废气输送支管连接，另一端接入废气开闭器内。

（4）废气交换系统：废气交换系统由柱塞换向阀、坨轮组和环链等构成，2座焦炉机焦两侧均配置n＋2套；特制的柱塞换向阀的阀芯上部通过环链、坨轮与交换机拉杆连接，实现与焦炉烟囱废气交换系统的同步交换；废气开闭器上安装用于接通和断开引入混合气的装置（链条连接的换向阀），与废气交换系统同步进行废气的交换。废气经小烟道、蓄热室、斜道，再至燃烧室与煤气混合进行燃烧，有机物和其他无机物得以分解，燃烧后的废气再经斜道、蓄热室、小烟道、废气开闭器进入烟道，烟气经脱硫脱硝后通过焦炉烟囱排入大气。

4.3 安全设施与管控措施

（1）由于VOCs放散气中还含有一定量的CH4、H2和CO，在煤气水封出现故障时会有煤气进入放散气系统，混合气达到爆炸极限后可能产生爆炸。为保证VOCs放散气焚烧和管道输送的安全性，在VOCs放散气入焦炉前的管道上安装可燃气体检测仪及快切阀，在就地放空管前安装快切阀，2台快切阀与可燃气体检测仪联锁，当放散气中可燃气检测值达爆炸下限的15%时发出声光报警，放散气中可燃气检测值达爆炸下限的20%时进焦炉前的快切阀关闭，就地放空管快切阀自动打开，放散气在放空管处排放。

（2）VOCs放散气主管道上安装阻火水封、阻火器，防止发生回火。

（3）化产系统各区域VOCs放散气进入主管道前的支线上分别设置手动阀控制放散气量，并设置放散管道及阀门，方便调节与检修。

（4）各排放点收集管道设蒸汽伴热、蒸汽吹扫口及导淋口，可定期用蒸汽吹扫管道，消除管道内萘结晶堵塞风险。

（5）VOCs放散气回收系统之控制系统采用横河CENTUMVPDCS系统，无缝嵌入原控制室CENTUMVPDCS系统中，与原控制室共享操作站、通讯和控制网络，实现流量、压力、联锁等自控功能；另外，炼焦交换机DCS系统中可检测放散气流量、压力、可燃气浓度及快切阀开关状态。

5 效益分析

5.1 环保效益

（1）VOCs放散气入焦炉焚烧，消除了化产系统（冷鼓、硫铵、脱硫区域）VOCs放散气无组织排放现象。

（2）采用焦炉烟囱废气循环优化加热技术后，回配废气含氧量一般在8%左右，这部分氧参与燃烧后，需新配入空气量减少，可改善焦炉高向加热，焦炉加热煤气消耗减少，焦炉烟气量和焦炉烟囱废气量随之减少，减少了大气污染物排放量。

（3）焦炉烟囱废气循环优化加热技术应用后，实现了焦炉源头控硝，焦炉烟气NOX浓度控制在500mg／m3以下，经脱硫脱硝系统处理后，达到NOX超低排放要求，同时脱硫脱硝系统喷氨量减少，脱硝催化剂使用寿命延长。

5.2 经济效益

山西焦化单座6m 焦炉加热煤气用量为15000m3／h，采用“VOCs放散气入焦炉焚烧＋焦炉烟囱废气循环优化加热”后，焦炉加热煤气消耗量降低2% ～6%，按照煤气量降低3%、煤气单价0.26元／m3、年运行8760h计算，年可节约焦炉煤气成本102.49万元；单座焦炉节约加热煤气产生的效益与循环风机耗电费用抵消后年可节约费用约45.94万元，单座焦炭产量按650kt／a计算，吨焦生产成本降低约0.71元。

6 结束语

目前，山西焦化3座焦炉实施了VOCs放散气入焦炉焚烧改造，2座焦炉实施了焦炉烟囱废气循环优化加热技改（正处于调试阶段）。VOCs放散气入焦炉焚烧采用最新的单管技术，不仅可节约投资，而且可实现焦炉烟气与VOCs放散气换向的同步，有利于焦炉的稳定加热；改造后，化产系统实现了无VOCs放散气排放口，取得了良好的环保效益与经济效益。