王永 龐克亮 陳鵬 王飛 胡紹偉 劉芳

本文重點介紹了鞍鋼焦爐煙氣的控制情況。2012 年國家制定新的煉焦化學工業污染物排放標準。隨著新標準的制定，焦爐煙氣的氮氧化物與二氧化硫排放指標更加嚴格。鞍鋼通過淘汰拆除陳舊焦爐，對新焦爐采用更嚴格的作業標準，控制工藝參數以降低氮氧化物的排放，以達到國家新標準要求。

1 前言

焦爐是冶金企業中造成大氣污染最嚴重的設備之一。焦爐排放的污染物成分復雜，含有一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、氰化氫、氮氧化物、二氧化硫、殘氨、酚以及煤塵、焦油等。本文涉及的污染物主要是氮氧化物以及二氧化硫。

2012 年國家制定的《煉焦化學工業污染物排放標準》首次將焦爐煙囪排放的氮氧化物列為我國焦化企業大氣污染物排放的控制指標，2015 年1 月1 日起所有企業焦爐煙囪排放二氧化硫小于50mg/m³，氮氧化物小于500mg/m³(機焦)，顆粒物小于50mg/m³。

日本和德國早在20 世紀70 年代和80 年代即已分別制定出類似的標準。國內煉焦工業的污染物排放標準對新建的焦爐并不是難以達到的，但是對運行了十幾年或者二十年，壽命已經達到中后期的焦爐將是嚴峻的考驗。目前我國大多數焦爐，特別是用焦爐煤氣加熱的焦爐，煙囪排放的NOx 一般高于500mg/m³。

2 鞍鋼焦爐現狀

鞍鋼廠區內共有16 座焦爐，其中東區有新一煉焦2×6m 焦爐、二煉焦2×6m 焦爐、三煉焦4×4.3m 焦爐、新四煉焦2×6m 焦爐、五煉焦2×5m 焦爐、新六煉焦2×6m 焦爐，西區煉焦2×7m 焦爐。鞍鋼5m 以下焦爐是上世紀80 年代建設的，其設計工藝落后且爐齡較長，排放無法滿足國家新標準要求，因此2014 年9 月鞍鋼將四座4m、兩座5m 焦爐拆除。

3 焦爐煙氣氮氧化物形成機理

燃燒過程中氮氧化物形成機理可分為三種:由大氣中氮生成，只在高溫下形成的溫度熱力型NOx；低溫火焰中含碳自由基形成的瞬時型NOx；燃料中固定氮生成的NOx 為燃料型NOx。一般焦爐主要是利用焦爐煤氣、高爐煤氣或者二者的混合煤氣做為熱源對煤炭進行干餾。如果單獨采用焦爐煤氣加熱，其優點是焦爐煤氣可燃成分濃度大，燃燒速度快，火焰短而亮，燃燒時火焰局部溫度高，提供一定的熱量需要的煤氣量少，加熱系統阻力小，煉焦耗熱量低；缺點是根據燃燒過程中氮氧化物的形成機理來看，產生的熱力型氮氧化物較高爐煤氣多，同時由于焦爐煤氣中的含有未處理干凈的焦油、茶，除了易堵塞管道外，還會對燃料型NOx 生成有一定貢獻。這也是僅采用焦爐煤氣做熱源的焦爐所生成的氮氧化物一般都高于500mg/m³ 的原因。

高爐煤氣不可燃成分約占70%，故熱值低，其優點是提供一定的熱量所需煤氣多，燃燒速度慢，火焰長，高向加熱均勻性好。若單獨采用高爐煤氣，則基本不產生燃料型氮氧化物，因此在相同條件下，采用高爐煤氣加熱比用焦爐煤氣加熱所產生的氮氧化物要少；缺點是高爐煤氣不預熱時理論燃燒溫度低，因此必須經蓄熱室預熱至1000℃上，才能滿足燃燒室溫度要求，廢氣量較多，耗熱量高，加熱系統阻力大。為了高爐煤氣的加熱順利，鋼鐵企業最常見的做法是采用焦爐煤氣與高爐煤氣的混合煤氣，其中焦爐煤氣含量占2%-5%。

資料表明，焦爐加熱立火道溫度在1300-1350℃溫差±10℃，則NOx 生成量在±30mg/m³ 波動。燃燒溫度對溫度熱力型NOx 生成有決定性的作用，當燃燒溫度高于1600℃，NOx 量按指數規律迅速增加。由此可見，焦爐煙氣中的氮氧化物主要是溫度熱力型。

4 焦爐煙氣氮氧化物控制

任何燃燒廢氣的NOx 排放控制技術都分為兩類。第一類是在燃燒過程中抑制NOx 生成的技術，第二類是燃燒后終端治理。終端治理目前最常用的方法是采用SCR 脫硝法，對焦爐煙氣進行末端處理的主要問題在于成本高昂，企業難以承受。對于使用純焦爐煤氣做熱源的煉焦企業有一定的運行空間，原因在于單獨采用過程中控制氮氧化物技術無法達到標準排放要求。

SCR 脫硝法目前最成熟的工藝主要應用在電廠煙氣脫硝。由于電廠煙氣溫度較高(大于1300℃，市場上開發的催化劑活性區間一般也在300℃上，比焦爐煙囪排放煙氣溫度要高，如果焦爐煙氣要采用SCR 脫硝，必須要有小于250℃有活性的催化劑。

對于使用高爐煤氣或混合煤氣做熱源的煉焦企業，通過采用合理的過程控制氮氧化物技術，排放基本能達到國家標準，而不需要采用終端治理技術。合理確定火道溫度，控制實際燃燒溫度，往燃燒空氣內摻人廢氣，廢氣循環、分段燃燒以及將它們相結合的復合技術等都是能降低燃燒廢氣中NOx 含量的有效措施。

4.1 廢氣循環

煙氣循環是目前使用較多的低NOx 燃燒技術。在空氣預熱器前抽取一部分低溫煙氣直接送入爐膛，或者滲入一次風或二次風中。因煙氣的吸熱和對氧氣的稀釋作用會降低燃燒速度和爐內溫度，故抑制了熱力型NOx 的生成。立火道采用廢氣循環可以降低煤氣中可燃成分和空氣中氧的濃度，并增加氣流速度，從而拉長火焰，有利于焦餅上下加熱均勻，改善焦炭質量，縮短結焦時間，增加產量并降低耗熱量。煙氣循環法特別適用于含氮量低的燃料。經驗表明，煙氣再循環量一般控制在10%-20%，若超過30%，則會降低燃燒效率，降氮效果最高達25%。

4.2 分段加熱

分段加熱一般是只用空氣分段，或空氣和貧煤氣分段供給加熱。采用分段加熱一般都是7m以上的焦爐，由于焦爐較大，分段加熱可以使焦爐受熱更均勻，鞍鋼西區的7m 焦爐也采用了分段加熱技術。

廢氣循環與分段加熱技術是在設計焦爐時就已經設計完成。對于已經運行多年的焦爐，爐體結構、加熱方式等條件已固定不能更改。目前運行的焦爐大多有廢氣循環的功能，而分段加熱技術一般在7m 以上大型焦爐才有應用，中小型焦爐基本沒有。而通過控制實際燃燒溫度減少溫度熱力型NOx，對于無論何種類型的焦爐都有實際操作的可能性。

4.3 控制實際燃燒溫度

焦爐使用高爐煤氣或混合煤氣加熱，燃燒過程中所生成的主要是溫度熱力型NOx。當空氣過剩系數α=1.1，空氣預熱到1100℃高爐煤氣理論燃燒溫度為2150℃實際燃燒溫度比測定的火道溫度相差200℃右，燃燒溫度稍有衰減，實際燃燒溫度介于理論燃燒溫度和測定火道溫度之間，這就為NOx 的生成提供了適宜的高溫環境。

1)降低火道溫度。燃燒室火道區域的高溫環境是產生溫度熱力型NOx 的直接原因。在保證焦炭質量的前提下，可適當降低火道標準溫度。

2)降低空氣過剩系數。煤氣燃燒所需的空氣量減少，燃燒過程氧含量也降低，使煤氣在較小的空氣過剩系數下燃燒，可達到減輕NOx 生成的目的。試驗表明，當立火道的空氣過剩系數由1.4 降到1.25 時，立火道上下溫差縮小了15℃右，相當于降低了立火道中的燃燒溫度。

3)優化焦爐熱工制度。調整焦爐的直行和橫排溫度均勻性，避免出現高溫火道和系統性溫度偏差現象，NOx 也就失去了生成的條件。

4)改變焦爐煤氣組分。燃料中的含氮化合物有20%-80%轉化為NOx。控制對焦爐煤氣的摻混比例，既降低了煤氣的燃燒溫度，又抑制了NOx 的生成。

焦爐煙氣中SO₂ 來源主要是三個方面，一是焦爐加熱用煤氣中H₂S 燃燒所生成的SO₂；二是焦爐加熱用煤氣有機硫燃燒所生成的SO₂；三是因焦爐爐體串漏導致荒煤氣進入燃燒系統，其中所含的全硫化物燃燒所生成的SO₂。

SO₂ 的排放量取決于加熱煤氣的種類。當用高爐煤氣加熱時，因高爐煤氣含硫量低，所以廢氣中SO₂ 含量不高。如果用焦爐煤氣加熱，雖然焦爐煤氣有脫硫工藝，但是還是有一定含量的H₂S 未凈化干凈以及焦爐煤氣中存在有機硫，最后變成SO₂ 通過煙囪排放。有資料顯示，焦爐煤氣在脫硫以后，H₂S 的含量在焦爐煤氣中仍可達到20-800mg/m³。焦爐荒煤氣中有機硫總質量濃度為500-900mg/m³，其中含硫質量濃度300-600mg/m³。在焦爐煤氣凈化過程中，幾乎所有工序均具脫除有機硫化物的作用，只是工藝過程條件越適合有機硫化物的脫除，其脫除率也越高。焦爐爐體竄漏導致的荒煤氣中硫化物從炭化室經爐墻縫隙竄漏至燃燒室，并燃燒生成SO₂，從而導致焦爐煙囪廢氣中SO₂ 濃度升高。荒煤氣含硫化物總質量濃度一般為6500-10000mg/m³，是凈化后煤氣的15-25 倍。使用混合煤氣，由于焦爐煤氣比例較低，此時SO₂ 的主要來源是爐體串漏的荒煤氣帶來的，特別是運行壽命到達中后期的焦爐，爐體串漏處較多，會導致煙氣中SO₂ 的含量較高，所以加強對焦爐的日常維護減少爐體串漏是減少SO₂ 排放的主要措施。此外，雖然僅有少量荒煤氣竄漏，也會對焦爐煙囪廢氣SO₂ 排放濃度達標構成嚴重影響。

6 鞍鋼焦爐煙氣污染物排放情況

表1 是鞍鋼六座焦爐的機側或者焦側空氣過剩系數與排放的部分污染物數據。由數據1、2可以看出，在燃料成分一樣的前提下，空氣過剩系數高的焦爐，煙氣所產生的NOx 就較高；由數據3、4、5 可以看出，空氣過剩系數相同或者相近，燃料成分中含焦爐煤氣多的產生NOx 濃度較高。6m 焦爐采用了廢氣循環技術，7m 焦爐采用了廢氣循環與分段加熱技術相結合。由數據5、6可以看出，使用燃料成分相同，即使7m 焦爐的空氣過剩系數較高，但是產生的NOx 也是較低的，主要原因在于7m 焦爐采用了廢氣循環與分段加熱技術相結合，降低了NOx 的產生。7m 焦爐爐齡較短，基本沒有爐墻串漏的情況，所以即使使用了高爐煤氣摻燒3%的焦爐煤氣，SO₂ 排放也達到國家標準。而6m 焦爐爐齡較長，有的焦爐已經使用超過10 年，爐墻串漏較多，即使使用高爐煤氣做加熱燃料，SO₂ 的排放也超出國家最新標準。由此可見，爐墻串漏對SO₂ 排放指標影響較大。

7 結語

對于使用高爐煤氣或者混合煤氣加熱的焦爐，在不采用終端治理的情況下，通過積極控制焦爐立火道溫度、控制空氣過剩系數，降低焦爐煙氣中NOx 排放，使焦爐煙氣的排放達到新標準要求；同時加強對焦爐的日常維護管理，減少爐體串漏，能最大限度的減少SOx 的排放。