李榮

（運(yùn)城市生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)測中心，山西 運(yùn)城 043600）

引言

鋼鐵產(chǎn)業(yè)作為全球經(jīng)濟(jì)的重要支柱，在推動(dòng)工業(yè)發(fā)展中扮演著關(guān)鍵角色。在鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，由于焦化廠焦?fàn)t生產(chǎn)的冶金焦為高溫?zé)掕F過程中不可或缺的原料，因而焦化廠對(duì)鋼鐵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的作用。焦化廠煉焦需要先將煙煤裝入焦?fàn)t，讓煙煤在焦?fàn)t中被加熱到高溫，然后在這個(gè)過程中煤中的揮發(fā)性物質(zhì)被驅(qū)除，留下富含碳的固體物質(zhì)，即冶金焦（需要注意的是，這一干餾過程必須在隔絕空氣的條件下進(jìn)行，以防止煤炭燃燒）；焦?fàn)t通常使用高爐煤氣或焦?fàn)t煤氣作為燃料，并在焦?fàn)t的加熱過程中燃燒為煉焦提供所需的高溫，整個(gè)燃燒過程產(chǎn)生的大量且含有二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、顆粒物等的有毒廢氣，全部通過焦?fàn)t煙囪排出。根據(jù)相關(guān)研究，焦?fàn)t煙囪排放的SO2不僅會(huì)對(duì)周邊空氣質(zhì)量構(gòu)成威脅，同時(shí)也會(huì)增加呼吸系統(tǒng)疾病，影響人類健康。此外，由于環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，企業(yè)若無法有效控制SO2排放，也會(huì)面臨著巨大的經(jīng)濟(jì)壓力和聲譽(yù)風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此，本研究旨在深入探討焦?fàn)t煙囪SO2超標(biāo)排放問題的同時(shí)，通過分析SO2的來源及排放影響，評(píng)估當(dāng)前控制措施的效果，并探索新的改進(jìn)方法。研究目標(biāo)包括確定并量化焦?fàn)tSO2的主要來源、評(píng)估現(xiàn)有排放控制措施的有效性、提出創(chuàng)新的解決方案等，以更有效地減少SO2排放，期望為鋼鐵產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和實(shí)用建議，以及為相關(guān)政策制定提供支持。

1 工程概況

某鋼鐵公司地處山西省運(yùn)城市，作為鋼鐵行業(yè)的重要參與者，擁有悠久的歷史和顯著的市場影響力，其以先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和強(qiáng)大的生產(chǎn)能力在行業(yè)內(nèi)占據(jù)重要地位，不僅生產(chǎn)的鋼鐵產(chǎn)品種類較多，而且不斷追求技術(shù)創(chuàng)新和質(zhì)量提升。此外，該鋼鐵公司還一直重視環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展，致力于通過采用環(huán)保技術(shù)和改善工藝流程來減少環(huán)境污染。

某鋼鐵公司焦化廠現(xiàn)有2×70 孔TJL4350型復(fù)熱式搗固型機(jī)焦?fàn)t2 座，即4#和5#焦?fàn)t，炭化室高7.63m 且為復(fù)熱式包括3 段單集氣管、3 個(gè)吸氣管，干法熄焦、裝煤除塵采用PROven技術(shù)，出焦除塵采用地面站，年產(chǎn)量為120 萬t。當(dāng)前該鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦?fàn)t采用高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣94:6 摻混的混合煤氣做為燃料，加熱燃燒以優(yōu)化燃料的利用效率，同時(shí)減少污染氣體的排放。4#、5#焦?fàn)t產(chǎn)生的污染廢氣主要為SO2，因此降低SO2排放濃度對(duì)改善區(qū)域空氣質(zhì)量和保護(hù)區(qū)域環(huán)境具有重要意義。

在4#、5#焦?fàn)t煙囪安裝煙氣在線監(jiān)測CEMS 系統(tǒng)，對(duì)煙氣中的SO2濃度、NOx濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。從2020 年5 月的SO2排放濃度數(shù)據(jù)可知，SO2每小時(shí)排放濃度處于48～102mg/m3之間，SO2月平均排放濃度為69mg/m3，SO2排放濃度超過《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB16171-2012）表5 中的大氣污染物特別排放限值規(guī)定的焦?fàn)t煙囪不大于50mg/m3的規(guī)定，同時(shí)SO2超標(biāo)排放問題已引發(fā)周邊居民的多次環(huán)保投訴。因此，某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦?fàn)t急需有針對(duì)性的進(jìn)行技術(shù)改造、提高運(yùn)營效率、引入更有效的污染控制技術(shù)等，對(duì)4#、5#焦?fàn)t煙囪SO2排放濃度超標(biāo)問題進(jìn)行治理，降低焦?fàn)t煙囪中SO2排放濃度并使其符合環(huán)保法規(guī)的排放要求[2]。

2 焦?fàn)t煙囪SO2 來源分析

從硫元素的源頭分析可知，某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦?fàn)t煙囪中排放到大氣中含有SO2污染物的廢氣來源主要有2 種可能性。一是在焦?fàn)t燃?xì)馊紵龝r(shí)，燃?xì)庠现泻辛蛟?，燃燒生成SO2；二是煤料泄漏進(jìn)入燃燒室，煤料含有的硫元素在高溫條件下燃燒生成SO2。

2.1 焦?fàn)t加熱煤氣對(duì)焦?fàn)t煙囪SO2 含量的影響

某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦?fàn)t加熱煤氣采用高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣摻混的混合煤氣，且高爐煤氣為該鋼鐵公司煉鐵過程中的副產(chǎn)品，其硫分主要以硫化氫（H2S）的形式存在，經(jīng)檢測高爐煤氣中H2S 濃度僅為3.8mg/m3，對(duì)焦?fàn)t煤氣來說是一種硫含量較低的高爐煤氣。高爐煤氣在燃燒過程中，H2S 燃燒會(huì)被氧化成SO2，考慮到實(shí)際的空氣過剩系數(shù)，H2S 對(duì)煙囪廢氣中SO2濃度的貢獻(xiàn)值在0.9～1.2 倍之間，表明高爐煤氣中H2S 燃燒后全部轉(zhuǎn)化為SO2，且廢氣中SO2的濃度在3.8mg/m3左右。目前，由于儀器技術(shù)的限制，準(zhǔn)確測量H2S 到SO2的轉(zhuǎn)化率還存在一定困難，因而會(huì)導(dǎo)致實(shí)際操作中對(duì)SO2排放量的估算存在一定的不確定性。另外，由于高爐煤氣的成分是外部決定的，對(duì)于焦?fàn)t管理而言，這些成分是無法控制的。因此，考慮高爐煤氣成分對(duì)SO2排放的影響較小及測量存在不確性，在當(dāng)前階段不作為研究的主要問題[3]。

加熱煤氣摻混焦?fàn)t煤氣中的硫元素總量在150～200mg/m3之間，平均含量約180mg/m3。當(dāng)前某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦?fàn)t加入加熱煤氣總量為140000m3/h，摻混比例按6%計(jì)算，焦?fàn)t煤氣用量為8400m3/h，焦?fàn)t煤氣燃燒后硫元素全部轉(zhuǎn)化為SO2進(jìn)入排入煙氣中。按空氣系數(shù)1.4 計(jì)算，混合加熱煤氣可產(chǎn)生2.12m3廢氣，則焦?fàn)t煙囪中SO2含量約為12.8mg/m3。這表明，盡管焦?fàn)t煤氣中硫元素總量較大，但由于其摻混比例僅為9%，因此焦?fàn)t煙囪中排放的SO2含量也在較低水平。綜合來看，某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦?fàn)t加熱煤氣對(duì)焦?fàn)t煙囪SO2含量的影響較小，且焦?fàn)t加熱煤氣也不是導(dǎo)致4#、5#焦?fàn)t煙囪SO2排放超標(biāo)問題的因素。

2.2 焦?fàn)t爐體竄漏對(duì)焦?fàn)t煙囪SO2 濃度的影響

焦?fàn)t爐體竄漏是指由于焦?fàn)t爐體結(jié)構(gòu)缺陷、老化或操作不當(dāng)導(dǎo)致的氣體和物料的非正常泄漏。生產(chǎn)運(yùn)行期間由于爐體結(jié)構(gòu)的不完全密封，裝入碳化室內(nèi)的配煤隔絕空氣干餾生成的一部分荒煤氣通過焦?fàn)t爐體的磚縫直接泄漏至燃燒室，且這種竄漏現(xiàn)象也會(huì)導(dǎo)致部分未經(jīng)處理的荒煤氣直接進(jìn)入燃燒室，進(jìn)而影響煙氣的成分，提高SO2的排放濃度。此外，竄漏還會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)溫度不穩(wěn)定，進(jìn)一步加劇SO2的生成。

在煤的干餾過程中，大約有15%～35%的硫轉(zhuǎn)入荒煤氣中，以H2S 的形式存在，其余為有機(jī)硫，同時(shí)爐體竄漏導(dǎo)致的荒煤氣直接燃燒并使這部分硫變成SO2并進(jìn)入煙氣。當(dāng)前某鋼鐵公司焦化廠4#焦?fàn)t炭化室的荒煤氣漏氣率未超過3%，表明絕大多數(shù)荒煤氣被收集和處理，只有小部分通過竄漏進(jìn)入燃燒室。

荒煤氣的實(shí)際產(chǎn)率約為500000 m3/h，可通過量化的基礎(chǔ)來估算由于竄漏可能會(huì)造成SO2排放。根據(jù)某鋼鐵公司焦化廠4#焦?fàn)t裝爐煤全硫含量的情況，通過H2S 的含量與裝爐煤全硫含量St,d的關(guān)系可知，荒煤氣中H2S 的含量可用6g/m3取值進(jìn)行計(jì)算，得到理論可產(chǎn)生的焦?fàn)t煙囪中SO2含量約為60.2mg/m3。因此，焦?fàn)t爐體竄漏因素對(duì)焦?fàn)t煙囪SO2濃度的影響較大，可導(dǎo)致焦?fàn)t煙囪中的SO2濃度超標(biāo)。理論上計(jì)算得到的焦?fàn)t煙囪中總SO2含量為12.8+60.2=73mg/m3，與煙氣在線監(jiān)測CEMS 系統(tǒng)監(jiān)測值基本保持一致，符合實(shí)際生產(chǎn)情況。

綜上所述，焦?fàn)t爐體竄漏是導(dǎo)致某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦?fàn)t煙囪中SO2濃度超標(biāo)排放的關(guān)鍵因素，因此需要針對(duì)焦?fàn)t爐體竄漏進(jìn)行針對(duì)性的治理，以減少竄漏現(xiàn)象，降低SO2的排放。

3 焦?fàn)t煙囪SO2 排放濃度超標(biāo)的治理措施研究

本研究對(duì)某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦?fàn)t煙囪SO2來源進(jìn)行分析，研究焦?fàn)t加熱煤氣和焦?fàn)t爐體竄漏對(duì)焦?fàn)t煙囪SO2含量的影響，并在此基礎(chǔ)上提出焦?fàn)t煙囪SO2排放濃度超標(biāo)的治理措施[4]。

3.1 優(yōu)化加熱焦?fàn)t煤氣脫硫工藝

在治理焦?fàn)t煙囪SO2排放濃度超標(biāo)的過程中，優(yōu)化加熱焦?fàn)t煤氣脫硫工藝是關(guān)鍵步驟之一。針對(duì)某鋼鐵公司焦化廠化產(chǎn)作業(yè)區(qū)的現(xiàn)場具體情況，采用脫硫工藝優(yōu)化措施，提高脫硫效果，有效降低摻混焦?fàn)t煤氣的含硫總量，實(shí)現(xiàn)降低焦?fàn)t煙囪中SO2排放濃度的目的。一是改進(jìn)脫硫劑，使用硫醇基吸收劑、活性炭基材料等更高效的脫硫劑，其中活性炭因其高比表面積和多孔結(jié)構(gòu)，具有良好的吸附性能，能有效去除煤氣中的硫化物，實(shí)踐應(yīng)用效果理想。二是優(yōu)化脫硫工藝參數(shù)，精確控制脫硫塔的操作參數(shù)，如溫度、壓力和流速等，可有效確保最佳脫硫效果。三是增加吸收劑的循環(huán)量和接觸時(shí)間，提高吸收效率。四是定期維護(hù)和清理脫硫系統(tǒng)，以防止堵塞和磨損，確保系統(tǒng)運(yùn)行效率。五是引入智能自動(dòng)控制和監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控脫硫工藝的效果，及時(shí)調(diào)整操作參數(shù)應(yīng)對(duì)原料和操作條件的變化。

3.2 采用炭化室空壓密封技術(shù)控制炭化室漏氣率

為有效降低焦?fàn)t煙囪SO2排放濃度，提出并采用了用于控制焦?fàn)t炭化室漏氣的高效方法，即炭化室空壓密封技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵在于使用壓縮空氣來創(chuàng)建密封層，從而減少或防止炭化室的氣體泄漏[5]。

3.2.1 炭化室空壓密封技術(shù)原理

在焦?fàn)t炭化室的門和框架之間，通過特制的密封系統(tǒng)輸入壓縮空氣，讓這些壓縮空氣在門框和炭化室之間形成高壓氣體層，可有效阻止炭化室內(nèi)的氣體泄漏到外部環(huán)境。

3.2.2 炭化室空壓密封技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

通過有效密封，可顯著減少炭化室的漏氣率，提高煉焦效率；減少污染，并減少未燃燒氣體的泄漏，從而降低有害氣體（如SO2）的排放；減輕潛在的爆炸危險(xiǎn)，增加工作環(huán)境的安全性；減少熱量損失，提高能源整體利用效率。

3.2.3 應(yīng)用炭化室空壓密封技術(shù)降低SO2排放濃度

炭化室空壓密封技術(shù)特別適用于那些需要提高煉焦效率和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)代化焦化廠，可顯著改善焦?fàn)t的運(yùn)行效率和環(huán)境性能，是現(xiàn)代焦化廠提高生產(chǎn)效率和符合環(huán)保要求的有效手段之一。對(duì)某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦?fàn)t進(jìn)行改造，安裝必要的空壓密封設(shè)備和控制系統(tǒng)；對(duì)操作人員進(jìn)行相應(yīng)的培訓(xùn)，以熟悉新系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)；定期檢查和維護(hù)密封系統(tǒng)，確保其持續(xù)有效地運(yùn)行；實(shí)施適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控措施，以評(píng)估密封效果并及時(shí)調(diào)整操作參數(shù)。因此，應(yīng)用炭化室空壓密封技術(shù)能有效降低焦?fàn)t煙囪SO2排放濃度，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 合理設(shè)定系統(tǒng)換向周期及交換時(shí)間

在焦?fàn)t操作中，系統(tǒng)換向周期和交換時(shí)間是影響熱效率和燃燒完全性的關(guān)鍵因素，進(jìn)而對(duì)SO2排放產(chǎn)生重要影響。換向周期是指焦?fàn)t在2 個(gè)操作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的時(shí)間間隔，而交換時(shí)間是指完成這一轉(zhuǎn)換所需的具體時(shí)間。

在焦?fàn)t運(yùn)行中，系統(tǒng)交換是指從一炭化室向另一炭化室轉(zhuǎn)換加熱氣流的過程，通常會(huì)導(dǎo)致煤氣流動(dòng)性和燃燒條件的短暫變化。從焦?fàn)t煙囪SO2排放濃度在線監(jiān)測曲線可知，每次系統(tǒng)交換之后SO2濃度都會(huì)急劇升高，可能是由于交換過程中未完全燃燒的煤氣被快速排放到煙囪中導(dǎo)致，因此可通過增加換向周期的辦法來降低SO2排放濃度。通過將換向周期從20min 增加到30min，減少每小時(shí)內(nèi)的換向次數(shù)，從而減少SO2濃度的波動(dòng)和峰值。這種操作方式有助于平穩(wěn)煤氣流動(dòng)和燃燒過程，減少由于交換導(dǎo)致的煤氣和空氣比例失衡。某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦?fàn)t共用一處煙囪，調(diào)整換向周期對(duì)于減少SO2排放尤其重要，這可直接影響到2 座炭化室的排放。而同步或優(yōu)化2座焦?fàn)t的換向周期，也可以進(jìn)一步減少煙囪中SO2濃度的波動(dòng)，有效地降低每小時(shí)SO2排放的平均濃度，對(duì)達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和減少對(duì)環(huán)境的影響非常有益。

通過在系統(tǒng)交換時(shí)適當(dāng)延長停煤氣、空氣與廢氣交換2 個(gè)動(dòng)作時(shí)間間隔的辦法降低SO2排放濃度。其中，通過延長停煤氣和空氣交換的時(shí)間間隔，可確保焦?fàn)t中殘余的煤氣得到充分燃燒，有助于減少煙囪排放中未燃燒煤氣的量，從而降低SO2的生成；通過延長廢氣交換時(shí)間，可使燃燒后的廢氣更完全地排出系統(tǒng)，減少換向后SO2濃度的波峰高度，從而有效降低每小時(shí)的SO2排放平均濃度。

降低污染物排放，雖然有助于減少因燃燒不完全或交換過程中氣體混合不均勻?qū)е碌奈廴疚锱欧牛貏e是SO2的排放，但實(shí)施這種策略需要考慮焦?fàn)t的運(yùn)行特性和實(shí)際操作條件。操作人員需要根據(jù)煤氣的性質(zhì)和燃燒特點(diǎn)來確定最佳的停煤氣和交換時(shí)間，同時(shí)對(duì)這種操作調(diào)整進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控和評(píng)估，在不影響焦?fàn)t的其他操作效率的情況下，確保所采取的措施能夠有效降低SO2排放。

總體來說，適當(dāng)調(diào)整系統(tǒng)交換過程中的操作步驟，特別是延長停煤氣、空氣與廢氣交換的時(shí)間間隔，是控制和降低焦?fàn)t煙囪SO2排放濃度的有效方法之一，有助于環(huán)保合規(guī)和提升整體操作效率。

3.4 采用SDS 干法脫硫工藝技術(shù)對(duì)末端焦?fàn)t煙囪做最終處理

為進(jìn)一步降低某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦?fàn)t煙囪的SO2排放，提出采用“SDS 干法脫硫工藝+中低溫SCR 脫硝技術(shù)”，通過干粉吸收劑與煙氣中的SO2反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)SO2的高效去除。SDS 干法脫硫的關(guān)鍵在于其高效的反應(yīng)機(jī)制和簡便的操作流程，與濕法脫硫相比，SDS 干法脫硫具有運(yùn)行成本低、設(shè)備維護(hù)要求簡單、對(duì)環(huán)境的影響小等優(yōu)點(diǎn)。采用SDS 干法脫硫工藝技術(shù)對(duì)末端焦?fàn)t煙囪做最終處理后，焦?fàn)t煙囪的SO2排放濃度可降低至40mg/m3左右，完全符合GB16171-2012 的排放要求，效果理想。

結(jié)語

上述研究通對(duì)山西省運(yùn)城市某鋼鐵公司焦化廠4#、5#焦?fàn)t煙囪SO2排放情況進(jìn)行深入分析，采用優(yōu)化加熱煤氣脫硫工藝、控制炭化室漏氣率、合理設(shè)定系統(tǒng)換向周期及采用SDS干法脫硫技術(shù)等治理措施，有效降低了SO2排放濃度，治理后焦?fàn)t煙囪SO2排放濃度降低至40mg/m3左右，完全符合GB16171-2012 的排放要求。但實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的環(huán)境保護(hù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，需要行業(yè)、政府和社會(huì)各界的持續(xù)努力和合作，因此基于研究結(jié)果，未來還應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的技術(shù)創(chuàng)新、政策調(diào)整和行業(yè)實(shí)踐改進(jìn)。