焦炉烟气SO2和NOx排放来源及控制治理技术

:炼焦生产过程中煤气燃烧生成的烟道废气含有的SO2和NOx是大气主要污染物[1]。据国家统计局数据显示，2011-2015年全国焦炭产量均在4.3亿吨以上，2015年焦炭产量约4.48亿吨，我国作为焦炭生产大国，炼焦生产焦炉烟道排放的SO2和NOx总量不容小觑。国家环保部发布的《炼焦化学工业污染物排放标准》要求，自2015年1月1日起现有企业和新建企业执行更为严格的污染物排放标准：机焦和半焦炉SO2≤50mg/m3、NOx≤500 mg/m3，热回收焦炉SO2≤100mg/m3、NOx≤200mg/m3；对于特别排放地区SO2≤30mg/m3、NOx≤150 mg/m3[2]。因此，控制焦炉烟气SO2和NOx排放达标是焦化从业者的一个重要研究方向。

1 SO2、NOx来源分析

1.1 SO2来源分析

焦炉烟气中SO2来源包括两个方面，焦炉加热用煤气中H2S、有机硫燃烧生成的SO2以及焦炉炭化室荒煤气窜漏进入燃烧室燃烧生成的SO2。

焦炉加热用煤气大多采用焦炉煤气，对于钢铁联合企业也使用高炉煤气。焦炉煤气经过净化处理后回焦炉燃烧，净煤气中H2S质量浓度根据不同大致可以分为≤200mg/m3、≤20mg/m3两类，有机硫质量浓度在170-250mg/m3范围内[3]，估算净煤气中H2S、有机硫燃烧生成的SO2浓度如表1所示。

可见，当净煤气中H2S含量为200 mg/m3时，排放SO2浓度已超过限制标准；当H2S含量控制在20mg/m3以下时，H2S对排放SO2浓度影响很小，有机硫含量是导致排放超标的主要因素。目前，焦炉煤气脱硫工艺只针对H2S有脱除作用，不会脱除煤气中的有机硫，但是可以通过优化洗脱苯工艺将有机硫浓度降至100mg/m3以下[4]。高炉煤气H2S含量在10-20 mg/m3范围内[5]，计算燃烧高炉煤气产生SO2排放量不超过21.39 mg/m3，小于限制排放标准。

焦炉炉体窜漏会导致炭化室荒煤气进入燃烧室，荒煤气燃烧生成SO2。荒煤气中H2S含量主要取决于装炉煤的全硫含量，煤中约15-35%硫转入到荒煤气中，其中95%以上H2S形式存在，荒煤气中H2S含量与装炉煤全硫含量关系见表2[7]。为便于计算荒煤气中硫化物以H2S计，含量为5500-13000mg/m3，吨干煤煤气产率320Nm3，若假设窜漏率1%，则窜漏荒煤气中H2S燃烧生成的SO2约为50-120 mg/m3，远超过限制排放标准。

表2荒煤气H2S含量与煤全硫含量关系

1.2 NOx来源分析

燃烧过程中生成NOx可以分为三类：热力型、燃料型和快速型，焦炉燃烧生成NOx主要是热力型。采用焦炉煤气加热时，热力型NOx占全部NOx的95%以上；采用高炉煤气加热时，生成NOx则全部是热力型NOx[8]。

热力型NOx是燃烧过程中空气中的氮气在高温下氧化而生成，反应机理如下：

N2+O=N+NO

O2+N=NO+O

N+OH=NO+H

影响热力型NOx生成量的主要因素包括：燃烧温度、过剩空气系数和气体在高温区停留时间。燃烧温度低于1500℃时，热力型NOx生成极少，温度高于1500℃时，随温度升高NOx生成急剧上升；随过剩空气系数变大，NOx生成量先上升后下降；热力型NOx浓度随停留时间延长而变大，达到一定值后，停留时间的延长对NOx浓度不再产生影响。