焦爐是冶金行業(yè)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，含有氮氧化物(NOx)、二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、氰化氫、殘氨、酚以及煤塵、焦油等。2012年6月27日發(fā)布的《煉焦化學工業(yè)污染物排放標準》(GB16171-2012)，第一次將焦爐排放的NOx列為我國焦化企業(yè)大氣污染物排放的控制指標，并對顆粒物和二氧化硫的排放提出了更嚴格的要求，要求所有企業(yè)自2015年1月1日起，焦爐煙囪排放二氧化硫小于50mg/m3，NOx小于500mg/m3(機焦)，顆粒物小于50mg/m3。
目前，對于新建的焦爐，煉焦工業(yè)污染物排放并非難以達標。但是，對運行了十幾年或者二十年，壽命已經(jīng)達到中后期的焦爐，這將是嚴峻的考驗。我國大多數(shù)焦爐，特別是采用焦爐煤氣加熱的焦爐，煙囪排放的NOx一般高于500mg/m3。焦化企業(yè)若要降低焦爐煙氣中NOx排放，在不采用末端治理的情況下，應該控制焦爐立火道溫度，控制空氣過剩系數(shù)，采用高爐煤氣或者混合煤氣加熱，能使焦爐煙氣排放達標。此外，還要加強對焦爐的日常維護管理，減少爐體串漏，能最大限度地減少燃料型氮氧化物生成和二氧化硫排放。
焦爐煙氣氮氧化物的形成機理
燃燒過程中氮氧化物形成機理可分3種：一是由大氣中的氮在高溫下形成的溫度熱力型NOx;二是在低溫火焰中，由于含碳自由基的存在而生成的瞬時型NOx；三是燃料中固定氮生成的燃料型NOx。
一般情況下，焦爐主要利用焦爐煤氣、高爐煤氣或者二者的混合煤氣來做熱源對煤炭進行干餾。如果單獨采用焦爐煤氣加熱，由于其可燃成分濃度高、燃燒速度快、火焰短而亮、燃燒時火焰局部溫度高、提供一定熱量所需煤氣量少、加熱系統(tǒng)阻力小、煉焦耗熱量低，產(chǎn)生的熱力型NOx比高爐煤氣多。同時，由于焦爐煤氣中含有未處理干凈的焦油、萘，除易堵塞管道外，還會產(chǎn)生燃料型NOx，這使得只采用焦爐煤氣做熱源的焦爐所生成的NOx一般都高于500mg/m3。
高爐煤氣不可燃燒成分約占70%，故熱值低、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(chǎn)生燃料型NOx。因此，在相同條件下，采用焦爐煤氣加熱比采用高爐煤氣加熱所產(chǎn)生的NOx要多。但是，高爐煤氣必須預熱至1000℃以上，才能滿足燃燒室溫度要求，且廢氣量較多、耗熱量高、加熱系統(tǒng)阻力大。為使高爐煤氣加熱順利，鋼鐵企業(yè)常采用焦爐煤氣與高爐煤氣的混合煤氣(焦爐煤氣含量為2%~5%)。
據(jù)了解，當焦爐加熱立火道溫度在1300℃~1350℃、溫差為±10℃時，NOx生成量在±30mg/m3波動。燃燒溫度對溫度熱力型NOx生成有決定性作用，當燃燒溫度高于1600℃時，NOx生成量按指數(shù)規(guī)律迅速增加?？梢?，焦爐煙氣中的氮氧化物主要是溫度熱力型。
焦爐煙氣氮氧化物的控制
燃燒廢氣的NOx排放控制技術(shù)可分為兩類：第一類是在燃燒過程中抑制NOx生成的技術(shù)，第二類是燃燒后終端治理。
終端治理目前最常用的方法是SCR脫硝法，但處理成本高昂，企業(yè)難以承受。該方法對使用純焦爐煤氣做熱源的煉焦企業(yè)有一定的運行空間。但是目前，SCR脫硝法最成熟的工藝主要應用在電廠煙氣脫硝，其所需催化劑活性區(qū)間一般在300℃以上，比焦爐煙囪排放的煙氣溫度要高，如果焦爐煙氣要采用SCR脫硝法，需要催化劑活性區(qū)間小于250℃。
對于使用高爐煤氣或混合煤氣做熱源的煉焦企業(yè)，采用合理的燃燒過程中控制NOx技術(shù)基本能達到國家標準，并不需要采用末端治理技術(shù)。其中，廢氣循環(huán)、分段加熱、控制實際燃燒溫度以及將它們相結(jié)合的復合技術(shù)等都是能降低燃燒廢氣中NOx含量的有效措施。
廢氣循環(huán)。廢氣循環(huán)是目前使用較多的低NOx燃燒技術(shù)。該技術(shù)是在空氣預熱器前抽取一部分低溫煙氣直接送入爐膛，或者摻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(nèi)溫度，從而抑制了熱力型NOx的生成。
立火道采用廢氣循環(huán)可以降低煤氣中可燃成分和空氣中氧的濃度，并加快氣流速度，從而拉長火焰，這有利于焦餅上下加熱均勻、改善焦炭質(zhì)量、縮短結(jié)焦時間、增加產(chǎn)量并降低耗熱量。廢氣循環(huán)法適用于含氮量低的燃料，降氮效果最高達25%。經(jīng)驗表明，煙氣再循環(huán)量一般控制在10%~20%，若超過30%，燃燒效率則會降低。
分段加熱。該技術(shù)一般是只用空氣分段，或空氣和貧煤氣分段供給加熱。采用分段加熱的一般都是7米以上焦爐，由于焦爐較大，分段加熱可以使焦爐受熱更均勻。
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(shù)α=1.1，空氣預熱到1100℃時，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℃左右，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(huán)境。
一般情況下，可通過降低火道溫度、改變焦爐煤氣組分、降低空氣過剩系數(shù)、優(yōu)化焦爐熱工制度來降低燃燒溫度。但是，降低火道溫度在一定條件下無法改變，焦爐煤氣組分一般無法改變，而降低空氣過剩系數(shù)和優(yōu)化焦爐熱工制度可在生產(chǎn)過程中不斷調(diào)整，因此，這兩點特別是控制空氣過剩系數(shù)可在實際生產(chǎn)中做到。
廢氣循環(huán)與分段加熱技術(shù)是在設計焦爐時就已經(jīng)設計完成。對于運行多年的焦爐，爐體結(jié)構(gòu)、加熱方式等條件已固定。目前運行的焦爐大多有廢氣循環(huán)的功能，而分段加熱技術(shù)一般在7米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對于任何類型的焦爐都有實際操作的可能性。
對于減少燃料型NOx，主要是采用高爐煤氣做熱源。在采用混合煤氣時，應減少焦爐煤氣的摻混比例。此外，爐體串漏的荒煤氣中含氮化合物，是焦爐煙氣中燃料型NOx的主要來源之一，因此，控制爐體串漏的荒煤氣也十分必要。
焦爐煙氣二氧化硫的控制
焦爐煙氣中SO2來源于焦爐加熱用煤氣中H2S和有機硫的燃燒，以及焦爐爐體串漏的荒煤氣進入燃燒系統(tǒng)后，其所含的全硫化物的燃燒。
SO2的排放量取決于加熱煤氣的種類，當使用高爐煤氣加熱時，因高爐煤氣含硫量低，所以廢氣中SO2含量不高。如果使用焦爐煤氣，那么焦爐煤氣中含有一定量的H2S以及有機硫，最后會變成SO2排放。有資料顯示，焦爐煤氣在脫硫以后，其中H2S的含量仍有20mg/m3~800mg/m3。而焦爐荒煤氣中有機硫總質(zhì)量濃度為500mg/m3~900mg/m3，其中含硫質(zhì)量濃度為300mg/m3~600mg/m3。在焦爐煤氣凈化過程中，幾乎所有工序都有脫除有機硫化物的作用，且工藝過程條件越適合有機硫化物的脫除，其脫除率也越高。
焦爐爐體串漏導致荒煤氣中的硫化物從炭化室經(jīng)爐墻縫隙串漏至燃燒室，并燃燒生成SO2，使得焦爐煙囪廢氣中SO2濃度升高?；拿簹夂蚧?以H2S為主)總質(zhì)量濃度一般為6500mg/m3~10000mg/m3，是凈化后煤氣中硫含量的15~25倍。由于混合煤氣中焦爐煤氣比例較低，此時的SO2主要來源于爐體串漏的荒煤氣，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。因此，加強焦爐日常維護，減少爐體串漏是減少SO2排放的主要措施。
原標題：焦爐煙氣污染物排放控制