1.6　焦爐煙塵控制的發展歷程、現狀和技術

1.6.1　我國焦爐煙塵控制的發展歷程

20世紀70年代以來，隨著一代爐齡結束，國內焦爐相繼進入大修期。30多年來，國內焦爐通過改造大修，擴容大修同時消化吸收國外先進技術，提高了焦爐生產的機械化與自動化程度及整體技術裝備水平。到2007年年底，國內自行設計建成投產的6m大容積焦爐已達40多座，規劃和在建的7.63m超大容積焦爐已近10座。這期間，隨著技術進步和環保力度加強，相繼增加了必要的環保措施，焦爐環境污染狀況明顯改善，突出表現在對煉焦過程的煙塵控制方面，但是對機械操作過程中的煙塵控制還難以滿足環保要求，這是因為機械操作過程中的煙塵主要產生于爐門、裝煤、推焦與熄焦作業等環節，而且它們會在長距離上頻繁移動，增加了治理的難度。

目前按焦爐污染物的排放水平，把焦爐污染控制大致分為三類［1］：第一類裝備先進，配備完善的裝煤和攔焦除塵設施，其焦爐污染物控制基本可達到國內外先進水平，污染物排放約為1.5kg/t焦以下；第二類是用國內設備，裝備6m或4.3m焦爐，沒有配備裝煤和攔焦除塵設施，或只有攔焦除塵設施，但管理嚴格，生產中爐門、上升管、裝煤孔蓋基本不冒煙，裝煤時堅持用高壓氨水噴射，這類焦爐污染物排放總量在3.5～5kg/t焦之間；第三類不僅沒有配備裝煤和攔焦除塵設施，而且管理不嚴，生產過程中爐門、上升管、裝煤孔冒煙，裝煤不能堅持用高壓氨水噴射，這類焦爐屬于污染物基本無控制的狀況，其污染物排放總量大大超過3.5kg/t焦。

2004年國家發改委發布的《焦化行業準入條件》的“環保工藝與設施”中明確規定：新建或改造焦爐要同步配套建設粉碎、裝煤、推焦、篩運焦除塵裝置。嚴格執行環保設施“三同時”規定，并要在主體設備投產后6個月內達到設計規定標準，連續運行。

1.6.2　焦爐煙塵控制技術

1.6.2.1　煉焦期間散煙的控制

煉焦期間的散煙及其控制主要在于焦爐爐門、焦爐頂上升管和裝煤孔以及相應的焦爐運行管理方面。

（1）爐頂煙塵的控制

爐頂煙塵來源于裝煤孔蓋、上升管蓋、上升管與爐頂連接處等。國內已采取的主要控制措施如下。

1）裝煤孔蓋泥封　采用人工或裝煤車機械澆泥，把泥漿澆灌在孔蓋周邊加以密封。可以采用泥料SiO2＞80%的耐火粉，細度0.074mm以下，體積密度＜1.3t/m3，加水攪拌成密度為1.1～1.2t/m3漿液，黏度大于40cP（1cP=10-3Pa·s，下同），pH值小于8，要求懸浮性好，收縮性好，干燥后容易脫落。

2）上升管蓋密封　國內20世紀80年代以來，普遍采用水封式上升管蓋，水封高度大于上升管內煤氣壓力，保證荒煤氣不外逸。

3）上升管與爐頂連接處封堵　采用耐火材料、泥漿、石棉繩和耐火粉料與精礦粉混合泥漿封堵，承插口處采用氨水水封。

目前國外對裝煤孔蓋除采用泥封外，對裝煤孔蓋、孔座的結構設計做了改進，把蓋和座的密封沿圓周方向加工成球面，由于球面密封有“萬向密合”的優點，即使蓋子有點傾斜也能與座貼合良好，保證密封。

（2）爐門煙塵的控制

爐門刀邊與爐框鏡面接觸不嚴密將使爐內煙氣泄露。20世紀50年代，采用小壓架頂絲壓角鋼或丁字鋼刀邊的刀封爐門結構，但爐門容易產生熱變形發生漏縫。20世紀60年代，采用敲打刀邊，但不能消除爐門因熱變形引起的冒煙現象。20世紀80年代，采用空冷式爐門，改善了爐門鐵槽與爐門框因受熱而引起的變形，同時采用帶彈性腹板的不銹鋼刀邊，用小彈簧施加彈性力來調節刀邊的密封性，基本上消滅了爐門冒煙現象。國內有些廠還采用了氣封爐門技術，進一步消滅了爐門冒煙情況。

（3）設置焦爐頂面自動吸塵清掃車

這種清掃裝置可以設在裝煤車上，也可以獨立配置。它可以吸除爐面上的煤粉，防止其揚塵或在爐面上燃燒。

（4）設集氣管放散管點火裝置

點火裝置用于焦爐事故或停電時把集氣管內放散出來的荒煤氣自動點燃、燒盡，以免排放到大氣中，污染環境。

1.6.2.2　焦爐裝煤煙塵的控制技術

裝煤車把煤通過裝煤孔裝入赤熱的炭化室，此時煤中水分蒸發和揮發分的迅速產生造成炭化室內壓力突然上升，形成大量煙塵從炭化室逸出。目前焦化廠普遍采用順序裝煤，焦爐設置雙集氣管，以及在上升管橋管處采用1.8～2.5MPa的高壓氨水（或0.7～0.9MPa蒸汽）噴射，使炭化室形成負壓（如裝煤孔處壓力為-5Pa），以實現無煙裝煤。但實際效果并不十分理想，由于國內大多數裝煤車裝煤伸縮筒、平煤桿套以及裝煤孔座氣密性差，噴射吸力波動較大，加上重力裝煤產生的大量煙塵，不能完全借助高壓氨水噴射及時導出，煙塵仍有一部分從裝煤孔、小爐門等處逸出進入大氣，造成環境污染。

從20世紀70年代起，隨著環保要求日益嚴格，焦爐煙塵污染與治理技術引起世界發達國家的高度重視，并相繼在焦爐上試用成功，取得明顯成效。目前已采取多種治理技術和措施，分別控制和降低裝煤過程中的煙塵排放、爐門和爐頂的冒煙、冒火。國內也先后研究開發和實施了各種裝煤煙塵的控制方法，主要可分為密封式可調裝煤除塵和抽吸式裝煤除塵設施，抽吸式裝煤又可以分為車載式和地面站式。現有具體控制措施和治理技術詳見圖1-7。

1.6.2.3　焦爐攔焦操作的煙塵控制技術

推焦過程是在1～3min內推出炭化室的紅焦，紅焦質量多達10～50t。紅焦表面積大、溫度高，與大氣接觸后收縮產生裂縫，并在大氣中氧化燃燒，引起周圍空氣強烈對流，產生大量煙塵。推焦排放的污染物主要是焦粉、二氧化碳、氧化物、硫化物等。如果焦化不均勻或焦化時間不足，有生焦產生，此時推焦過程產生的煙氣呈黑色，煙氣中含有較多的焦油物質，粉塵發生量約0.4～3.7kg/t焦。

與焦爐裝煤煙塵治理相比，攔焦煙塵治理技術問世較早，成熟也早。由于環保工藝與設施要求焦爐攔焦和裝煤煙塵需同步治理，隨著技術進步和對焦爐治理經驗的積累，攔焦除塵技術不斷發展。目前攔焦除塵大致可以分為車載式和地面除塵站以及與裝煤除塵合一等方法，具體攔焦煙塵控制措施和治理技術見圖1-8。

1.6.3　煙氣中揮發性有機物控制技術

煙氣中揮發性有機化合物（VOCs）的排放控制一般可通過使用清潔生產工藝流程和改進設備來達到。對于已經排放或泄露的VOCs，國內外目前采用的處理技術主要包括回收和降解［11］。

1.6.3.1　回收技術

一般對于濃度高于5000mg/m3的VOCs，宜采用回收技術加以回收利用。該技術回收率高、能耗低，可反復使用，基本不會造成二次污染，且易于推廣，具有很好的環境效益和經濟效益。常用的回收技術主要有炭吸附、冷凝及膜分離等。

（1）炭吸附技術

該方法利用吸附劑所具有的較大的比表面積，能夠實現對煙氣中的VOCs的吸附。當廢氣經過吸附床時，VOCs能被吸附在活性炭的微孔內，從而使氣體得到凈化。當吸附達到飽和后再用水蒸氣洗脫，再生后的活性炭可循環使用。

吸附時通常采用兩個吸附器，一個吸附，另外一個洗脫再生，以保證能夠連續對煙氣進行凈化。脫附采用水蒸氣作為脫附劑，水蒸氣將吸附在炭表面的VOCs脫附并帶出吸附器，最后通過冷凝和蒸餾，將VOCs提純回收。

吸附效果主要取決于吸附劑的性質、VOCs的種類、濃度和吸附系統的操作溫度、濕度和壓力等因素。常用的吸附劑有顆粒活性炭、活性炭纖維、沸石、分子篩、多孔黏土礦石、活性氧化鋁、硅膠和高聚物吸附樹脂等。該方法的不足之處在于吸附劑的容量小，所需的吸附劑量較大，從而導致氣流阻力大，設備投資高，占地面積大，吸附后的吸附劑需要定期再生處理和更換。

（2）冷凝技術

該法是通過將操作溫度控制在VOCs的沸點以下而將VOCs冷凝下來，從而達到回收VOCs的目的，主要適用于VOCs含量高、氣體量較小的有機廢氣回收處理。使用的冷卻介質包括冷水、冷凍鹽水和液氨。該法對入口VOCs要求嚴格；冷卻溫度低于0℃時，大部分氣流所含水蒸氣在冷凝器中形成冰，冷凝器需定期除霜或氣流預先脫水；若冷卻溫度低于-40℃時，則需要二級冷卻，從而造成能源費的增加。該法的回收率與VOCs的沸點有關，沸點高時回收率高，沸點低時回收率偏低。

（3）膜分離技術

該法是采用對有機物具有選擇性滲透的高分子膜，在一定壓力下使VOCs滲透而達到分離的目的。當VOCs氣體進入膜分離系統后，膜選擇性地讓VOCs氣體通過而被富集。脫除了VOCs的氣體留在未滲透側，可以達標排放；富集了VOCs的氣體可以通到冷凝回收系統進行有機溶劑的回收。膜分離法主要適用于處理中高濃度的廢氣，具有可回收有用成分的優點，但有壓力損失，同時對膜依賴性強。

對于氣體膜分離技術，主要是利用有機廢氣與空氣透過膜的能力不同，而使二者分開。該過程首先進行壓縮和冷凝有機廢氣，再進行膜蒸汽分離，具體流程為：a.含VOCs的有機廢氣進入壓縮機，壓縮后計入冷凝器中冷凝，冷凝下來的液態VOCs即可回收；b.物流中未冷凝部分通過分離，形成兩部分物流，其中滲透物流含有VOCs，重新返回壓縮機進口；c.未透過的去除了VOCs的物流（凈化后氣體）從系統排出。

1.6.3.2　降解技術

降解技術對于處理中低濃度（＜1000mg/m3）的VOCs是較好的治理辦法。該法根據VOCs的物化性質，將其轉變為無毒無污染的物質，具有去除效率高，產物大多為CO2和H2O，無二次污染，無需進行二次處理，設備體積較小，反應操作易于控制，經濟可行等特點。

（1）燃燒技術

燃燒法分為直接燃燒、熱力燃燒和催化燃燒。

1）直接燃燒　是把可燃的VOCs廢氣當作燃料來燃燒的一種方法，適合處理高濃度VOCs廢氣或者用于凈化有害組分燃燒時熱值較高的廢氣。如果可燃組分的濃度高于燃燒上限，可以混入空氣后燃燒；如果可燃組分的濃度低于燃燒下限，則可以加入一定數量的輔助燃料維持燃燒。該法不僅會造成浪費還會產生大量大氣污染物進入大氣，近年來已較少使用。

2）熱力燃燒　該法是當廢氣中可燃物含量較低時，使其作為助燃氣或燃燒對象，依靠輔助燃料產生的熱力將廢氣溫度提高，從而在燃燒室中使廢氣氧化去除。該過程一般分為三步：燃燒輔助燃料提供預熱能量；高溫燃氣與廢氣混合以達到反應溫度；廢氣在反應溫度下氧化去除。熱力焚燒系統主要由熱焚燒爐、輔助燃料供應設施、熱交換器、滌氣器構成，其工藝過程為：加入輔助燃料，使含VOCs的物料進行焚燒，轉化成CO2和H2O。燃燒室溫度通常為650～870℃，停留時間0.5～1s，VOCs的去除效率可達95%以上。該法VOCs去除率高、一次投資低、不產生廢液和固體廢物、維修少。

3）催化燃燒　其是近幾年產生的一門新型技術，是在催化床層作用下加快有機物化學反應。由于催化劑的存在使得有機物在熱破壞時比直接燃燒法需要更少的保留時間和更低的溫度。通常用于有機廢氣凈化的催化劑主要是金屬和金屬鹽，其中金屬包括貴金屬和非貴金屬。金屬催化劑以Pt、Pd為主，技術成熟且催化活性高，但價格比較昂貴且在處理鹵素有機物，含N、S、P等元素時，有機物易發生氧化而會造成催化劑失活；非金屬氧化劑有過渡族元素鈷、稀土等。催化燃燒法的主要優點：起燃溫度低，能耗低；處理效率高，無二次污染；對有機物濃度和組分處理范圍寬，能耗低，并能回收輸出的部分熱能，所需設備體積小；造價低。催化燃燒法的缺點是：當有機廢氣濃度太低時需要大量補充額外的熱量才能維持催化反應的進行。

（2）光催化降解技術

光催化法是在光和光催化劑作用下將有機物氧化成CO2和H2O。該方法處理有機污染物操作簡單、使用范圍廣。存在的缺點是由于光催化劑需要附著在填料、器壁或其他載體上，并且需要紫外光進行照射，因此對反應器的結構要求較為嚴格，容易存在光照不充分的情況。另外，在低濃度條件下，有機污染物的光催化降解速度較慢，并且光催化氧化分解污染物要經過許多中間步驟，生成有害中間產物，某些副產物會附著在催化劑表面，使催化劑表面的活性中心減少，降低催化效率。

光催化降解工藝主要設備包括以下幾種。

1）布袋除塵器　為防止廢氣中的顆粒物對光源和光催化劑的覆蓋黏結，必須對廢氣進行預處理，以去除其中的顆粒物，減少光催化氧化單元的處理負荷。

2）風機　除塵器負壓運行，光催化單元正壓運行。

3）穩流室　穩定進氣的濃度與風速提高后設備的處理效率。

4）光催化氧化裝置　光催化氧化室是進行凈化處理的主體單元，催化劑納米TiO2粉體負載在纖維材料上。

5）吸附室　用于進一步吸附分解有機廢氣，提高凈化效率。

（3）生物降解技術

生物降解技術主要是利用微生物的生命活動將廢氣中有害物質轉變成簡單的無害物如CO2和H2O及細胞組成物等。一般根據微生物在有機廢氣處理過程中存在的形式可分為生物洗滌法（懸浮態）和生物過濾法（固著態）。生物洗滌法又稱為生物吸收法，指微生物及其營養物配料存在于液體中，氣體中的有機物通過與懸浮液接觸后轉移到液體中而被微生物降解。生物過濾法是微生物附著生長在固體介質（填料）上，廢氣通過由介質構成的固定床層被吸附、吸收，最終被微生物降解，主要分為生物洗滌器和生物濾池兩種形式。

1）生物洗滌器　生物洗滌器是懸浮于活性污泥的處理系統，通常由一個洗滌塔和一個再生池構成。在洗滌塔中，生物懸浮液自吸收室頂部噴淋而下，使廢氣中的污染物轉移至液相，實現傳質過程。吸收了廢氣中有機物的生物懸浮液，并流入再生反應池中，通入空氣充氧后再生。在再生池中，被吸收的污染物通過微生物氧化作用被從液相中去除。常用的生物懸浮液是活性污泥懸浮液，但其處理后再生的時間較長。由于吸收和再生所需的時間不同，生物懸浮液的再生是在同一個反應器中進行還是在另外一個反應器中完成，取決于生物懸浮液的活性強度和再生能力。

2）生物濾池　生物濾池法是指具有一定濕度的有機廢氣進入生物濾池，通過50～100cm的生物活性填料層，污染物從氣相轉移到生物相，進而被微生物氧化分解的過程。分解過程由異養微生物在有氧和中性微堿條件下完成，一般有機物最終被分解為CO2。

生物濾池的填料層一般是具有吸附性的濾料，通常為土壤、堆肥、木屑、活性炭或幾種濾料混合而成。濾料充當微生物的載體，一般應具有良好的透氣性和適度的通水性和持水性，以及豐富的微生物群落。生物濾池有單濾床開放式、多濾床封閉式等。與開放式單濾床生物濾池相比，封閉式生物濾池對維護的要求低、占地少，受氣候影響小且容易監控，但造價較高。