焦爐煙氣脫硫脫硝技術工業化應用及工藝優化分析

郭 卉

（山西興新安全生產技術服務有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

煉焦是對煤炭進行處理的環節之一，該環節可對煤炭的熱量進行充分利用。在煉焦過程中勢必會產生焦爐煤氣，焦爐煤氣直接排放不僅會對環境造成污染，還會導致資源的浪費[1-2]。因此，為了兼顧環境保護和資源的充分利用對焦爐煤氣回收利用是非常有必要的。但是，焦爐煤氣中含有的氮氧化物以及硫化物等均是影響其應用效果的因素。因此，必須對焦爐煤氣進行凈化處理，重點對其中的氮氧化物和二氧化硫進行去除。本文將對焦爐煙氣的脫硫脫硝工藝進行研究，具體闡述如下。

1 工程概況

本文所研究焦化廠的焦爐煙氣排放量為180 000 m3/h，該煙氣的溫度為270 ℃；所排放的焦爐煙氣中二氧化硫的質量濃度為500 mg/m3，氮氧化物的質量濃度為1 500 mg/m3。為保證焦爐煙氣的脫硫脫硝的效果，所選擇的工藝需遵循如下原則：

1）所選擇的脫硝脫硫工藝需要與本工程所排放焦爐煙氣的量相匹配；

2）脫硝脫硫工藝所選擇的脫硝劑和脫硫劑應具備穩定供應、低成本以及高性能的要求；

3）在保證穩定生產的前提下，要求脫硫脫硝工藝具備低成本和低運行費用的條件[3]。

結合實踐生產經驗，針對焦爐煙氣脫硫脫硝的需求可選擇的工藝路線包括有：半干法脫硫—低溫SCR脫硝—余熱回收—排放、低溫SCR 脫硝—余熱回收—半干法脫硫—布袋除塵—排塵、低溫SCR 脫硝—余熱回收—濕法脫硫—排放、低溫SCR 脫硝—余熱回收—濕法脫硫—煙氣換熱—排放四種[4]。結合上述四條工藝路線，并結合現場的生產條件具體確定脫硫脫硝的工藝路線。

分析如下：本工程中焦爐煙氣中的二氧化硫的質量濃度500 mg/m3，不屬于高硫環境，該環境不會對脫硝催化劑的活性造成影響。同時，在實際操作中脫硝要求的溫度高于脫硫溫度；因此，可將余熱回收裝置置于脫硝和脫硫工藝之間，在高效回收余熱降低運行成本的同時也可保證脫硫的溫度[5]。此外，綜合考慮脫硝和脫硫工藝的效率、投資以及運行成本等因素，最終確定的工藝路線為：布袋除塵—低溫SCR 脫硝—余熱回收—濕法脫硫—排放，具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 焦爐煙氣脫硝脫硫工藝流程圖

2 焦爐煙氣脫硝脫硫工藝參數的確定

在上述確定焦爐煙氣脫硝脫硫工藝路線的基礎上，本節基于Aspen Plus 對上述煙氣脫硫脫硝工藝參數進行模擬研究，最終得出最佳的工藝參數。

2.1 模型建立

結合圖1 中的脫硫脫硝工藝流程圖，為其配套基于物料平衡的反應器、基于化學平衡的反應器、動力學反應器，選擇Heater 中的SIMP-HS 換熱器；根據各個設備的結構參數，在Aspen Plus 中構建脫硫脫硝工藝流程的模擬圖，如圖2 所示。

圖2 脫硝脫硫工藝流程模擬圖

2.2 工藝參數的確定

基于圖2 中構建的脫硝脫硫工藝流程圖，對不同工藝參數對工藝系統的影響進行模擬研究；重點關注煙氣流速、氨氣與一氧化氮體積比對脫硝效率的影響，關注液氣比和鈣硫比對脫硝效率的影響。

2.2.1 脫硝關鍵工藝參數的確定

本次數值模擬仿真研究采用控制變量法進行研究，在保證其他工藝參數和條件不變的基礎上，對不同煙氣流量對脫硝效率的影響進行仿真，仿真結果如圖3 所示。

圖3 煙氣流量對脫硝效率的影響

分析圖3 可知，隨著煙氣流量的增加對應的焦爐煙氣中的一氧化氮濃度增加，即脫硝效率降低。但是，在實際生產中考慮到運行工藝的效率，煙氣流速并不能太低。因此，經研究對應的焦爐煙氣中的一氧化氮流量為1.23 kmol/h，此時的脫硝效率可達84.6%。

2.2.2 氨氣與一氧化氮體積比對脫硝效率的影響

在保證其他工藝參數和條件不變的基礎上，對還原劑氨氣的流量進行調整，對不同氨氣濃度對脫硝效率的影響進行仿真分析，仿真結果見表1。

表1 不同還原劑氨氣流量對脫硝效率的影響

由表1 可知，隨著還原劑氨氣流量的增加對應其中一氧化碳的流量減少，即說明脫硝效率增加。但是，綜合對比曲線走勢可以看出，當還原劑氨氣流量增加到一定程度后，煙氣中的一氧化氮幾乎不再減少。因此，綜合考慮脫硝效率和還原劑氨氣的使用量，將氨氣與一氧化氮的體積比控制在1.03～1.06 之間。

2.2.3 液氣比對脫硝效率的影響

從理論上將，液氣比將直接影響脫硝工藝中脫硫塔中的組分分配比、傳動以及傳質情況，進而影響脫硫工藝的反應速度和反應程度。因此，本小節在保證其他工藝參數和條件不變的基礎上，通過對液氣比進行調整，對不同液氣比對脫硫效果的影響進行仿真分析，仿真結果如圖4 所示。

圖4 液氣比對脫硫效率的影響

分析圖4 可知，隨著煙氣流量的增加對應煙氣中二氧化硫的濃度減小，即對應的脫硝效率增加。但是，當煙氣流量增加到一定程度后二氧化硫濃度的減小幅度非常小，將對應此時的煙氣流量換算為液氣比為1.3。綜合分析，將脫硫工藝中的液氣比控制在1.3 之間，對應的脫硫效率高達99.7%。

2.2.4 鈣硫比對脫硫效率的影響

在保證其他工藝參數和條件不變的基礎上，調整鈣硫比（物質的量之比）參數，對不同鈣硫比對脫硫效率的影響進行仿真分析，仿真結果如圖5 所示。

圖5 不同的碳酸鈣質量比對脫硫效率的影響

分析圖5 可知，當碳酸鈣為70 kg 時對應的鈣硫比為0.5；此時煙氣中的二氧化硫流量從最初的1.37 kmol/h 降低至0.023 kmol/h，硫元素對應轉化為亞硫酸氫根離子和亞硫酸鈣。隨著鈣硫比的增加對應的二氧化硫全部轉化為二水合亞硫酸鈣，此時的碳酸鈣為137 kg。

因此，為保證二氧化硫的高效去除，同時保證轉化物的穩定性，將鈣硫比確定為1。

3 結語

焦爐煙氣為煤炭焦化過程中產生的副產物，其中含有二氧化硫和氮氧化物等污染物，對其直接排放不僅會對環境造成污染，而且還會造成資源的浪費。但是，對焦爐煙氣的再利用需要對其凈化處理，本文重點對焦爐煙氣的脫硫脫硝工藝進行研究?？偨Y如下：

1）結合實際生產中煙氣的參數和現場生產條件，最終確定的脫硫脫硝工藝路線為：布袋除塵—低溫SCR 脫硝—余熱回收—濕法脫硫—排放。

2）基于ASPEN 軟件進行數值模擬研究確定的最佳工藝參數為：煙氣流速確定為3.2 m/s，氨氣與一氧化氮的體積比控制在1.03～1.06 之間，液氣比控制在1.3 之間，鈣硫比確定為1。