焦炉氮氧化物的源头治理技术探讨

焦炉氮氧化物的源头治理技术探讨

布和

神华巴彦淖尔能源有限责任公司，内蒙古 巴彦淖尔 015000

摘 要：文章通过论述焦炉烟气氮氧化物生成的机理和目前焦炉烟气氮氧化物排放现状，提出了全新的氮氧化物源头治理技术，以及源头治理技术的优异性和可行性，为焦化企业治理氮氧化物提供了优良的方案。

关键词：焦炉加热  氮氧化物  排放标准  源头治理

⒈概述

氮氧化物是大气污染的主要成分之一，它对人体健康的伤害和对环境的破坏比SO2更为严重，西方国家于上世纪70年代，对焦炉氮氧化物就制定了严格的排放控制标准，我国起步较晚，直到2012年才制定相关的排放标准[5]，2015年对排放标准进行了严格的规定：普通地区，现有企业和新建企业焦炉废气中的氮氧化物浓度要求小于500mg／m3，特别地区需要控制在150mg/m3以下。

通过源头治理技术，控制氮氧化物的生成，能有效的降低焦炉废气中氮氧化物的浓度，这种技术投资小，无运行费用，还能优化焦炉操作水平，改善焦炉质量。

⒉ 氮氧化物的产生机理[1-4]

    燃烧过程中NOx的生成机理比SO2要复杂很多，烟气中NOx的浓度也不可能像SO2那样由燃料的含硫量计算出来，NOx的生成量与燃烧方式有关，燃烧过程中产生的NOx90%以上是NO，NO2及其它仅占5%～10%。根据燃烧条件和生成途径的不同，生成是NOx可以分为以下三种类型[6]：。

燃料型NOx (Fuel  NOx )，它是燃料中的有机氮化合物在燃烧过程中热分解后氧化生成的氮氧化物;

热力型NOx (Thermal  NOx)，它是空气中的N2在高温条件下与O2作用的结果;

瞬时型或快速型NOx (Prompt  NOx )，它是碳化氢系燃料在燃烧时分解, 其分解产物和空气中的N2反应生成的。

⒊ 焦炉氮氧化物产生的特点及源头治理方法 

焦炉氮氧化物主要有燃料型、热力型和快速型三种。快速型主要是燃烧不充分、空气过剩系数过低引起的，如果空气系数过低，首先表现为焦炉烟囱冒黑烟，因此大多数焦化企业的空气过剩系数都在1.2以上，因此快速型NOx生成量很低。本文只讨论燃料型和热力型NOx的控制。

3.1 燃料型氮氧化物的控制

焦炉立火道中，含氮物质主要来源于炉体的串漏，大量没有经过净化处理的荒煤气（含有大量的含氮物质）从炭化室进入燃烧室，燃烧后生成NOx。焦炉煤气中一般含有一定量的含氮物质，如NH3、HCN、吡啶（C5-H5-N)、喹啉(C9H7N)等含氮组分时，这些化合物中的氮在燃烧过程中，在火焰中转化为HCN（所以尤其要注意燃料中含HCN 量），然后转化为NH或NH2，NH和NH2能与氧反应生成NO和H2O， 即。由于这些物质的键能相对比较低，在焦炉立火道的高温富氧环境下，大部分都转化成NO。

焦炉煤气是经过净化处理的，净化前的荒煤气中含N 组分，NH3约为7 g/m3，HCN 约为1.5g/m3，除此之外，还含有喹啉、吡啶等。荒煤气经净化处理后，一般含NH3在0.03g/m3以下，HCN 约为0.15～0.25g/m3。通过计算，净化后的煤气中的含N 组分燃料型生成的NO量一般在50mg/m3 左右。如果荒煤气没有净化处理，直接燃烧则NO生成量就会成十倍到几十倍的增加。

对于绝大部分焦炉，或多或少都存在一定量的串漏，串漏量大，大量没有经过净化处理的荒煤气直接进入燃烧室燃烧，就产生大量的NO，因此控制炉体的串漏是控制燃料型的NOx生成的最主要方法。对于破损的炉墙需要及时的喷补，另外适度提高集气管压力，保持在整个结焦周期内对燃烧室的正压差，特别是结焦末期，一直维持炭化室的正压差，小的炉墙缝隙就自然被石墨填堵起来了。

3.2 热力型氮氧化物的控制

    氮分子的键能非常高，在低温环境下非常稳定，不会与氧气发生反应，但温度足够高时，氮气会与氧气发生反应，直接生成NO:NO的生成可用下面一组链式反应来说明， 其中氧原子主要来源于高温下O2的离解：

热力型NO与温度高度相关，但温度低于1300℃以下时，氮氧化物的含量很低，超过1400℃以上时，氮氧化物的浓度急剧增加。由于氧原子和氮分子反应需要非常大的活化能，所以在燃料燃烧之前和燃烧火焰中不会生成大量的NO，而火焰的下游积聚了很高的热焓，在此处O2发生离解，离解产生的氧原子才能与氮气反应生成NO。当焦炉火道温度在1300～1350℃时，火道温度每变化10℃，氮氧化物的生成量就会增加或者减少30mg/m3，由此可见燃烧温度对温度热力型NOx生成量的影响之大。热力型NOx的生成量除了受主要因素温度的影响外，还与高温烟气在高温区的停留时间有密切关系。焦炉立火道的高度越高，则烟气在高温区的停留时间就越长，产生的NO浓度就越高。

降低热力型氮氧化物主要有以下几个途径[1-2]：

3.2.1 分段燃烧技术

7.0米（含7.63米）顶装焦炉就采用分段燃烧技术，这个技术的关键点 在于改变了立火道内部燃烧条件，在燃烧的最初阶段只加入少量的空气，当炉内温度因缺氧而下降后，再重新向炉内送入空气，以避免煤气快速燃烧形成局部的高温区，从而降低氮氧化物。

3.2.2 废气循环技术

通过增加废气循环量或在空气中参入一定量的烟道气，降低煤气燃烧速度，进而降低火焰高温区的温度，这种方法的本质与分段燃烧是一致的。

3.2.3 单燃烧室控制

单燃烧室控制是一种新的控硝途径，焦炉立火道的温度在整个结焦周期分布是不均匀的，与两侧炭化室的结焦状态有直接关系，立火道温度分布，在推焦装煤前后，立火道温度达到最高，因而此刻的氮氧化物的生成量也大，通过单燃烧室控制技术，可以有效降低立火道峰值温度，另外单燃烧室控制还可以节约可观的煤气量。

3.2.4 优化加热控制

通过火落管理技术，在保证焦炭成熟的前提下，适度降低标准温度，配合人工调节，减少异常高温炉号；实时监测焦炉立火道火焰温度，控制温度场的分布；控制炭化室和燃烧室的压力差，避免过多量的荒煤气串入燃烧室。优化控制让焦炉在整个加热燃烧过程的各个环境都处于最优状态，氮氧化物自然就降低了。

⒋ 结论

通过焦炉的源头治理技术，不仅可以有效的降低氮氧化物的产生量，而且还可以降低加热煤气消耗量，提高焦炭的均匀性，一举多得。这种方法投入低，几乎没有运行费用，是焦炉氮氧化物治理的优先方案。目前源头治理技术可以把氮氧化物控制在500mg/m3以下，通过多种技术的组合可进一步把氮氧化物降低。对于普通地区完全不需要花费高昂的费用安装烟气脱硝装置（低温SCR），对于一类地区或特别限制排放地区，通过源头治理，也可以使低温SCR的运行费用大幅度下降。

参考文献：

[1] 钟英飞. 焦炉加热燃烧时氮氧化物的形成机理及控制[J]. 燃料与化工, 2009,(40)6:5-12.

[2] 蔡承祐. 焦炉烟囱 NO x 排放控制刍议[J]. 燃料与化工, 2013,(44)5:1-3.

[3] 兰涛，张晓瑜，武征. 钢铁企业氮氧化物减排途径和措施研究[J]. 安全与环境工程,2014,(21)3:51-56