焦炉烟气氮氧化物的形成机理及控制技术分析

:焦炉是冶金行业中造成大气污染最严重的设备之一。焦炉排放的污染物成分复杂，含有氮氧化物(NOx)、二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氰化氢、残氨、酚以及煤尘、焦油等。2012年6月27日发布的《炼焦化学工业污染物排放标准》(GB16171-2012)，第一次将焦炉排放的NOx列为我国焦化企业大气污染物排放的控制指标，并对颗粒物和二氧化硫的排放提出了更严格的要求，要求所有企业自2015年1月1日起，焦炉烟囱排放二氧化硫小于50mg/m3，NOx小于500mg/m3(机焦)，颗粒物小于50mg/m3。

燃烧过程中氮氧化物形成机理可分3种：一是由大气中的氮在高温下形成的温度热力型NOx;二是在低温火焰中，由于含碳自由基的存在而生成的瞬时型NOx;三是燃料中固定氮生成的燃料型NOx。

燃烧废气的NOx排放控制技术可分为两类：第一类是在燃烧过程中抑制NOx生成的技术，第二类是燃烧后终端治理。

终端治理目前最常用的方法是SCR脱硝法，但处理成本高昂，企业难以承受。该方法对使用纯焦炉煤气做热源的炼焦企业有一定的运行空间。但是目前，SCR脱硝法最成熟的工艺主要应用在电厂烟气脱硝，其所需催化剂活性区间一般在300℃以上，比焦炉烟囱排放的烟气温度要高，如果焦炉烟气要采用SCR脱硝法，需要催化剂活性区间小于250℃。

对于使用高炉煤气或混合煤气做热源的炼焦企业，采用合理的燃烧过程中控制NOx技术基本能达到国家标准，并不需要采用末端治理技术。其中，废气循环、分段加热、控制实际燃烧温度以及将它们相结合的复合技术等都是能降低燃烧废气中NOx含量的有效措施。

废气循环。废气循环是目前使用较多的低NOx燃烧技术。该技术是在空气预热器前抽取一部分低温烟气直接送入炉膛，或者掺入一次风或二次风中。因烟气的吸热和对氧气的稀释作用会降低燃烧速度和炉内温度，从而抑制了热力型NOx的生成。

立火道采用废气循环可以降低煤气中可燃成分和空气中氧的浓度，并加快气流速度，从而拉长火焰，这有利于焦饼上下加热均匀、改善焦炭质量、缩短结焦时间、增加产量并降低耗热量。废气循环法适用于含氮量低的燃料，降氮效果最高达25%。经验表明，烟气再循环量一般控制在10%~20%，若超过30%，燃烧效率则会降低。

分段加热。该技术一般是只用空气分段，或空气和贫煤气分段供给加热。采用分段加热的一般都是7米以上焦炉，由于焦炉较大，分段加热可以使焦炉受热更均匀。

控制实际燃烧温度。焦炉使用高炉煤气或混合煤气加热，燃烧过程中所生成的主要是温度热力型NOx。当空气过剩系数α=1.1，空气预热到1100℃时，高炉煤气理论燃烧温度为2150℃，实际燃烧温度比测定的火道温度相差200℃左右，燃烧温度稍有衰减，实际燃烧温度介于理论燃烧温度和测定火道温度之间，这就为NOx的生成提供了适宜的高温环境。

一般情况下，可通过降低火道温度、改变焦炉煤气组分、降低空气过剩系数、优化焦炉热工制度来降低燃烧温度。但是，降低火道温度在一定条件下无法改变，焦炉煤气组分一般无法改变，而降低空气过剩系数和优化焦炉热工制度可在生产过程中不断调整，因此，这两点特别是控制空气过剩系数可在实际生产中做到。

废气循环与分段加热技术是在设计焦炉时就已经设计完成。对于运行多年的焦炉，炉体结构、加热方式等条件已固定。目前运行的焦炉大多有废气循环的功能，而分段加热技术一般在7米以上大型焦炉才有应用，中小型焦炉基本没有。而通过控制实际燃烧温度减少温度热力型NOx对于任何类型的焦炉都有实际操作的可能性。

对于减少燃料型NOx，主要是采用高炉煤气做热源。在采用混合煤气时，应减少焦炉煤气的掺混比例。此外，炉体串漏的荒煤气中含氮化合物，是焦炉烟气中燃料型NOx的主要来源之一，因此，控制炉体串漏的荒煤气也十分必要。