在眾多的脫硝技術(shù)中，選擇性催化還原法(SCR)是脫硝效率較高，應用最廣，相對成熟的脫硝技術(shù)。SCR法是在一定的溫度和催化劑作用下，利用氨或烴做還原劑，可選擇性地將煙氣中NOx還原為氮氣和水的方法。催化反應溫度在320-400度(焦爐煙氣溫度范圍基本為180度-300度)，該技術(shù)無副產(chǎn)品，通過加大催化劑裝填量，脫硝效率能達80%-90%以上。
焦爐煙氣脫硫脫硝的必要性
1、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的要求：焦化行業(yè)是煤化工產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是鋼鐵行業(yè)中最重要的上游產(chǎn)業(yè)之一，也是重點污染行業(yè)。根據(jù)環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2015年焦化行業(yè)主要污染物二氧化硫、氮氧化物排放量分別為36.47萬t/a和24.58萬t/a，占全國工業(yè)二氧化硫、氮氧化物排放總量的比例分別為2.1%和1.7%。而焦爐加熱產(chǎn)生的焦爐煙氣中的二氧化硫和氮氧化物，是焦化生產(chǎn)中二氧化硫和氮氧化物的重要來源。由于長期的粗放發(fā)展，對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生嚴重影響，由其轉(zhuǎn)變而來的PM2.5占空氣中PM2.5總量的40%~50%，同時它們也是形成酸雨的主要物質(zhì)，會導致一系列環(huán)境問題。因此控制二氧化硫和氮氧化物的生成，減少二氧化疏和氮氧化物的排放，己是擺在焦化行業(yè)面前的重大任務。
2、排放標準的要求：《煉焦化學工業(yè)污染物排放標準》(GB16171-2012)中對焦爐煙囪各污染物的排放濃度限值提出了嚴格的要求：S02≤50mg/m3，NOx≤500mg/m3，執(zhí)行特別排放限值的地區(qū)要求S02≤30mg/m3，NOx≤150mg/m3，根據(jù)目前國內(nèi)焦爐煙氣中S02和NOx的排放濃度，必須采取脫硫脫硝末端治理后才能滿足GB16171排放標準要求。
焦爐煙氣中S02和NOx的主要來源
S02的來源：
1、焦爐加熱用燃料中的H2S和有機硫經(jīng)燃燒后生成的S02；
2、炭化室荒煤氣竄漏進入燃燒室經(jīng)燃燒后生成的S02；
NOx的來源：
焦爐加熱室燃料燃燒過程中產(chǎn)生的熱力型NOx，當采用焦爐煤氣加熱時，熱力型NOx占全部NOx的95%以上；當采用高爐煤氣加熱時，生成的NOx則全部是熱力型NOx。
焦爐煙氣的特點
由備煤車間來的洗精煤，由運煤通廊運入煤塔，由煤塔漏嘴經(jīng)裝煤車按序裝入炭化室，在950-1050度的溫度下高溫干餾成焦炭。焦爐加熱用回爐煤氣由外管送至焦爐各燃燒室，在燃燒室內(nèi)與經(jīng)過蓄熱室預熱的空氣混合燃燒，燃燒后的廢氣經(jīng)跨越孔、立火道、斜道，在蓄熱室與格子磚換熱后經(jīng)分煙道、總煙道，最后從煙囪排出。
焦爐因其生產(chǎn)工藝的特殊性，煙囪排放的熱煙氣中含二氧化硫、氮氧化物、粉塵，氮氧化物含量較高，煙氣需進行脫硫脫硝除塵處理后方可滿足排放要求。煙氣中NOx主要是在煤氣高溫燃燒條件下產(chǎn)生的，焦爐煤氣含50%以上的氫氣，燃燒速度快，火焰溫度高達1700-1900度，煤氣中氮氣與氧氣在1300度左右會發(fā)生激烈的氧化反應，生成NOx。
總體來說，焦爐煙氣具有以下特點：
1、焦爐煙氣溫度范圍基本為180-300度，溫度波動范圍較大;
2、焦爐煙氣成分復雜，NOx含量偏高，濃度一般為350mg/Nm3-1200mg/Nm3;
3、焦爐煙氣中含有S02，在180度至230度溫度區(qū)間內(nèi)，S02易與氨反應轉(zhuǎn)化為硫酸銨，造成管道堵塞和設(shè)備腐蝕;
5、焦爐煙囪必須始終處于熱備狀態(tài)。也就是說，煙氣經(jīng)脫硫脫硝后，最后排放溫度還得保證在130度左右。
焦爐煙氣的脫硫技術(shù)現(xiàn)狀
煙氣中的SO2是弱酸性物質(zhì)，與適當?shù)膲A性物質(zhì)反應可脫除煙氣中SO2。按照吸收劑的形態(tài)，目前脫硫工藝一般可分為干法(半干法)和濕法。
干法脫硫：主要是采用粉末狀脫硫劑和催化脫硫劑，干法脫硫的優(yōu)勢是不產(chǎn)生廢水;
半干法脫硫：主要是采用碳酸鈉或石灰溶液作為脫硫劑，優(yōu)勢是不產(chǎn)生廢水，但會產(chǎn)生大量固廢脫硫渣，不太容易處理;
濕法脫硫：主要采用是氨法脫硫，氨法脫硫的主要問題是產(chǎn)生氨逃逸，且容易產(chǎn)生煙氣溶膠和煙氣拖尾現(xiàn)象。
干法(半干法)脫硫工藝特點：
在干法和半干法煙道氣脫硫系統(tǒng)中，固體堿性吸收劑被噴入煙道氣流中，或通過讓煙氣穿過堿性吸收劑床的方式使其與煙道氣相接觸。無論哪種情況，煙氣中的SO2都是與固體堿性物質(zhì)反應，生成相應的亞硫酸鹽和硫酸鹽。為了使這種反應能夠進行，固體堿性物質(zhì)必須是十分疏松或相當細碎。在半干法煙道氣脫硫系統(tǒng)中，水被加入到煙道氣中，以在堿性物質(zhì)顆粒物表面形成一層液膜，SO2溶入液膜，加速了與固體堿性物質(zhì)的反應。干法脫硫技術(shù)的脫硫吸收和產(chǎn)物處理均在干狀態(tài)下進行，該法具有無污水廢酸排出、設(shè)備腐蝕程度較輕，煙氣在凈化過程中無明顯降溫、凈化后煙溫高、利于煙囪排氣擴散等優(yōu)點，但存在脫硫效率低、脫硫劑利用率低、反應速度較慢、設(shè)備龐大、反應后煙氣含塵量大需要增加除塵裝置等問題。
濕法脫硫工藝特點：
世界各國的濕法煙氣脫硫工藝流程、形式和機理大同小異，主要是使用石灰石(CaCO3)、石灰(CaO)或碳酸鈉(Na2CO3)等漿液作洗滌劑，在反應塔中對煙氣進行洗滌，從而除去煙氣中的SO2。這種工藝已有50年的歷史，經(jīng)過不斷地改進和完善后，技術(shù)比較成熟，而且具有脫硫效率高(90%-98%)，機組容量大，煤種適應性強，運行費用較低和副產(chǎn)品易回收等優(yōu)點。
石灰石(石灰)-石膏濕法煙氣脫硫工藝由于吸收劑價廉易得，在濕法脫硫領(lǐng)域得到廣泛的應用。該工藝的特點是脫硫效率高(>95%)、吸收劑利用率高(>90%)、能適應高濃度SO2煙氣條件。缺點是基建投資費用高、水消耗大、脫硫廢水具有腐蝕性，最主要的是原料石灰石需要采購，副產(chǎn)品亞硫酸鈣不好處理。
焦化廠一般可以采用氨法脫硫技術(shù)。氨法脫硫不但可以脫除煙氣中的SO2，生產(chǎn)出的硫酸銨和硫酸氫銨化肥產(chǎn)品還可以進入焦化廠回收車間硫銨系統(tǒng)加以處理利用生成硫銨產(chǎn)品。同時該系統(tǒng)利用一定濃度的氨水作為脫硫劑，可以使用回收車間剩余氨水，減少回收車間蒸氨系統(tǒng)負荷，一舉三得。氨法脫硫采用液體吸收劑洗滌煙氣以除去SO2，所用設(shè)備比較簡單，操作容易，脫硫效率高。
氨法脫硫不是一體化技術(shù)，不能同時進行脫硝，需要單獨再建設(shè)脫硝系統(tǒng);副產(chǎn)品硫銨化肥品質(zhì)受氨水質(zhì)量影響，其純度難達到標準要求。所以氨法脫硫?qū)Π彼焚|(zhì)有一定要求，可以采用經(jīng)陶瓷膜過濾器過濾后的氨水;脫硫后煙氣溫度較低，排放易形成煙氣拖尾，需要加煙氣加熱裝置;硫銨鹽液塔內(nèi)結(jié)晶，易附著在塔壁或噴淋管道上，造成管路堵塞和嚴重腐蝕，設(shè)備選材要求高，腐蝕嚴重，需考慮防腐以及清洗裝置。
焦爐煙氣的脫硝技術(shù)現(xiàn)狀：
由于焦爐煙氣的溫度較低，不適合高溫脫硝，因此目前焦爐煙氣主要采用中低溫脫硝技術(shù)，脫硝催化劑有釩系和錳系，也有活性焦和有機催化劑。
脫硝工藝原理是基于選擇性催化還原法(SCR)或有機催化法。
SCR法脫硝工藝特點：
在SCR系統(tǒng)設(shè)計中，煙氣溫度是選擇催化劑的重要運行參數(shù)。SCR技術(shù)需要高溫條件(320-400度)，催化反應只能在一定的溫度范圍內(nèi)進行，同時存在催化的最佳溫度，這是每種催化劑特有的性質(zhì)，因此煙氣溫度直接影響反應的進程。所以，焦爐煙氣需要安裝煙氣加熱系統(tǒng)。反應產(chǎn)物是N2和H2O，不能回收利用，只消耗原料和動力，不產(chǎn)生經(jīng)濟效益，催化劑每三年更換一次，成本很高。
SCR法脫硝工藝經(jīng)催化劑改良，可以適當?shù)亟档头磻獪囟?230度)，但是低溫SCR工藝都處于實驗室研究階段，均沒有經(jīng)過工業(yè)裝置實踐應用。低溫SCR工藝由于SO2、水及氨易形成氨鹽造成催化劑中毒，影響催化劑的性能，低溫脫硝催化劑采購途徑具有壟斷性，價格較高。
根據(jù)GB16171-2012(表6)的煙氣排放標準，要求煙氣中SO2濃度為30mg/Nm3，NOx濃度為150mg/Nm3。所以，焦化廠的煙氣處理系統(tǒng)需要同時增設(shè)脫硫脫硝系統(tǒng)，以確保煙氣達標排放。
先脫硫后脫硝工藝流程及特點
先脫硫后脫硝最明顯的特點就是煙氣經(jīng)脫硫后，煙氣中的SO2濃度降低，減少了脫硝反應過程中硫酸銨、硫酸氫銨雜質(zhì)的形成，保護了脫硝催化劑的活性，延長其使用壽命。
但是，這種工藝原則不能采用濕法脫硫。即使是干法脫硫，也存在10度-20度溫降，不利于脫硝反應的順利進行，需要安裝煙氣加熱系統(tǒng)，余熱利用率不高，最主要的是干法脫硫設(shè)備成本及運行成本都比較高。
先脫硝后脫硫工藝流程及特點
先脫硝后脫硫最大的優(yōu)點就是未經(jīng)處理的焦爐煙氣溫度范圍基本為180度-300度，適合低溫SCR法進行脫硝反應(但是建議加入煙氣加熱系統(tǒng)，當結(jié)焦時間延長或者其它需要的情況下對煙氣進行加熱，保證脫硝反應的順利進行)。脫硝反應后，煙氣可以接入余熱鍋爐進行余熱回收利用。最后直接進行濕法脫硫(氨法脫硫)。
其工藝流程如圖2所示
但是，這種工藝主要存在以下兩個短板：第一，焦爐煙氣中含有SO2，SO2在180度至230度溫度區(qū)間內(nèi)(正好是脫硝反應的適宜溫度)，易與氨反應轉(zhuǎn)化為硫酸銨、硫酸氫銨，附著在催化劑表面造成催化劑中毒失活，同時還造成管道堵塞和設(shè)備腐蝕。所以，我們在設(shè)計時可以在脫硝系統(tǒng)前加一過濾網(wǎng)，同時增加洗滌系統(tǒng)，對附著在催化劑表面的雜質(zhì)進行洗滌。
第二，濕法脫硫的反應溫度為60度左右，經(jīng)過濕法工藝脫硫后的煙氣一般溫度為45度左右，大都在露點以下，若不經(jīng)過再加熱而直接排入煙囪，則容易形成酸霧，腐蝕煙囪，也不利于煙氣的擴散，同時在低溫潮濕季節(jié)會產(chǎn)生比較明顯的冒“白煙”現(xiàn)象，所以需要對凈化后的煙氣重新加熱至130度左右(這里可以利用余熱鍋爐產(chǎn)生的部分蒸汽即可)，使焦爐煙囪始終處于熱備狀態(tài)。
結(jié)語
由于人民日益增長的美好生活需要與日益嚴峻的生態(tài)環(huán)境之間的矛盾逐步凸顯出來，要求焦化行業(yè)向綠色發(fā)展已提上日程。
盡管目前已經(jīng)開發(fā)出了多種焦爐煙氣的脫硫脫硝工藝技術(shù)，但是其工藝可靠性、實用性等還需要驗證，因此，焦爐煙氣的治理技術(shù)仍有部分細節(jié)問題需要完善。