三聚环保焦化烟气净化创新技术DDSN开发纪实
图为内蒙古美方能源有限公司焦炉烟气净化装置。
2016年入冬以来，我国华北、华东地区大面积长时间的重度空气污染不仅给百姓的生活带来极大的不便，同时也使工业企业的生产受到极大的影响。
“去年，我们的焦化装置开工率总体还不到50%。尽管下半年来，市场价格有所回升，但是有钱也挣不到呀。只要污染一加重，企业就得限产停产。”河南一家焦化企业的老总无奈地表示。
这位老总反映的问题已经成为焦化行业的常态。焦化行业目前面临着双重压力,一是去产能，二是烟气治理。随着雾霾天气的增多，后者已经成为卡脖子工程，直接决定着企业生死存亡。
同样是在2016年，一项焦化行业烟气治理创新技术成功在焦化企业推广应用，这就是北京三聚环保新材料股份有限公司旗下的北京宝塔三聚能源科技有限公司推出的干法脱硫低温脱硝余热回收一体化环保技术(DDSN)。
传统焦化产业污染严重
据中国炼焦行业协会负责人介绍，目前我国已经成为世界上最大焦炭生产国和消费国，焦炭产能超过6.8亿吨，年产量达到4亿多吨，占全球焦炭产能和产量的70%以上。
在2015年前，我国炼焦企业的烟气几乎不经过任何处理就直接排放。假设全国每年4亿吨焦炭产量，按照焦炉烟气中二氧化硫含量为250~500mg/Nm3，氮氧化物含量为800~1300mg/Nm3计算，二氧化硫和氮氧化物的排放量分别达到每年15万~30万吨和50万~80万吨。显而易见，焦化行业在雾霾的形成中扮演着并不太光彩的角色。
我国焦化企业主要集中在煤炭富集区河北、山西、陕西、山东、河南、内蒙古等地。有专家指出，华北地区的重雾霾天气频现，与这一地区电厂焦化、钢铁、水泥、玻璃等重工业企业集中有直接关系。
为更加有效地治理焦炉烟气的大气污染问题，我国从2015年1月1日起开始实施《炼焦化学工业污染物排放标准》GB16171-2012。标准要求焦炉烟气氮氧化物和二氧化硫排放低于500mg/Nm3和50mg/Nm3，特殊地区低于150mg/Nm3和30mg/Nm3。目前新标准已经实施两年，但焦化行业实际的减排效果并不好，焦化行业烟气污染问题依然十分严重。据业内人士介绍，事实上，焦化行业中只是少数企业安装了脱硫装置，极少数企业安装了脱硝装置。
烟气治理技术亟待突破
“尽管国家2015年1月1日就已经出台了严格的分地区排放标准，但目前焦化行业能做到达标排放的企业并不多，其主要原因是适合于焦化行业烟气治理的技术严重缺失，执法和监管遇到挑战。”北京三聚环保新材料股份有限公司副总裁任相坤表示。
为满足环保标准以及环保主管部门对于大气污染物减排愈来愈严格的要求，建设焦化烟气脱硫脱硝装置成为焦化企业亟待解决的关键问题。焦化环保新标准实施以来，几乎所有焦化企业都无法满足严格的排放要求。焦化企业对于技术成熟、成本低、运营效率高的烟气脱硫脱硝技术的需求十分迫切。但目前国内焦化行业与电力行业相比，还没有很好的、成熟可靠的、完整的脱硫脱硝工艺技术路线和规范技术，大家都是在研究过程和示范过程中。
河南省顺成集团煤焦有限公司董事长王新顺表示：“国家的环保法规越来越严，焦化企业如果过不了环保这一关，生存都是问题。环保设备不是上不上的问题，而是如何选择、选择哪种技术路线的问题。”
目前我国燃煤发电等行业污染物控制技术已经较为成熟，各类先进除尘、脱硫、脱硝技术已经进入推广应用阶段，烟气脱硫装置、低氮燃烧系统及烟气脱硝装置已经普及，超低排放燃煤发电技术已成功示范。有人自然就把目光投向了燃煤电厂的烟气治理技术。
“但焦化行业烟气治理并不能简单地照搬燃煤电厂的经验，两个行业间存在着在较大差别。燃煤电厂普遍采用的工艺路线是高温脱硝—余热回收—湿法脱硫—湿电除尘的工艺路线，并不适合焦化行业的生产实际。”任相坤说。
他给出了几个理由。一是燃煤电厂采用的选择性催化还原(SCR)脱硝适用的温度区间在300℃~400℃，而焦化烟气温度一般是在200℃~300℃，传统的高温脱硝技术在焦化行业没有用武之地;二是电厂普遍应用湿法脱硫，这个技术虽然比较成熟，但如果应用到焦化行业，脱硫反应后烟气温度会低于露点，后续管道和设备腐蚀问题将是一大难题;三是焦炉需要依靠烟囱的自然吸力把燃烧的废气排出，否则就会影响焦炉生产安全，这就要求烟气温度大于150℃，而采用燃煤电厂的烟气净化技术处理后，烟气温度远低于这一温度。
除此之外，半干法技术在焦化企业也有应用，但由于过程有水存在，会损失掉一部分热能，另外还需要增加一个除尘装置。另外市场还有活性焦、活性炭吸附法和臭氧氧化法等一些技术。
“发电行业成熟的脱硫脱硝技术并不适用于焦化行业，其他一些技术也存在着能耗高、投资大、效率低等一些不利因素，必须开发针对焦炉烟气特点的低温脱硝和高效干法脱硫技术。但是，当前国内低温脱硝和干法脱硫技术尚不成熟，不能直接应用到焦炉烟气治理，亟待该技术领域的重大突破。”任相坤表示。
一体化方案脱颖而出
为了解决焦化行业烟气治理的痛点，三聚环保旗下宝聚科技将业务重点聚焦在了开发针对焦化行业的低温脱硝和干法脱硫技术上。
“根据焦化生产的特点，我们转变思路，将脱硫工艺放在前面，首先确立了干法脱硫—低温脱硝—余热回收的工艺路线。与传统方法相比，这个工艺路线具有多方面的优势。一是干法脱硫基本不存在温降，而且脱硝对温度有要求，这样就能够尽可能多地回收余热，余热回收后烟气直接排入原烟囱，因此热备不需要再单独加换热器。二是如果低温脱硝过程中存在二氧化硫，脱硝催化剂会受到很大影响，先脱硫，后脱硝，就基本排除了二氧化硫对脱硝的影响，有利于减少了脱硝催化剂填装量，延长了脱硝催化剂寿命，脱硝后生成氮气和水不会对大气环境产生不利的影响。”宝聚科技副总经理于春林表示。
于春林介绍，在确立了可靠先进的工艺路线后，充分考虑焦炉生产和焦化烟气特点，在大量调研、实验的基础上，宝聚科技与日本日挥株式会社、日挥触媒化成株式会社等多家公司合作，在燃煤电厂的干法脱硫、垃圾发电的低温脱硝技术的基础上，共同开发了先脱硫后脱硝再进行余热回收的系统工艺。这样的设计思路不但实现了烟气净化，有效利用了烟气余热，同时还解决了锅炉腐蚀、烟囱热备等一系列工程难题。
其中，这条工艺路线中选用的干法脱硫技术，已在日本电力行业相对低温条件下成功商业运行多年，并保持了良好的脱硫效率。合作各方还共同摸索中温干法脱硫工艺，针对焦炉烟气干法脱硫进行了大量的实验，获得了丰富的实验数据，为应用于焦化烟气干法脱硫工程化奠定了基础。
工艺中选用的低温SCR脱硝技术，也充分考虑了焦化烟气经过干法脱硫后的低硫低灰特点，在脱硝装置设计上尽可能降低投资。配套的日挥触媒的低温高效脱硝催化剂已成功应用于垃圾焚烧等领域。
同时，宝聚科技还结合三聚环保在脱硫剂方面的优势工艺，与日方共同开发了一种新型脱硫剂，烟气通过这种脱硫剂后，脱硫彻底，废剂还可以作为有效资源，得以循环利用。
就这样，集多方技术优势于一体的干法脱硫—低温脱硝—余热回收一体化焦化烟气治理解决方案在中日双方的共同努力下成功问世。
首套工艺示范性能卓越
2016年6月，世界首套全流程焦化烟气干法脱硫低温脱硝工艺示范装置在内蒙古美方能源有限公司建成投产。
美方能源位于内蒙古乌海市乌达经济开发区内，建有两套焦化装置，产能240万吨。改造前其焦化装置烟囱排放的烟气中二氧化硫含量约200mg/Nm3，氮氧化物含量约1000mg/Nm3，远远超出国家标准。
“由于是国内焦化行业的首个干法脱硫—低温脱硝—余热回收一体化装置，正式开工建设前，宝聚科技、日本合作方与美方能源进行了多次深入交流，根据企业实际情况，对脱硫、脱硝工艺进行了反复研究和调整。”任相坤表示。
装置分两期建设，一期装置于2015年下半年开工建设，并于2016年6月29日开始正式调试，主要建设了脱硫系统、脱硝系统、余热回收系统和氨区系统。烟气首先通过脱硫塔，脱除烟气中的二氧化硫;之后经过脱硝塔，脱除氮氧化物;最后经过余热锅炉。余热锅炉入口烟气温度与脱硫入口相比降低不到15℃，可以产生数量可观的蒸汽，真正实现了环保与节能的有机结合，大大减轻了企业运行成本。
目前，美方能源两期烟气净化项目已全部完成，装置自调试开始，已平稳运行半年，排放的二氧化硫和氮氧化物不仅达到了乌海地区的环保要求，而且也满足国标中特殊地区的要求，对操作进行适当调整甚至可以将二氧化硫降至10mg/Nm3，氮氧化物含量降到80mg/Nm3，可以满足比国家环保标准还要苛刻的要求。这一项目的成功，打破了传统焦化行业可持续发展的重大环保瓶颈，带动了企业节能环保技术进步。这样的效果，让项目参与各方感到欢欣鼓舞。
美方能源总经理孔元说：“我是经过充分考察和比较后选择的这项技术。在合作之前，我们也做了多方考察调研，当时国内几乎没有成熟的技术可选，直到我们遇到宝聚科技。选择这条技术路线，也是冒了风险的，毕竟我们是第一家，当时国内还没有成功的案例。但今天回过头来看，当时的决定是正确的。装置运行半年多非常平稳，烟气达标排放。这套路线最大的特点就是投资低、运行成本低、环保指标控制稳定。我们调研过许多技术，运行成本折合每吨焦10~15元，而这个技术运行成本远远低于这个水平。”
据悉，美方能源作为乌海地区第一家完成脱硫脱硝余热回收一体化装置建设的焦化企业，在烟气排放达标以后，首次实现2015年以来的高负荷生产，又恰逢焦炭价格一路上涨，企业获得不小的经济收益。
技术推广多点开花
在环境监察越来越严苛的形势下，从去年下半年开始，焦化企业纷纷行动起来，计划建设烟气脱硫脱硝装置。
孝义市鹏飞实业有限公司董事长郑鹏表示：“焦炭是山西第二大支柱产业，大气污染问题已经成为制约焦化行业发展的最大瓶颈，为了实现青山绿水、蓝天白云的目标，我们率先提出了焦化厂超低排放的目标，我们要从自身做起，把企业排放标准做到最好，通过先进的环保技术将传统污染企业转型成超低排放零污染的企业。”
“当前有很多类似的技术，我们用一年时间对数十家国内外知名的环保公司进行了调研，包括脱硫、脱硝、余热回收的各种技术，最终我们还是选择宝聚科技作为合作伙伴。这家企业不仅技术工艺路线先进，而且服务好，更重要的是在内蒙古已经有建好的装置在平稳运行，让我们对这项技术更有信心。”郑鹏表示。
“我们做好了，就是焦化行业的示范工程，可以引领行业向环保节能、清洁生产的方向发展。我们正在建设3套135万吨/年的烟气净化装置，总规模500万吨/年，今年7月就将建成投产。我们希望成为全国乃至全球焦化行业超低排放的标杆，而不仅仅是在山西。”郑鹏对这个项目信心十足。
河南豫龙焦化有限公司董事长冯地报也谈到：“我们选择宝聚科技有几个原因：一是它的工艺路线是干法脱硫、低温脱硝，这项技术在日本的燃煤电厂和垃圾发电厂已经有成功应用，技术成熟风险小。我们在前期的考察时已经排除了其他碱法、氨法脱硫路线，这些都有后患，会有氨逃逸现象，产生的废弃物处理难度大、成本高。而该技术产生废物容易处理，而且整个装置运行费用比较低，可连续操作，技术先进、可靠。我们调查了不少工艺，都有不足，有脱硝没有脱硫，能做好脱硫的脱硝又做不好。我们也考查了美方能源建设的首套装置，将运行效果与其他工艺做了对比，还是宝聚科技的技术最靠谱。我们现在正在建设一套60万吨规模的脱硫脱硝一体化装置，同时建设脱硫脱硝，投资并不比别人的高，关键是技术可靠，后期不用重复投资。”
河南省顺成集团煤焦公司董事占王顺成表示：“目前，焦化企业烟气脱硫脱硝势在必行，达标排放刻不容缓。经过多方考察，我们认为三聚环保的DDSN技术可靠、投资合理、烟气治理效果好。目前土建工程已经开工，预计今年6月份烟气净化装置就能建成投运。在环保达标的基础上，我们也在不断开发新产品，延伸产业链，将传统的单一的焦炭产业打造成清洁、环保、高价值的现代煤化工产业。”
与内蒙古、山西、河北、河南等地有所不同，位于环境更为敏感的江苏省的靖江众达炭材有限公司环保的约束力更强，该董事长黄达民表示：“焦化企业要生存首先就要补上环保的短板，环保不过关，企业就没有发展的空间。我们已经与宝聚科技签订合作协议采用DDSN技术建设烟气净化装置。项目上马后，烟气排放将达到沿海地区的先进水平。与此同时，我们也在进一步加大焦炉煤气的深加工，回收LNG以及含H产品，提高能源资源的利用率，增强企业的盈利能力。”
任相坤说，我们开发的烟气净化系统完全根据焦化行业量身定做，对于焦化烟气净化来说是一次全面的技术革新。目前，除美方能源外，已有6家焦化企业采用了宝聚科技的焦炉烟气脱硫脱硝余热回收一体化技术，计划建设13套一体化装置，设计与施工工作正在紧锣密鼓地进行。还有10余家企业正在洽谈之中。
此外，中日合作开发的低温脱硝技术，还成功应用到了高浓度(>7000mg/Nm3)窑炉烟气脱硝领域，在沈阳三聚凯特催化剂有限公司建设了示范工程，已于2016年8月一次性开车成功。
链接：干法脱硫低温脱硝余热回收一体化环保技术(DDSN)工艺特点
●工艺创新性地提出采用先脱硫后脱硝，最后进行余热回收的方案，脱硫后的烟气中二氧化硫含量较低，有利于减少脱硝催化剂填装量，延长催化剂寿命;
●工艺首次在烟气治理的实际工程应用中采用干法脱硫，温降很小，远低于半干法脱硫和湿法脱硫，且整套技术除设备与管道散热外无温降，可保证脱硝时烟气的温度并且有利于最后的余热回收;
●干法脱硫首次采用移动床工艺，且研制特殊的有针对性的脱硫剂，使得脱硫效率达到95%以上，并且压降仅为1500Pa左右;
●工艺采用的移动床干法脱硫具备一定的除尘功能，可将灰尘含量降低至15mg/Nm3，满足了国标要求，不必另外设置除尘装置;
●工艺中进入余热锅炉的烟气已经被净化，最大程度地减少了锅炉腐蚀，延长锅炉寿命;
●工艺采用的低温脱硝选用日挥触媒公司的35孔高效低温脱硝催化剂，效率约为国内常见脱硝催化剂的2倍，催化剂装填量较少;
●工艺在设计过程中采用CFD模拟对喷氨系统进行设计，最大限度提高催化剂效用、降低氨逃逸;
●工艺中余热回收后排烟温度大于150℃，烟气处理后可回原烟囱，使原烟囱始终处在热备状态;
●工艺中设置了烟道闸板门自开启联锁系统，可保证特殊工况下焦炉的安全;
●整套工艺仅有脱硫塔、脱硝反应器、余热锅炉三台主要设备，设备数量少，可灵活布置，最大程度减少占地和投资，使得不管是新建一体化装置或者已建有余热回收的脱硫脱硝改造都变得可行。
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