我国焦炉烟尘污染及其控制
一、焦炉烟尘污染状况
1.1焦炉烟尘污染
焦炉在装煤、炼焦、推焦与熄焦过程中,向大气环境排放大量煤尘、焦尘及有毒有害气体(以下统称烟尘)。其污染量国外作过统计,吨焦烟尘量达1kg之多,这个数量对于一个日产6000t焦炭的焦炉组,每天就有6t多烟尘排放到大气中,造成对人与环境的严重危害。
焦炉烟尘含有多种污染物,主要是固体悬浮物(TSP)、苯可溶物(BSO)及苯并芘(BaP).烟尘逸出后在大气温度和压力下,迅速冷凝并附着在悬浮微粒表面,随着呼吸微粒进入人体内并沉积于肺部。目前广泛认为烟尘中BSO和BaP对人体是致癌物,长期持续地吸入含致癌物的微粒,能引发肿瘤。某些研究报告指出,在焦炉操作的工人患呼吸系统癌症的危险性比其他钢铁工人高,就焦化而言,炼焦工肺癌,在冶金企业中,是一种仅次于矽肺的职业病。
国外发达国家职业安全卫生机构对作业场所空气中BSO、BaP最高允许浓度规定分别为0.15mg/m3、0.15ug/m3,国内焦炉作业区监测数据表明,各项指标均远远超过环保要求,环保问题十分严重(见表1)。从70年代起,随着环保要求的不断提出,焦炉烟尘污染与治理技术已引起各发达国家的重视,并相继在焦炉上运用,取得了明显成效。国内起步较晚,除宝钢等少数几家引进消化国外技术,上了环保装备外,国内焦炉环保治理软件、硬件远未得到普及应用,成为当前和今后较长一段时间内冶金行业环境保护亟待解决的重大课题和紧迫任务。
二、焦炉烟尘的产生特点及危害
2.1焦炉烟尘的产生特点
焦炉在装煤、炼焦、推焦与熄焦过程中，会向大气环境排放大量煤尘、焦尘及有毒有害气体（统称烟尘）。焦炉产生的烟尘主要分为两部分：一部分是炼焦期间焦炉逸出的散烟，为连续无组织排放；另一部分是机械操作过程中产生的烟尘，主要是在装煤和推焦拦焦过程中产生的，其烟尘特点是：间歇性排放，烟气湿度大，温度高，含有可燃气体和焦油，而且产尘点会在长距离上频繁移动，兼有固定源和移动源的特征。由于焦炉生产具有排污环节多且多变、强度较高、炼焦污染物种类杂、毒性大等特点，其烟尘治理多年来一直是污染控制的难点。
2.2焦炉烟尘的危害
焦炉烟尘中含有多种污染物，主要是总悬浮颗粒物（TSP）、苯可溶物（BSO）和苯并芘（BaP）等。烟尘逸出后在大气温度和压力下，迅速冷凝并附着在悬浮微粒表面，可随着呼吸进入人体内并沉积于肺部。研究表明，炼焦烟尘中的BSO和BaP是强致癌物质，长期持续地吸入含致癌物的微粒，能引发肿瘤。某些研究报告指出，焦炉操作工人患呼吸系统癌症的危险性比其他钢铁工人高，就焦化而言，炼焦工人肺癌的发病率很高，在冶金企业中是一种仅次于矽肺的职业病。
在焦炉烟尘中散发量最大、危害最严重的是装煤过程外逸的大量黄烟和煤尘。据有关资料报道，在焦炉装煤的过程中，烟尘有害物的散发量约占焦炉总污染物的60％，其中BSO排放量为0.499kg/t煤，BaP排放量为0.908×10-3kg/t煤，分别是推焦BSO及BaP排放量的 13.7倍和50倍。烟气中的BaP等有害物质，大部分是以TSP为载体而存在的，因此对TSP的收集处理是解决焦炉烟尘有害物质危害的根本途径和关键环节。焦炉在无控制时的外排颗粒物和BaP的分布情况
三、焦炉烟尘污染源分布及其控制
3.1焦炉烟尘污染源分布
焦炉烟尘污染源主要分布于炉顶、机焦两侧和熄焦,全部烟尘还应包括加热系统燃烧废气(见图1)。按生产过程可把烟尘分为两种,炼焦过程中污染源和机械操作过程污染源。
炼焦过程中产生的烟尘主要来自于炉门、装煤孔盖、上升管。当炉门(包括小炉门)、装煤孔盖、上升管密封不严,集气管压力波动超限时而产生冒烟、冒火,甚至导致荒煤气放散。
机械操作过程中的烟尘主要产生于打开炉门、装煤、推焦与熄焦作业。无环保装备的四大车操作,使装煤、推焦、熄焦烟尘处于无控制状态逸散,是焦炉的主要污染源,其中装煤烟尘量0.4～0.6kg/t煤,推焦烟尘量1.38kg/t煤,熄焦0.3～0.4kg/t煤。由于装煤、推焦烟尘微粒表面吸附BSO和BaP等多环芳香烃污染物质,其危害性大于熄焦烟尘。因此,装煤、推焦烟尘治理是改善焦炉作业环境,减少污染的重点项目。
3.2 炉顶烟尘控制
炉顶烟尘来源于装煤孔盖、上升管盖、上升管与炉顶联结处,桥管与水封阀联结处等。国内已采取的主要措施有:
(1)装煤孔盖泥封,采用人工或装煤车机械浇泥,把泥浆浇灌在孔盖周边加以密封。
(2)上升管盖密封,国内80年代以来,普通采用水封式上升管盖,水封高度大于上升管内煤气压力,保证荒煤气不外逸。
(3)上升管与炉顶联接处采用耐火材料泥浆、石棉绳和耐火粉料与精矿粉混合泥浆封堵,承插口处采用氨水水封。
目前国外对装煤孔盖除采用泥封外,对装煤孔盖、座的设计作了改进,把盖、座的密封沿圆周方向加工成球面,由于球面密封有“万向密合”的优点,即使盖子有点倾斜也能与座贴合良好。
3.3炉门烟尘控制
炉门刀边与炉框镜面接触不严密将使炉内烟气泄漏。50年代,采用小压架顶丝压角钢或丁字钢刀边的刀封炉门结构。60年代,采用敲打刀边,但不能消除炉门因热变形引起的冒烟现象。80年代,采用空冷式炉门,改善了炉门铁槽与炉门框因受热而引起的变形,同时采用带弹性腹板的不锈钢刀边,用小弹簧施加弹性力来调节刀边的密封性,基本上消灭了炉门冒烟现象。国内一些厂还采用了气封炉门技术。
3.4 装煤烟尘控制
装煤车把煤通过装煤孔装入赤热的炭化室时,煤中水份蒸发和挥发份的迅速产生,造成炭化室内压力突然上升,形成大量烟尘从炭化室逸出。目前焦化厂普遍采用顺序装煤,焦炉设置双集气管,以及在上升管桥管处采用1.8～2.5MPa高压氨水(或0.7～0.9MPa蒸汽)喷射,使炭化室形成负压(如装煤孔处-5Pa),以实现无烟装煤。但实际效果并不十分理想,由于国内大多数装煤车装煤伸缩筒、平煤杆套以及装煤孔座气密性差,喷射吸力波动较大,加上重力装煤产生的大量烟尘,不能完全借助高压氨水喷射及时导出,烟尘仍有相当一部分从装煤孔、小炉门等处逸入大气,造成对环境的污染。
国外70年代以来在装煤消烟除尘技术与装备方面有较多研究与改进,有的技术装备烟尘去除率可达95%左右,收到良好的效果,主要有以下两种方式。
3.4.1 装煤除尘无地面站方式
(1)装煤车设置洗涤装置
装煤时从装煤车煤斗烟罩处抽吸煤孔周围烟尘,将其点火焚烧,再经洗涤器除尘脱水,经吸气机、排气筒排入大气。这几道工序都是在装煤车上完成的。洗涤污水在装煤车回煤塔取煤时,排出并装入净水,下次装煤洗涤使用。
(2)设置导烟联通管(U形管)
用联通管跨接的方法把装煤炭化室内一部分烟气吸入相邻炭化室,达到消烟除尘。联通管跨接型式有三种:
①在单集气管焦炉炉顶的每个炭化室另一端设一个小立管,装煤时安装在装煤车上的U形管下降,U型管一端与装煤炭化室小立管联通,另一端与相邻炭化室小立管联通,打开两个桥管高压氨水喷射装置抽吸,装煤烟尘从两个炭化室分流并抽送入集气管(见图2)。
②U型管固定在小立管上,管内装有阀门,把各炭化室分开。装煤时通过装煤车机械自动将阀门开启,使相邻两炭化室联通,疏导装煤烟尘。如首钢焦化厂消化吸收德国技术,自行设计安装的炭化室即采用的这种方式。
③U形管安装在装煤车中间煤斗上(或在两个煤斗上安装两个U形管),装煤时U形管下降与相邻炭化室装煤孔联通,疏导装煤烟尘。如焦耐院1995年为武钢焦化厂初步设计提供的方案(见图3)。
(3)“夏尔克可控装煤系统”是德国Schalke公司开发的一项专有技术
该系统原理是:装煤斗伸缩筒与装煤孔气密相联后,开始装煤并打开集气管,所有装煤孔同时进行快速可控装煤,炉膛内产生的烟尘形成过压,当过压大于集气管压力时,烟尘被排入集气管,装煤将要结束时,再打开高压氨水(或蒸气)喷射装置。可控装煤系统可以保证烟尘通道的畅通,而不需平煤或一次平煤。
3.4.2 装煤车预除尘与地面站净化处理组合方式
该组合方式由设有焚烧和预洗涤器的装煤车与地面净化站两部分组成。装煤车上不设吸气机和排气筒,而是将预洗涤和脱水后的烟尘,经联通阀和水平吸气干管吸至地面站最终净化。经地面站净化后,装煤烟尘去除率可达95%左右。宝钢、本钢焦化厂先后采用了这种组合方式。
综上所述,装煤车与焦炉在装煤时要形成一个严密的气密系统,炭化室内烟气通道要畅通,有足够的抽吸动力,因此对焦炉设备和装煤机械技术要求是很高的。如德国K.K公司开发的球面密封双层装煤套筒专有技术,Schalk公司采用的可控装煤专有技术等,均是保证无烟装煤的关键技术和关键设备。
四、焦炉烟尘的控制现状及技术
4.1焦炉烟尘的控制现状
上世纪70年代以来，随着一代炉龄结束，国内焦炉相继进入大修期。目前，国内焦炉通过改造大修、扩容大修，同时消化吸收国外先进技术，提高了焦炉生产的机械化与自动化程度及整体技术装备水平。国内自行设计建成投产的6m大容积焦炉已达40多座，规划和在建的7.63m超大容积焦炉已近10座。这期间，随着技术进步和环保力度的加强，相继增加了必要的环保措施，焦炉环保状况有明显改善，突出表现在对炼焦过程的烟尘控制方面的改善，但是对机械操作过程中的烟尘控制还难以满足环保要求，这是因为机械操作过程中的烟尘主要产生于开启炉门、装煤、推焦与熄焦作业等环节，而且它们会在长距离上频繁移动，因而增加了治理的难度。
按焦炉目前的排放污染物的水平，可将焦炉分为三类：第一类是装备先进，配备有完善的装煤和拦焦除尘设施，其焦炉污染物控制基本可达到国内先进水平，污染物排放约为1.5kg/t焦以下；第二类是采用国内设备装备的6m或4.3m焦炉，没有配备装煤和拦焦除尘设施，或只有拦焦除尘设施，但管理严格，生产中炉门、上升管、装煤孔盖基本不冒烟，装煤时坚持用高压氨水喷射，这类焦炉污染物排放总量在3.5～5kg/t焦之间；第三类是不仅没有配备装煤和拦焦除尘设施，而且管理不严，生产过程中炉门、上升管、装煤孔冒烟，装煤不能坚持用高压氨水喷射，这类焦炉属于污染物基本无控制的状况，其污染物排放总量远远超过3.5kg/t焦。
2004年国家发布的《焦化行业准入条件》中的“环保工艺与设施”中明确规定：新建或改造焦炉要同步配套建设粉碎、装煤、推焦、筛运焦除尘装置。严格执行环保设施“三同时”规定，并要在主体设备投产后6个月内达到设计规定标准，连续运行。因此，焦炉烟尘治理势在必行。
4.2焦炉烟尘的控制措施和治理技术
4.2.1 炼焦期间散烟的控制
炼焦期间的散烟及其控制主要在焦炉炉门、焦炉上升管和装煤孔以及相应的焦炉运行管理。
（1）炉顶烟尘的控制
炉顶烟尘来源于装煤孔盖、上升管盖、上升管与炉顶联结处，桥管与水封阀连接处等。国内已采取的主要控制措施有：
1）装煤孔盖泥封：把泥浆浇灌在孔盖周边加以密封。人工或装煤车机械浇泥，可以采用泥料SiO2>80%的耐火粉，粒径在0.074mm以下，体积密度<1.3t/m3，加水搅拌成密度为1.1～1.2t/m3的浆液，粘度>40cP，pH<8，要求悬浮性好、收缩性好，干燥后容易脱落。
2）上升管盖密封：国内自上世纪80年代以来，普遍采用水封式上升管盖，水封高度大于上升管内煤气压力，保证荒煤气不外逸。
3）上升管与炉顶联接处封堵：采用耐火材料泥浆、石棉绳和耐火粉料与精矿粉混合泥浆封堵，承插口处采用氨水水封。
目前国外对装煤孔盖除采用泥封外，对装煤孔盖、座的结构设计作了改进，将盖、座的密封沿圆周方向加工成球面，由于球面密封有“万向密合”的优点，即使盖子稍有倾斜也能与座贴合良好，保证密封。
（2）炉门烟尘的控制
炉门刀边与炉框镜面接触不严密将使炉内烟气泄漏。50年代，采用小压架顶丝压角钢或丁字钢刀边的刀封炉门结构，但炉门易产生热变形而发生漏缝。60年代，采用敲打刀边，但不能消除炉门因热变形引起的冒烟现象。80年代，采用空冷式炉门，改善了炉门铁槽与炉门框因受热而引起的变形，同时采用带弹性腹板的不锈钢刀边，用小弹簧施加弹性力来调节刀边的密封性，基本上消灭了炉门冒烟现象。国内有些企业还采用了气封炉门技术，进一步消灭了炉门冒烟。
（3）设置焦炉顶面自动吸尘清扫车
清扫装置可以设在装煤车上，也可以配置。其可以吸除炉面上的煤粉，防止其扬尘或在炉面上燃烧。
（4）设集气管放散管点火装置
点火装置用于焦炉事故或停电时，将集气管内放散出来的荒煤气点燃烧尽，以免其排入大气污染环境。
4.2.2 焦炉装煤烟尘的控制措施和治理技术
装煤车将煤通过装煤孔装入赤热的炭化室，此时由于煤中水分蒸发和挥发分的迅速产生，造成炭化室内压力突然上升，大量烟尘从炭化室逸出。目前焦化厂普遍采用顺序装煤，焦炉设置双集气管，并在上升管桥管处采用1.8～2.5MPa的高压氨水（或0.7～0.9MPa蒸汽）喷射，使炭化室形成负压 （如装煤孔处压力为-5Pa），以实现无烟装煤。但实际效果并不十分理想。由于国内大多数装煤车的装煤伸缩筒、平煤杆套以及装煤孔座气密性差，喷射吸力波动较大，加上重力装煤产生的大量烟尘，不能完全借助高压氨水喷射及时导出，仍有相当部分烟尘会从装煤孔、小炉门等处逸出进入大气，造成环境污染。
从20世纪70年代起，随着环保要求日益严格，焦炉烟尘污染的治理技术引起了发达国家的高度重视，并相继在焦炉上试用成功，取得明显成效。目前己采取多种治理技术和措施，分别控制和降低装煤过程中的烟尘排放、炉门和炉顶的冒烟、冒火。我国也先后研究开发和实施了各种装煤烟尘的控制方法，主要可分为密封式可调装煤除尘和抽吸式装煤除尘设施，抽吸式装煤又可分为车载式和地面站式。现有的具体控制措施和治理技术见下图。
4.2.3 焦炉拦焦烟尘控制措施和治理技术
推焦过程是在l分钟内将红焦推出炭化室，红焦重量达10～50t。红焦表面积大、温度高，与大气接触后收缩产生裂缝，并在大气中氧化燃烧，可引起周围空气的强烈对流，产生焦粉、二氧化碳、氧化物、硫化物等。如果焦化不均匀或焦化时间不足，会产生生焦，此时推焦过程产生的烟气呈黑色，烟气中含有较多的焦油物质。粉尘发生量约0.4～3.7kg/t焦。
从70年代起，世界各国焦炉焦侧除尘装置就不断问世，种类繁多，但基本可归纳为四种，即焦侧集烟大棚、移动集尘车、热浮力罩除尘装置和地面站集尘系统。
与焦炉装煤烟尘治理相比，拦焦烟尘治理技术问世较早，成熟也早。由于环保工艺与设施要求焦炉拦焦和装煤烟尘需同步治理，因此随着技术进步和对焦炉治理经验的积累，拦焦除尘技术也不断发展。目前拦焦除尘大致可以分为车载式和地面除尘站以及与装煤除尘合一等形式，具体拦焦烟尘控制措施和治理技术也参见上图。
*—引自燃料与化工,1997(2)
五、结 语
过去的15年中,由于环保法规的严格等原因,西方一些工业化国家老焦炉的关闭超过了新焦炉的建设,炼焦生产能力下降。与此相反,中国 炼焦生产能力在逐年扩大,满足了钢铁生产的需要(1996年钢铁产量突破1亿t)。同时环保问题也日趋严重,不得不加以高度重视。历史经验告戒人们,走先生产后治理的路,虽然一时行得通,但今后将付出高昂的代价。近10年来国内一些焦化厂率先走在了焦炉环保治理的前面,在引进国外技术,消化吸收“洋为中用”、“土洋结合”上探索出一条成功的道路,为普及推广提供了宝贵的实践经验。环境保护是我国的一项基本国策,可以预见,未来的炼焦生产将要受到越来越严格的环保法规,因此,企业必须加大环保资金投入,在新建、改扩建工程中,做到环保措施“三同时”,这是摆在每个焦化企业面前严肃而艰巨的任务。
参考文献：
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