焦炉装煤烟尘成分的监测与计算
赵光明 李 斌 晋日亚（中北大学化工与环境学院，太原030051)
因焦炉装煤烟尘中的污染物占炼焦过程中全部污染物的50%～60%。所以，治理焦炉装煤烟尘是非常重要的环节。但对于焦炉装煤烟尘量的计算更为重要，不仅关系到治理效果，还关系到设备能力和设备选型，并直接影响工程费用、基建投资及投产后的操作费用。
监测焦炉装煤烟尘主要成分的浓度，并计算分析其排放量也非常重要，特别是有毒有害的多环芳烃，直接关系到焦炉操作工人的身心健康。但国内外文献尚未对焦炉装煤烟尘中的颗粒物、CO、 SO2 、H2S、水气、多环芳烃等浓度的全面监测与排放量计算的研究。本课题对装煤烟尘主要污染物进行了监测与计算，可为焦炉装煤烟尘的治理工程提供理论依据。
1 焦炉装煤烟尘量的计算
1.1 焦炉装煤烟尘的来源
焦炉装煤时，炭化室内产生大量烟尘，致使炭化室内压力在短时间内突然上升，部分烟尘不能及时从上升管导出，而从装煤孔喷出。装煤烟尘的主要来源为：
(1) 装煤时炭化室中被填充煤置换出的空气；
(2) 入炉煤与高温炉墙接触时，煤中的挥发物产生裂解而生成的荒煤气；
(3) 煤中水分在炉内高温下蒸发生成的水蒸汽；
(4) 平煤过程中从小炉内门进入炉内的空气；
(5) 烟尘从装煤孔逸出时夹带的细煤粉。
1.2 焦炉装煤烟尘量的计算
不同的焦炉设备，其烟气量的计算方法不同。现以最普通的6m焦炉为例，初步计算每孔炭化室的装煤烟尘量。6m焦炉每孔炭化室的装煤量为29吨, 每吨煤在炼焦过程中的煤气发生量为320～340m3。根据经验与实测，装煤烟尘的产生速率约为结焦过程中烟气产生速率的7倍。结焦时间按18h计算，则装煤烟尘的产气速率V1可按下式计算。
V1 ＝ 7GV0／T ＝ (7×29×330)/18 ＝ 3722 m3/h （1）
取整值为3700 m3/h
式中：
G － 每孔炭化室的装煤量，取29吨
V0 －炼焦过程中每吨煤的煤气发生量，取设计的平均值330m3
T －结焦时间，取18h
焦炉每孔炭化室的装煤、平煤时间共计为3min左右，则在装煤、平煤过程中，焦炉产生的烟尘量V2为：
V2 ＝ (3700×3)/60 ＝185 m3 （2）
目前，我国通用的焦炉设计中，都采用了高压氨水喷射消烟装炉技术，装煤时在上升管根部形成一定吸力，炭化室内的烟尘约有60％由上升管吸入集气管，其余的40％从装煤孔逸出。因此，无组织排放时，从装煤孔逸出的烟尘量V3为：
V3 ＝ 40%×V2 ＝ 40%×185＝74m3 (3)
2 焦炉装煤烟尘成分的监测
2.1 主要成分的分析
从装煤过程和炭化室内的反应机理分析，装煤烟尘的主要成分为：O2、N2、颗粒物、水蒸汽、CO、 CO2、SO2、H2S、CH4 ,还有一定量的气态有机物及被颗粒物吸附的有机物等。
2.2 主要成分的监测
对焦炉装煤烟尘中主要成分的监测，主要根据相关的国家标准监测方法和现有监测方法的研究成果。根据不同的污染物，择优制定了监测方案并选择了精密的监测仪器。监测仪器有粉尘浓度在线监测仪、km900烟气分析仪、色谱-质谱联机监测仪、氧气检测仪、氮气检测仪、一氧化碳检测仪等。
鉴于现场条件，采样时制作了采样器专用支架，安装在装煤孔上方500mm处。在支架位置处布设采样点，每次可采3组样，分别采取3种不同成分的样品，分7次完成一孔炭化室烟尘全量成分的监测。先后一共做了5次全量成分的监测，取5次监测结果的平均值作为此次研究的取值。装煤烟尘的主要成分见表1，装煤烟尘的主要污染物质量浓度见2。
表1 装煤烟尘的主要成分（％）
O2 N2 水蒸汽 CO2 CO H2S CH4 SO2 NOx 有机物 其他
7.6 64.5 16.2 1.9 1.8 4.2 0.8 0.05 0.02 0.05 2.88
表2 装煤烟尘的主要污染物质量浓度（mg/m3）
TSP SO2 NOx CO CH4 H2S 有机物 苯并〔a〕芘 BSO
2235 1562 317 22450 5714 63750 11160 0.0058 2.31
注：TSP为固体悬浮物；有机物、苯并〔a〕芘、BSO（苯可溶物）均为气态。
3 焦炉装煤烟尘主要污染物的计算及分析
3.1 主要污染物的计算
根据计算所得的焦炉装煤烟尘量和监测的主要污染物浓度，可计算出装煤烟尘主要污染物的排放量。
TSP ＝ (2235×74)/1000 ＝165. 4g
CO ＝(22450×74)/1000＝1661. 3g
SO2 = (1562×74)/1000＝115. 6g
H2S ＝ (63750×74)/ 1000 =4717. 5g
NOx ＝(317×74)/1000 = 23. 5g
CH4 = (5714×74)/1000 = 422. 8g
有机物 =(11160×74)/1000 = 825. 8g
苯并[a]芘 =( 0. 0058×74)/1000 = 0. 429×10-3g
BSO ＝ (2. 31×74)/1000 = 0. 171 g
总硫量 =SO2+H2S = 115. 5十4717. 5＝4833. 1g
3.2 计算结果分析
(1) 装煤烟尘的无组织排放量高达74m3 ,不容忽视，必须采取相应的治理措施。
(2) 颗粒物的量，无论是浓度还是总量都严重超标，是需要重点治理的污染物之一。
(3) 有机物的量也不容忽视, 一般认为，装煤烟尘中大部分有机污染物吸附在固体颗粒物上，以气态呈现的量很少。但通过实际监测，事实并非如此，以气态呈现的有机物量也相当可观。特别是以气态存在的毒性较大的苯并〔a〕芘和苯可溶物均已严重超过环境质量标准。
(4) 还有一定量的SO2，但是硫化氢的量要远大于SO2。所以在治理焦炉装煤烟尘时，不仅要设计烟气的脱硫工艺（目前的治理工艺中多数无脱硫工序），而且脱硫的重点应是硫化氢，而不能用脱除普通燃煤锅炉烟气中SO2的工艺来处理焦炉装煤烟尘。
(5) 根据CO和CH4的量，可以计算出焦炉装煤烟尘的热值，为燃烧除去其中有机物的工艺设计提供计算依据。
4 结论
本课题以6m焦炉为例，成功计算出了焦炉装煤烟尘的无组织排放量，并在监测其主要成分浓度的基础上，计算出了各主要污染物的量，从而得出大量污染物的排放量不容忽视的结论。求得的污染物排放量可作为治理工程设计时物料衡算的参考数据。
参考资料：赵光明 李 斌 晋日亚（中北大学化工与环境学院，太原030051)