煤焦化过程VOCs 的排放特征分析

邢建峰

（山西省忻州生态环境监测中心，山西 忻州 034000）

0 引言

焦炭是工业领域的重要原材料，而在焦炭的生产过程中，煤焦化过程是不可或缺的一部分。由于煤炭材料自身理化性质的复杂性，加之煤焦化过程通常涉及到干燥、高温裂解干馏和固化等一系列复杂步骤，因此在煤焦化过程中，将不可避免地产生一定量的挥发性有机物（以下简称VOCs），这些物质如不及时处理则容易造成严重的环境污染问题[1]。为实现对VOCs的有效处理，其首要任务则是对煤焦化过程中VOCs的排放特征进行研究，以此确定更具针对性的VOCs处理策略。

1 实验方法

本次研究主要针对某地四家典型的煤化工企业进行研究，以上四家煤化工企业均以炼焦业务为主营业务，为方便研究，对其分别简称为TG、PF、SJ 和JD，并针对其不同生产工段进行采样、检测与数据分析[2]。

结合以上企业炼焦的主要工艺流程，本次通过对炼焦区域、化产回收区域和污水处理区域分别进行废气采集，以获得实验所需的VOCs 样品。各个采样点及污水处理废气排放口距离地面在15～40 m 不等，化产回收区域废气采样点与地面的距离则控制在2 m左右。针对单个采样点，分别采用气袋和吸附管两种方式进行采集，以分别完成浓度分析和组成特征分析。其中，气袋采样方法使用型号为2030-7 的真空箱气袋采样器，将采集到的废气保存到表面铝箔覆盖的3 L 采样袋中，采样泵流量2 L/min，进行1 min 的采集。吸附管采样则主要使用气泵与取样管等装置组成采样系统，将采样点废气中的VOCs 收集于Tenax 吸附管的吸附剂当中，该采样管采样流量为0.5 L/min，进行60 min 的采集，样品保存方法与气袋采样方法相一致。

在采集到样品后，首先对样品进行稀释，以确保其达到仪器检测范围内的要求。本次搭建的稀释装置管路连接，如图1 所示。

图1 稀释装置管路连接图

基于该管路，首先在源样采样袋中抽取50 mL 气体，而后在收集气袋中注入1 000 mL 氮气。由此，按照设定的稀释倍数，逐步将抽取得到的气体注入装有氮气的收集袋中，并继续在采样袋内注入氮气，至采样袋内气体总体积超过2 000 mL 后完成稀释。

样品稀释完成后，依次使用预浓缩装置、气相色谱仪质量选择检测器和火焰离子化检测器进行组分浓度分析。在分析过程中，先抽取取样袋中一定量的稀释后气体，使用预浓缩装置对其进行三次预浓缩处理后进样进入检测器检测，并在计算机上读取和储存检测结果数据[3]。

2 煤焦化过程VOCs 的排放特征

在得到检测数据后，对数据统计分析，并分别从以下几个方面着手，对煤焦化过程中VOCs 的排放特征进行分析。

一是针对炼焦区域的VOCs 排放特征分析。根据图谱检测后获知，在炼焦区域中，VOCs 组分相对较为复杂，其中占比居前十位的化合物分别为乙烯、苯、乙烷、正丁烷、甲苯、乙炔、正己烷、异丁烷、1-丁烯和丙烯，在此基础上，对四个炼焦厂的VOCs 浓度水平与组成特征做进一步分析，分析结果如图2 所示。

图2 各炼焦厂焦炉烟气VOCs 浓度水平与组成特征分析

根据图2 中的数据可见，各个炼焦厂在焦炉烟气VOCs 的浓度水平和组成比例上存在着一定的差异。其中TG 和SJ 的焦炉烟气VOCs 中芳香烃占比相对更高，在JD 企业中烷烃的浓度水平则明显偏高且与其他成分差距悬殊，而在PF 企业中，则以烯烃含量为最高。根据相关理论可知，焦炉烟气VOCs 与燃料的不完全燃烧有关，在高温环境下，一些小分子烃类物质将发生复杂化学反应而转变为芳香烃，由此可推断出，炼焦过程中VOCs 的组成与各个企业炼焦工艺参数和环境参数的差异有着直接的关联。在此基础上，进一步分析出焦烟气中的VOCs 浓度水平，结果显示，TG、PF、SJ 和JD 四家企业的指标分别为7.7%、16.0%、14.8%和8.5%，相对而言，TG 企业的排放量较低，就此对其煤质进行研究后发现，该企业的配煤中焦煤占比较高，煤质较优，因此排放的VOCs 也处于较低水平。

二是对化产区域的VOCs 排放特征进行分析，为方便进行分析，本次仅对TG 企业的实际情况进行分析，结果显示，化产区域废气中以烯烃组分比例最高，为58.25%，其次是芳香烃和烷烃，分别为19.78%和14.10%，炔烃占比最低，仅为7.87%。在此基础上，对该企业化产区域不同工段的废气VOCs 浓度与组成特征分析，分析结果如图3 所示。

图3 炼焦厂TG 化产区域VOCs 浓度与组成特征

根据图3 可见，化产区域的不同工段VOCs 浓度与组成特征存在一定差异，在冷鼓工段和脱硫工段中，芳香烃（主要为苯）是主要的特征污染物，占比相对较高，而在粗苯工段中，烯烃（主要为乙烯）的浓度则相对更高[4]。

三是对污水处理区域的VOCs 排放特征进行研究。对该区域的VOCs 浓度整体分析后发现，四家焦化厂的VOCs 质量浓度不同，以SJ 为最高，达到137.25 mg/m3，其次是TG 和PF，分别为18.84 mg/m3和10.86 mg/m3，JD 最低，为6.01 mg/m3。根据实际调查后得知，SJ 的VOCs 浓度偏高的主要原因是缺乏VOCs 处理装置。在此基础上，对各个焦化厂的污水处理区域VOCs 组分具体分析，分析结果如图4 所示。

图4 各焦化厂污水处理区域VOCs 组分图

根据图4 可知，TG、PF 和SJ 三个焦化厂在污水处理区域的废气组成比例基本保持一致，均为芳香烃占比最高，而JD 则与之存在显著差异，以烷烃为占比最高。根据实地调研可知，JD 炼焦各工段中的烷烃浓度均较高，据此推断，JD 炼焦厂烷烃释放较多的主要原因是炼焦工艺、炼焦煤种和煤质参数的影响。

3 相关建议

根据分析的煤焦化过程VOCs 的排放特征分析结果可知，煤焦化过程中产生的VOCs 组分相对较为复杂，且具体的成分及比例也通常受到各种因素的影响而出现显著差异，给后续的VOCs 治理带来较高难度[5]。针对这一问题，在今后的工作中应当采取如下措施：首先，应当加强对煤炭材料的质量检测，优先选择焦煤占比较高的材料进行焦化生产作业；其次，应当加强对焦化过程中的环境参数控制，避免环境参数出现较为明显的波动；再次，应当进一步研究VOCs处理技术，以期降低煤焦化过程产生的环境污染问题。

4 结语

整体来看，在本次研究中，结合某地焦化厂的煤焦化过程现状，选取四家较为典型的焦化厂，分别对其在炼焦区域、化产区域和污水处理区域的VOCs 组分与比例进行初步分析，并对各组数据之间的差异原因进行了初步探究，由此初步确定了煤焦化过程中VOCs 的排放特征。在此基础上，根据排放特征为后续的VOCs 处理工作提供了一定的建议参考，以期不断提升VOCs 的治理效果。