常治鐵

[鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司鞍鋼（上海）環(huán)境工程技術(shù)有限公司，上海 201210]

近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)產(chǎn)能的不斷增長(zhǎng)，能源消耗造成的各類(lèi)環(huán)境問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)，尤其是SO2和粉塵的排放給空氣質(zhì)量造成了嚴(yán)重的影響[1]。鋼鐵工業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中扮演著重要角色，同時(shí)也是排污大戶(hù)[2]。根據(jù)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2015 年鋼鐵企業(yè)的SO2排放量為173.6 萬(wàn)t，占全國(guó)工業(yè)SO2排放總量的12.4%；粉塵排放量為357.2 萬(wàn)t，占全國(guó)工業(yè)粉塵排放總量的32.2%。

在鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，燒結(jié)工藝是造成污染較為嚴(yán)重的環(huán)節(jié)之一[3,4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中50%的粉塵排放來(lái)自燒結(jié)工序，同時(shí)，燒結(jié)工序排放的SO2約占鋼鐵生產(chǎn)總排放量的60%以上。燒結(jié)煙氣的主要特點(diǎn)為SO2排放總量大、SO2排放濃度低且波動(dòng)范圍寬等[5,6]。因此，燒結(jié)煙氣脫硫是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)SO2減排指標(biāo)的關(guān)鍵，也是鋼鐵企業(yè)廢氣污染防治的重中之重。2017 年原環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了《鋼鐵燒結(jié)球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 28662—2012），進(jìn)一步嚴(yán)格了燒結(jié)煙氣的排放標(biāo)準(zhǔn)。

目前，國(guó)內(nèi)外常用的煙氣脫硫技術(shù)有很多種，按照脫硫方式及產(chǎn)物形態(tài)的不同主要可分為濕法、半干法、干法三大類(lèi)。對(duì)比分析得出的多種煙氣脫硫技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)如表1 所示。

某鋼廠(chǎng)的180m2燒結(jié)機(jī)，煙氣排放量為78×104m3/h。該燒結(jié)機(jī)在燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量SO2、粉塵等有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境造成污染。為了滿(mǎn)足最新環(huán)保要求，采用旋轉(zhuǎn)噴霧法（SDA）工藝結(jié)合布袋除塵技術(shù)對(duì)該鋼廠(chǎng)的180m2燒結(jié)機(jī)進(jìn)行脫硫除塵改造。

表1 幾種典型煙氣脫硫工藝的比較

1 工藝原理及流程

1.1 工藝原理及優(yōu)點(diǎn)

SDA 脫硫是丹麥Niro 公司在20 世紀(jì)70 年代開(kāi)發(fā)的一種噴霧干燥吸收工藝。該工藝采用生石灰消化制成的熟石灰漿液作為脫硫劑。運(yùn)行過(guò)程中，脫硫劑漿液在霧化器的作用下會(huì)形成大量霧滴，極大提高了比表面積，因此，只需噴淋較少的脫硫劑即可實(shí)現(xiàn)較好的脫硫效果[12]。呈堿性的脫硫劑霧滴與煙氣充分接觸，發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，能夠吸收煙氣中的SO2等酸性物質(zhì)以達(dá)到煙氣凈化的目的[13]。

SDA 工藝采用與濕法相同的機(jī)理，具有較高的脫硫效率，根據(jù)原始SO2濃度情況及排放指標(biāo)要求，其脫硫效率可在90%～97%的范圍內(nèi)迅速調(diào)節(jié)。同時(shí)，SDA 對(duì)SO3、HCl、HF 等酸性物有接近100%的脫除率。

在脫硫塔中完成的主要化學(xué)反應(yīng)見(jiàn)式①、式②、式③:

與其他酸性物質(zhì)（如HCl、HF 等）的反應(yīng)見(jiàn)式④、式⑤:

SDA 工藝不需要大量固體循環(huán)灰在脫硫塔內(nèi)循環(huán)，也不需要脫硫后煙氣回流來(lái)保證塔內(nèi)固體脫硫灰處于流化狀態(tài)（不存在塌床、死床或偏床），因此SDA工藝中脫硫塔的運(yùn)行阻力低，一般不超過(guò)1000Pa。同時(shí)，由于SDA 工藝采用Ca(OH)2漿液作為脫硫劑，而不是CaO 粉末，所以不存在CaO 吸水放熱導(dǎo)致設(shè)備堵塞的問(wèn)題[14]。當(dāng)入口煙氣條件發(fā)生變化時(shí)，SDA 工藝可以快速調(diào)節(jié)脫硫劑的用量來(lái)適應(yīng)工況的變化，這種調(diào)節(jié)不會(huì)影響脫硫劑的霧化效果（保證了脫硫劑的利用率），也不會(huì)增加后續(xù)除塵器的負(fù)荷，避免了整套系統(tǒng)的處理效率受到影響。

煙氣脫硫可能會(huì)造成的二次污染以及脫硫副產(chǎn)物的利用一直是研究的重點(diǎn)。SDA 工藝的耗水量低，并且可以利用低質(zhì)量的水（如堿性廢水）作為脫硫用水，達(dá)到以廢治廢的目的。同時(shí)，整套工藝在脫硫過(guò)程中不產(chǎn)生廢水，不會(huì)造成二次污染。由于SDA 工藝對(duì)脫硫劑的品質(zhì)要求較低，脫硫除塵后收集的粉塵因含有未完全反應(yīng)的Ca(OH)2，可以作為脫硫劑回用，滿(mǎn)足循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求。另外，SDA 工藝的副產(chǎn)物為干態(tài)脫硫灰，可用于生產(chǎn)添加料、生產(chǎn)免燒磚等，實(shí)現(xiàn)廢物再利用。

目前SDA 法脫硫是世界上較為成熟的半干法煙氣脫硫技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于電力、冶金、化工、垃圾焚燒、乳制品等行業(yè)并取得了較好的效果，具有很高的市場(chǎng)占有率[15]。

1.2 工藝流程

將生石灰定量加入消化罐內(nèi)并加水配制成反應(yīng)所需的脫硫劑（熟石灰）漿液，漿液經(jīng)振動(dòng)篩篩分后自流入漿液罐。根據(jù)原煙氣SO2濃度將脫硫劑漿液由漿液泵定量送入吸收塔頂部的漿液頂罐中。漿液再由漿液罐自流進(jìn)入吸收塔頂部的霧化器內(nèi)，經(jīng)霧化器作用后形成30～80μm 的霧滴。

燒結(jié)機(jī)煙氣經(jīng)機(jī)頭處的多管除塵器凈化后，由主抽風(fēng)機(jī)出口煙道引出，經(jīng)原煙氣旁路閥門(mén)和入口閥門(mén)切換后，送入SDA 吸收塔。被霧化的脫硫劑漿液與吸收塔內(nèi)的煙氣充分接觸，迅速發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，吸收煙氣中的SO2等酸性物質(zhì)。吸收SO2等酸性物質(zhì)并干燥的含粉料煙氣進(jìn)入布袋除塵器進(jìn)行氣固分離，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煙塵凈化處理。除塵器所收集的粉塵因含有未完全反應(yīng)的Ca(OH)2，可以采用斗式提升機(jī)輸送至循環(huán)灰系統(tǒng)回用。凈煙氣由增壓風(fēng)機(jī)抽引經(jīng)新建煙囪排入大氣，整套工藝的流程如圖1 所示。

另外，在實(shí)際工程應(yīng)用中，脫硫塔頂部及塔內(nèi)中央設(shè)有煙氣分配裝置，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中可以確保塔內(nèi)煙氣具有合理、均勻的氣流分布。這樣可以使煙氣和霧化的脫硫劑充分混合，有助于質(zhì)量和熱量傳遞，使干燥和反應(yīng)條件達(dá)到最佳。同時(shí)，該裝置使煙氣與霧滴處于相對(duì)合理的接觸時(shí)間，可以得到較高的SO2去除率，并且能夠使脫硫劑霧滴得到充分干燥。

2 項(xiàng)目概況及運(yùn)行效果

2.1 技術(shù)參數(shù)

某鋼廠(chǎng)180m2燒結(jié)機(jī)的年產(chǎn)量為120 萬(wàn)t，該燒結(jié)機(jī)煙氣的主要工藝條件及參數(shù)如表2 所示。燒結(jié)煙氣經(jīng)過(guò)凈化處理后要求煙囪出口排放濃度達(dá)到SO2≤100mg/Nm3、粉塵濃度≤30mg/Nm3、脫硫效率不低于95%。

2.2 系統(tǒng)設(shè)備組成

該套SDA 燒結(jié)煙氣脫硫除塵系統(tǒng)主要由脫硫塔、石灰制漿系統(tǒng)、排空系統(tǒng)、布袋除塵器、增壓風(fēng)機(jī)等組成，主要系統(tǒng)的設(shè)備組成如表3 所示。

脫硫塔高約40m、碳鋼材質(zhì)、鋼板厚度≥12mm（局部≥14mm），吸收段規(guī)格為Φ14m×15m。脫硫塔的塔體外部設(shè)有100mm 厚的巖棉保溫材料。制漿設(shè)備主要由生石灰粉倉(cāng)、消化罐、振動(dòng)篩等組成，其中生石灰粉倉(cāng)容積為60m3、消化罐容積為8m3，振動(dòng)篩（篩網(wǎng)16 目）設(shè)有兩臺(tái)，處理能力為10t/h。所用生石灰純度≥80%、活性t60≤4min、生石灰粒度＜3mm、比例≥90%。

系統(tǒng)中的布袋除塵器是對(duì)煙氣進(jìn)行除塵處理的重要設(shè)備，長(zhǎng)袋低壓脈沖除塵器的過(guò)濾面積為14 500m2、過(guò)濾風(fēng)速為0.9m/min。所用濾袋材質(zhì)采用滿(mǎn)足SDA 脫硫工藝工況要求的專(zhuān)用濾料（耐酸堿、抗氧化、拒水）。脫硫布袋除塵箱體內(nèi)部全部采取防腐措施。

圖1 工藝流程

表2 燒結(jié)煙氣條件

表3 系統(tǒng)主要設(shè)備

3 燒結(jié)煙氣脫硫分析

3.1 單因素影響分析

在燒結(jié)煙氣脫硫的過(guò)程中，煙氣溫度和脫硫劑用量是影響煙氣脫硫效果的主要因素。特別是煙氣溫度，為保證實(shí)現(xiàn)較好的脫硫效果，一般需要對(duì)原煙氣進(jìn)行升溫處理。因此，在系統(tǒng)的調(diào)試階段進(jìn)行了單因素影響分析，分別對(duì)不同煙氣溫度和脫硫劑用量對(duì)脫硫效果的影響進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試階段脫硫系統(tǒng)入口煙氣的SO2濃度均值為420mg/Nm3，升溫前的平均煙氣溫度為130℃。

3.1.1 溫度影響

圖2 單因素影響

測(cè)試煙氣溫度對(duì)脫硫效率的影響時(shí)，控制脫硫劑的使用量為4t/h，并將燒結(jié)煙氣進(jìn)行升溫處理，溫度對(duì)SO2去除率的影響如圖2a 所示。當(dāng)煙氣溫度為140℃～180℃時(shí)，煙氣平均脫硫率分別為90.17%、95.02%、96.35%。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，系統(tǒng)的脫硫率明顯上升，這是因?yàn)楦邷乜梢允姑摿騽┍粺峒せ睿沟妹摿騽┑谋缺砻娣e迅速增大，可以更高效地吸收煙氣中的SO2等酸性物質(zhì)，提高脫硫效率。

3.1.2 脫硫劑用量影響

測(cè)試脫硫劑用量對(duì)脫硫效率的影響時(shí)，將煙氣進(jìn)行升溫處理至160℃，脫硫劑用量對(duì)SO2去除率的影響如圖2b 所示。當(dāng)脫硫劑用量分別為3t/h、4t/h、5t/h 時(shí)，煙氣平均脫硫率分別為90.33%、95.02%、96.69%。說(shuō)明脫硫劑的用量越大，對(duì)煙氣中酸性物質(zhì)的吸收越徹底，脫硫效率越高。

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，煙氣溫度和脫硫劑用量的變化能夠直接影響煙氣中SO2的去除率，因此，可以通過(guò)響應(yīng)曲面法建立連續(xù)變量曲面模型，進(jìn)一步評(píng)價(jià)煙氣溫度和脫硫劑用量對(duì)SO2去除率的交互影響。

3.2 響應(yīng)曲面分析

在上述單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文以溫度（A）和脫硫劑用量（B）作為響應(yīng)因素，應(yīng)用Design Expert 軟件，以SO2脫除率（u）為檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行響應(yīng)曲面優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)變量的響應(yīng)進(jìn)行表征，對(duì)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到二次回歸方程：u=95.07+3.42A+3.02B+0.19AB-1.93A2-1.68B2。

該回歸模型的方差分析結(jié)果如表4 所示，由方差分析結(jié)果可知所得模型P＜0.0001，模型顯著（P＜0.05 即可視為模型顯著），表明A和B對(duì)u均有顯著影響，說(shuō)明溫度和脫硫劑的使用量是影響煙氣脫硫效果的主要因素。模型決定系數(shù)R2=0.9968，校正后的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2adj=0.9945，模型的信噪比為71.183。由此可見(jiàn)，該回歸模型對(duì)脫硫過(guò)程的擬合情況較好，可信度和精確度高，能很好地模擬兩個(gè)自變量（A、B）對(duì)響應(yīng)值（u）的影響，可應(yīng)用于u的分析和預(yù)測(cè)。

表4 回歸模型的方差分析

本文應(yīng)用Design Expert 軟件得到的溫度（A）和脫硫劑用量（B）交互影響SO2脫除率（u）的響應(yīng)曲面和等高線(xiàn)如圖3 所示。可通過(guò)考察等高線(xiàn)的趨勢(shì)和響應(yīng)曲面的性狀來(lái)分析反應(yīng)溫度和脫硫劑用量對(duì)SO2去除率和脫硫成本的交互影響。由圖3a 可以看出，等高線(xiàn)的分布呈典型的橢圓形；由圖3b 可以看出，響應(yīng)曲面呈典型的馬鞍面，這表明A和B對(duì)u影響的交互作用顯著。如圖3 所示，當(dāng)溫度低于164℃、脫硫劑用量小于4t/h 時(shí)，等高線(xiàn)更密集，擬合曲面的坡度更大，這說(shuō)明在此范圍內(nèi)兩個(gè)因素對(duì)SO2去除率的影響更大。

圖3 反應(yīng)溫度和脫硫劑用量對(duì)脫硫效率的交互影響

3.3 能效分析

通過(guò)單因素影響分析和響應(yīng)曲面分析可以發(fā)現(xiàn)，提高脫硫反應(yīng)溫度或者增加脫硫劑用量都有助于更徹底地去除煙氣中的SO2等酸性物質(zhì)。但是，在煙氣脫硫過(guò)程中脫硫劑的使用量以及煙氣升溫過(guò)程中燃?xì)獾南牧渴菦Q定脫硫成本的主要因素。為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的要求，在保證排放煙氣達(dá)標(biāo)的前提下要最大限度節(jié)約成本。因此，有必要對(duì)脫硫系統(tǒng)進(jìn)行效能分析。

SDA 脫硫系統(tǒng)所用脫硫劑的成本約為450 元/t，加熱煙氣所用的高爐煤氣成本約為0.058 元/m3。結(jié)合單因素影響分析和響應(yīng)曲面分析得到脫硫成本（v）回歸方程為：v=2148+232A+450B。由于該燒結(jié)機(jī)煙氣脫硫除塵改造工程要求脫硫效率不低于95%，所以結(jié)合脫硫效率和脫硫成本進(jìn)行綜合分析得到最優(yōu)工藝條件：脫硫反應(yīng)溫度為166.7℃。脫硫劑用量為3.72t/h時(shí)，脫硫效率為95.01%，脫硫成本為2099 元/h。此時(shí)既能夠滿(mǎn)足工程要求又可以最大限度降低脫硫成本、節(jié)約資源。

3.4 連續(xù)運(yùn)行情況

某鋼廠(chǎng)的180m2燒結(jié)機(jī)自采用SDA 工藝以來(lái)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，燒結(jié)煙氣的脫硫除塵效果較好。設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行效果如圖4 所示。

圖4 實(shí)際運(yùn)行圖

該套工藝系統(tǒng)對(duì)燒結(jié)煙氣的脫硫處理效果如圖4a 所示，在連續(xù)兩個(gè)月的運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)入口處的SO2濃度平均值為418.02mg/Nm3，出口處SO2濃度可以保證低于30mg/Nm3。兩個(gè)月連續(xù)運(yùn)行的SO2平均去除率為95.19%，最高可達(dá)97.11%。圖4b 為燒結(jié)煙氣中粉塵的處理效果，平均入口濃度為48.97mg/Nm3，平均去除率為93.87%，出口粉塵濃度小于4mg/Nm3，遠(yuǎn)低于要求排放濃度。通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)可以表明該180m2燒結(jié)機(jī)經(jīng)過(guò)脫硫除塵改造后，所排放的燒結(jié)煙氣中SO2和粉塵的濃度下降明顯，該套脫硫除塵系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，在結(jié)合經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)可以滿(mǎn)足該鋼廠(chǎng)所在地區(qū)的排放標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)圖4 可以看出，在連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，燒結(jié)煙氣中的粉塵濃度有較大波動(dòng)，但是排出氣體中的粉塵濃度較為穩(wěn)定且遠(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，煙氣中的SO2濃度也出現(xiàn)小范圍的波動(dòng)，但是排出氣體中的SO2濃度相對(duì)穩(wěn)定且符合相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。這說(shuō)明該套脫硫除塵工藝的處理效果好、穩(wěn)定性高，同時(shí)也具有一定的抗沖擊能力。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）結(jié)合脫硫效率和脫硫成本進(jìn)行綜合分析得到最優(yōu)工藝條件：脫硫反應(yīng)溫度為166.7℃、脫硫劑用量為3.72t/h 時(shí)，脫硫效率為95.01%，脫硫成本為2099 元/h。

（2）改造后的結(jié)果表明，運(yùn)行過(guò)程中SO2和粉塵的平均去除率分別為95.19%和93.87%，出口煙氣中污染物的濃度分別低于30mg/Nm3和4mg/Nm3。

（3）改造工程得到了企業(yè)和當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境部門(mén)的肯定，為燒結(jié)機(jī)的脫硫除塵改造提供了可以借鑒的方案和經(jīng)驗(yàn)。