楊凡

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

前言

大氣中SO2、NOx和顆粒物等嚴(yán)重污染了人們賴以生存的環(huán)境，危害人類身心健康，并影響到生產(chǎn)和生活的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)《中華人民共和國大氣污染防治法》（2018 版）要求，鋼鐵、建材、有色金屬、石油、化工等企業(yè)生產(chǎn)過程中排放粉塵、硫化物和氮氧化物的，應(yīng)當(dāng)采用清潔生產(chǎn)工藝，配套建設(shè)除塵、脫硫、脫硝等裝置，或者采取技術(shù)改造等其他控制大氣污染物排放的措施。某鋼廠兩套熱風(fēng)爐煙氣均沒有煙氣脫硫設(shè)施，目前煙氣中NOx濃度低于超低排放要求，SO2濃度無法達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。為了保證企業(yè)的正常生產(chǎn)，樹立良好的企業(yè)形象，高爐熱風(fēng)爐須增設(shè)煙氣脫硫系統(tǒng)。針對該項目，擬通過采取固定床脫硫技術(shù)，使熱風(fēng)爐煙氣治理后達(dá)到《關(guān)于推進(jìn)實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》中的限值要求（SO2＜50 mg/m3）。

1 熱風(fēng)爐及其煙氣概況

1.1 熱風(fēng)爐概況

1#高爐配備3座頂燃式熱風(fēng)爐并預(yù)留第四座熱風(fēng)爐位置，熱風(fēng)爐燃料采用高爐煤氣（預(yù)留轉(zhuǎn)爐煤氣接口），采用2 燃燒1 送風(fēng)模式，高爐正常運行情況下，兩座熱風(fēng)爐同時進(jìn)行燃燒，同時燃燒時的煙氣量為400 000 m3/h；根據(jù)高爐工作機制，熱風(fēng)爐也存在1 燒1 送或全部停燒的情況。高爐休風(fēng)前熱風(fēng)爐兩座燃燒爐根據(jù)管網(wǎng)煤氣壓力逐步停止燃燒直至全部停燒，在此過程熱風(fēng)爐廢氣風(fēng)量逐漸降低；高爐重新工作前，3 座熱風(fēng)爐提前約4 h 依次燃燒預(yù)熱，完畢后執(zhí)行正常2燒1送機制。

2#高爐配置4座外燃式熱風(fēng)爐。采用定風(fēng)量交錯并聯(lián)的送風(fēng)制度，正常情況下采用2 燒2 送制度，少數(shù)熱風(fēng)爐檢修工況采用2 燒1 送制度。高爐休風(fēng)前熱風(fēng)爐兩座燃燒爐根據(jù)管網(wǎng)煤氣壓力逐步停止燃燒直至全部停燒，在此過程熱風(fēng)爐廢氣風(fēng)量逐漸降低；高爐重新工作前，4 座熱風(fēng)爐提前約4 h 依次燃燒預(yù)熱，完畢后執(zhí)行正常2燒2送機制。

1.2 熱風(fēng)爐煙氣概況

正常運行中熱風(fēng)爐煙氣經(jīng)空氣預(yù)熱器、煤氣預(yù)熱器后溫度約150 ℃以上，其中一部分煙氣送至噴煤系統(tǒng)其余至煙囪排放，期間煙氣未經(jīng)凈化處理，存在污染物超標(biāo)風(fēng)險。熱風(fēng)爐煙氣依靠熱風(fēng)爐煙囪提供的吸力克服管路阻力，未設(shè)置風(fēng)機。在空氣、煤氣預(yù)熱器旁，設(shè)置了旁路煙管，預(yù)熱器檢修或故障時，煙氣可直接通過旁路煙道至煙囪排放，檢修時排放的煙氣溫度最高可達(dá)350 ℃。熱風(fēng)爐煙氣具體參數(shù)詳見表1。

表1 熱風(fēng)爐煙氣技術(shù)參數(shù)

2 工藝方案比選

2.1 脫硫工藝比選原則

該工程結(jié)合高爐熱風(fēng)爐實際運行情況和現(xiàn)場場地條件等因素，按照以下原則選擇脫硫工藝。

（1）SO2排放濃度和排放量必須滿足國家超低排放要求；

（2）脫硫工藝應(yīng)成熟、可靠，裝置需要滿足各種工況條件；

（3）脫硫劑要有穩(wěn)定可靠的來源，副產(chǎn)物可以綜合利用；

（4）綜合比選投資、運行費用、運行情況等指標(biāo)，考慮工藝運行情況（阻力）、穩(wěn)定性以及后續(xù)噴煤工段再利用的可行性；

（5）對現(xiàn)有機組的改造項目少，對運行條件改變少。

2.2 各種脫硫工藝簡述分析

目前國內(nèi)高爐熱風(fēng)爐可供選擇的脫硫技術(shù)主要有：鈣基固定床脫硫（干法）、石灰石-石膏法脫硫（濕法）、密相干塔半干法脫硫除塵一體化技術(shù)（半干法）、SDS 脫硫工藝（半干法）、冶金廢水工藝（濕法）等［1］。

2.2.1 固定床脫硫工藝

固定床工藝是脫硫吸收劑通過人工打開噸袋，使吸收劑自動通過倉頂?shù)倪M(jìn)料口充填在吸收塔內(nèi)。來自熱風(fēng)爐的煙氣進(jìn)入吸收塔后穿過吸收劑，吸收劑中的活性物質(zhì)與SO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，脫除掉SO2。凈化后的煙氣通過引風(fēng)機進(jìn)入煙囪排放［2］。脫硫過程主要化學(xué)反應(yīng)如下：

吸收劑由吸收塔底部排出，此時上部存留的新鮮吸收劑補充至倉室內(nèi)。反應(yīng)后產(chǎn)物通過塔底吸收劑排出閥排出。粉塵隨著煙氣進(jìn)入料床，逐漸留在了床層中，在卸料時與飽和的吸收劑一起被清出塔外，達(dá)到攔截粉塵的效果。其工藝流程如圖1所示。

圖1 固定床工藝流程圖

該技術(shù)優(yōu)點：

（1）設(shè)備簡單，控制簡單。特別是固定床干法脫硫系統(tǒng)，能夠自身適應(yīng)SO2濃度的變化；

（2）適用溫度范圍廣，能夠在高中低溫區(qū)（60-380℃）直接進(jìn)入脫硫系統(tǒng)；

（3）系統(tǒng)構(gòu)成簡單，占地面積小，系統(tǒng)溫降小。

該技術(shù)缺點：顆粒物控制手段欠缺，床層阻力可能存在突增的情況。

2.2.2 密相干塔半干法脫硫除塵一體化技術(shù)

密相干塔法技術(shù)煙氣入口在脫硫塔中下部，經(jīng)過加水消化后的含有較多活性Ca（OH）2組分的循環(huán)灰經(jīng)給料機和噴射器后，投入脫硫塔參與脫硫反應(yīng)［3］。

攜帶脫硫劑的煙氣在脫硫塔內(nèi)向上流動，在運動過程中消石灰與水、SO2進(jìn)行系列反應(yīng)，生成CaSO3和CaSO4等副產(chǎn)物。反應(yīng)后的脫硫灰隨煙氣進(jìn)入布袋除塵器，經(jīng)布袋除塵器捕捉，沉積在除塵器底部的灰斗內(nèi)。除塵器灰斗下部設(shè)有出料口，直接進(jìn)入螺旋輸送機、加濕裝置。在除塵器灰斗出料口安裝變頻給料裝置，以控制進(jìn)入脫硫塔的循環(huán)脫硫灰量。

圖2 密相干塔半干法脫硫除塵一體化技術(shù)工藝流程

技術(shù)優(yōu)點：工藝成熟，適用熱風(fēng)爐工況條件。

技術(shù)缺點：

（1）系統(tǒng)設(shè)有制漿系統(tǒng)、副產(chǎn)物回用系統(tǒng)等，工藝流程較復(fù)雜，對設(shè)備維護(hù)要求較高；

（2）工藝設(shè)備較多，占地面積較大。

2.2.3 SDS鈣基脫硫工藝

SDS鈣基脫硫工藝技術(shù)原理是在特定的溫度范圍內(nèi)（粉劑脫硫30～350 ℃），脫硫劑中的有效組分和煙氣中的SO2和SO3進(jìn)行氣固反應(yīng)，達(dá)到脫硫目的［4］。反應(yīng)原理如下：

CEFTIN口服懸液用于治療由肺炎鏈球菌或流感嗜血桿菌（僅不產(chǎn)β‐內(nèi)酰胺酶的）敏感株引起的3個月至12歲兒童患者輕度至中度急性上頜竇炎。

鈣基高活性粉劑脫硫劑定期由罐車密閉輸送至脫硫劑料倉，每臺高爐熱風(fēng)爐設(shè)置1 臺脫硫劑料倉。脫硫劑料倉中的脫硫劑通過旋轉(zhuǎn)給料器和輸送風(fēng)機輸送至煙道內(nèi)，與煙氣以高傳質(zhì)的速度混合反應(yīng)，脫除煙氣中的SO2。布袋除塵器過濾收集的粉塵經(jīng)氣力輸送至廢劑料倉，每臺高爐熱風(fēng)爐設(shè)置1 臺灰倉?；覀}的脫硫灰可通過吸罐車定期排出。旋轉(zhuǎn)給料機采用變頻控制，可以根據(jù)SO2排放濃度，在線調(diào)節(jié)高活性鈣基粉狀脫硫劑的用量，以確保煙氣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求。整個工藝過程中，脫硫劑均在密閉環(huán)境中使用，罐車輸送至脫硫劑料倉，從料倉通過氣力輸送至煙氣管道，脫硫灰再通過密閉系統(tǒng)輸送至廢劑料倉?？梢詫崿F(xiàn)系統(tǒng)低能耗運行，操作環(huán)境清潔，自動化程度高。其工藝流程如圖3所示。

圖3 SDS鈣基脫硫工藝流程

技術(shù)優(yōu)點：

（1）與SDS 鈉基技術(shù)對比，脫硫劑適用溫度寬泛，現(xiàn)場無需設(shè)置研磨系統(tǒng)；

（2）脫硫產(chǎn)物屬于鈣基一般固廢，有利于進(jìn)行資源化合規(guī)處理。

技術(shù)缺點：煙溫?zé)o法控制，配套除塵器需要使用耐高溫濾袋，前端換熱器出現(xiàn)故障后，容易造成系統(tǒng)問題。

2.2.4 SDS鈉基脫硫工藝

SDS 鈉基脫硫工藝是將碳酸氫鈉粉（20～25 μm）均勻噴射在管道內(nèi)，脫硫劑在管道內(nèi)被熱激活，比表面積迅速增大，與酸性煙氣充分接觸，發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，煙氣中的SO2等酸性物質(zhì)被吸收凈化。脫硫后的煙氣攜帶粉狀副產(chǎn)物，進(jìn)入袋式除塵器經(jīng)過濾后達(dá)標(biāo)排放。該工藝采用碳酸氫鈉（碳酸氫鈉）為脫硫劑，包含兩個化學(xué)反應(yīng)過程：受熱分解激活和吸收二氧化硫。熱激活過程：碳酸氫鈉與熱煙氣接觸，快速轉(zhuǎn)換成碳酸鈉，從而獲得大的比表面積及多孔性物質(zhì)。碳酸氫鈉經(jīng)激活轉(zhuǎn)化成多孔性“活性碳化物”，可提高二氧化硫與碳酸氫鈉的接觸面積，加快化學(xué)反應(yīng)速度，快速中和SO2等酸性氣體同時。其工藝流程如圖4所示。

圖4 SDS鈉基脫硫工藝流程圖

吸收二氧化硫的反應(yīng)機理如下：

技術(shù)優(yōu)點：技術(shù)成熟，碳酸氫鈉噴入管道是干態(tài)物質(zhì)，因此為全干系統(tǒng)、無需用水，無廢水產(chǎn)生。

技術(shù)缺點：

（1）對脫硫劑碳酸氫鈉品質(zhì)要求高，系統(tǒng)需設(shè)置超細(xì)粒徑磨機且，低于160 ℃或250 ℃是脫硫劑活性無法滿足要求；

（2）脫硫副產(chǎn)物為Na2SO4、Na2SO3、Na2CO3干粉混合物，目前產(chǎn)物沒有較好的運用前景，且有作為危廢的可能，處置難度大。

2.3 各種脫硫工藝比選

2.3.1 業(yè)績對比

表2 列舉了以上4 種脫硫工藝在鋼鐵行業(yè)高爐熱風(fēng)爐中的業(yè)績。

表2 各脫硫工藝高爐熱風(fēng)爐業(yè)績表

2.3.2 綜合對比

表3從脫硫劑組份、價格、副產(chǎn)物、系統(tǒng)阻損、溫降、占地面積、運行費用等方面對以上4種脫硫工藝進(jìn)行了全面對比。

表3 各脫硫工藝全面分析

3 結(jié)語

綜上所述，鑒于某鋼廠高爐入口煙氣SO2濃度不高但要求末端排煙溫度滿足噴煤系統(tǒng)，建設(shè)場地緊張，取氣和回氣管道布置難度大，要求系統(tǒng)設(shè)備和流程盡量簡化。綜合對比各工藝對熱風(fēng)爐工況的適應(yīng)性、工藝成熟性及業(yè)績、場地布置情況，投資及運行成本。該項目最終采用固定床脫硫工藝進(jìn)行超低排放改造，目前項目正在建設(shè)中，預(yù)計在2022 年9 月投產(chǎn)，建成投產(chǎn)后熱風(fēng)爐煙氣可以滿足鋼鐵企業(yè)超低排放指標(biāo)限值要求。