辛景昌 崔曉健

(新興鑄管股份有限公司)

高爐煤氣作為鋼鐵企業(yè)產(chǎn)量最大的可燃氣體，主要在高爐熱風(fēng)爐、軋鋼加熱爐和煤氣發(fā)電等用戶單元作為燃料使用。高爐煤氣含有少量的硫化物，在熱風(fēng)爐等冶金窯燃燒后，煙氣中會含有一定量的SO2。

2019年4月22日，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《關(guān)于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》(以下簡稱《意見》)，明確提出要“加強源頭控制，高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣實施精脫硫”，煉鐵熱風(fēng)爐的SO2排放限值為50 mg/m3。國內(nèi)鋼廠熱風(fēng)爐SO2濃度一般在60～150 mg/m3，難以滿足超低排放要求，而高爐煤氣脫硫技術(shù)目前在國內(nèi)成功案例較少，國外也未見相關(guān)報道及工程應(yīng)用。因此，如何從工藝上實現(xiàn)高爐煤氣燃燒廢氣中的SO2達標(biāo)排放或者減量排放，成為鋼鐵行業(yè)工作者重要的努力方向。以1 280 m3高爐(1號高爐)為測試裝備，通過現(xiàn)場統(tǒng)計、分析連續(xù)入爐原料、燃料中帶入高爐的S總量，計算噸鐵S負荷，進而分析高爐煤氣中S的變化規(guī)律。

1 高爐煤氣中硫的來源及SO2生成機理

1.1 硫的來源

高爐煤氣中的硫主要是由鐵礦石、燃料等爐料帶入，鐵礦石中的硫主要以硫化物(如FeS、FeS2等)和硫酸鹽(CaSO4等)形態(tài)存在[1]；焦炭和煤粉中的硫主要以有機硫和灰分中的硫化物和硫酸鹽形式存在。

通過連續(xù)統(tǒng)計1 280 m3高爐10 d的噸鐵原料配比和對應(yīng)的入爐燒結(jié)礦(球團礦)、焦炭和煤粉的含硫量，得出入爐原料的硫分配比例，如表1所示。

表1 入爐原燃料含硫分析

由表1可知，高爐中硫的來源焦炭占比62%，煤粉占比23%，兩者合計達85%。由此可見，高爐煤氣中的硫主要來自于焦炭和煤粉，其中焦炭的含硫量占比最大。

1.2 SO2的生成機理

在高爐冶煉過程中，隨著爐料下降和溫度升高，硫酸鹽等含硫鹽類與SiO2反應(yīng)形成SO3或與C反應(yīng)形成SO2進入煤氣；焦炭中的有機硫在到達風(fēng)口區(qū)之前已經(jīng)全部揮發(fā)；焦炭灰分中的硫和噴吹煤中的硫在風(fēng)口前燃燒生成SO2進入煤氣。煤氣中的SO2在高溫下與C接觸被還原成單質(zhì)硫或H2S/COS等化合物[2]。隨著煤氣上升的H2S、COS、CS2、噻吩和硫醇等大部分含硫化合物被爐料中的CaO/FeO和還原出來的海綿鐵所吸收，分別進入爐渣和生鐵，僅有一小部分被煙氣帶走，最終高爐煤氣中的硫主要以H2S和COS的形式逸出。

高爐煙氣中的SO2主要源自于煤氣燃燒反應(yīng)中的硫化物，包含以COS為代表的有機硫和H2S為代表的無機硫。硫化物在燃燒過程生成SO2反應(yīng)如下：

H2S+O2→H2O+SO2

COS+O2→CO2+SO2

2 新興鑄管高爐SO2排放現(xiàn)狀

1號高爐煤氣去向有1號高爐熱風(fēng)爐、軋鋼加熱爐和煤氣發(fā)電機組，其中1號高爐熱風(fēng)爐使用高爐煤氣比例約為36%～38%。新興鑄管環(huán)境監(jiān)測站采用氣相色譜法，對1號高爐煤氣進行全硫分析。氣相色譜法原理：將待分析樣品經(jīng)過色譜柱分離后，不同的硫化物在不同的時刻進入火焰光度檢測器，硫化物在富氧火焰中能夠裂解成一定數(shù)量的硫分子，并且在該火焰條件下發(fā)出特征譜線，光電倍增管將其信號轉(zhuǎn)化放大檢測，計算出樣品中硫含量。該方法可以將煤氣中SO2、H2S、COS和CS2等分離并且準(zhǔn)確檢測出含量，同時跟蹤對應(yīng)時段1號高爐熱風(fēng)爐煙氣的SO2排放情況，檢測數(shù)據(jù)見表2。

表2 1號高爐煤氣硫濃度及煙氣中SO2檢測數(shù)據(jù) mg/m3

由表2可知，1號高爐煤氣中的總硫濃度為80～130 mg/m3，高爐煤氣燃燒后的SO2排放濃度為90～180 mg/m3。

3 影響SO2生成的因素

通過持續(xù)統(tǒng)計爐料的含硫量、爐料配比、爐頂溫度、裝料制度和高爐生產(chǎn)負荷等相關(guān)參數(shù)，并監(jiān)測高爐煤氣中總硫濃度和熱風(fēng)爐煙氣中SO2排放濃度，進行數(shù)據(jù)比對分析，找出影響SO2排放濃度的影響因素。

3.1 硫負荷

硫負荷即冶煉1 t生鐵時由爐料帶入的總硫量。由各入爐原料的噸鐵配比和相應(yīng)的含硫率計算得出具體數(shù)值，高爐煤氣中的總硫濃度與硫負荷密切相關(guān)，是影響煙氣中SO2排放濃度最重要的因素。通過生產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)得出的硫負荷與高爐煤氣中總硫濃度、熱風(fēng)爐煙氣中SO2排放濃度的關(guān)系如圖1、圖2所示。由圖1、圖2可知，硫負荷與高爐煤氣的總硫濃度、煙氣中SO2排放濃度均成正相關(guān)關(guān)系，硫負荷可直接影響高爐煤氣中的總硫濃度和SO2的排放濃度。

圖1 硫負荷與總硫濃度關(guān)系

圖2 硫負荷與煙氣中SO2排放濃度關(guān)系

3.2 高爐爐頂溫度

高爐爐頂溫度升高，直接增加高爐內(nèi)熱損失，導(dǎo)致焦比增加，1號高爐爐頂溫度與對應(yīng)的焦比如圖3所示。從實驗數(shù)據(jù)對比分析可知，爐頂溫度每升高10 ℃，焦比升高約3 kg/t。

圖3 爐頂溫度與焦比關(guān)系

隨著爐頂溫度升高，熱風(fēng)爐煙氣SO2排放濃度增加，如圖4所示。爐料中硫大部分來自于焦炭，因此，爐頂溫度升高將間接增加硫負荷，SO2排放量增加。此外，爐頂溫度異常升高反映了爐內(nèi)冶煉的不穩(wěn)定，煤氣利用率降低，塊狀帶和軟熔帶的煤氣吸硫反應(yīng)也會降低，導(dǎo)致逸出爐頂煤氣中的總硫增加，熱風(fēng)爐煙氣中的SO2也隨之增加。

圖4 爐頂溫度與煙氣SO2濃度關(guān)系

4 控制SO2達標(biāo)排放的措施

4.1 嚴(yán)控入爐料硫分

爐料中的硫是煙氣中SO2排放的來源。焦炭和煤粉作為爐料，其硫分配占比之和達到85%，且焦炭和煤粉的噸鐵配比僅占入爐料的26%，因此，降低焦炭和煤粉的含硫率可有效降低煤氣總硫，從而降低煙氣中SO2排放量。

4.2 嚴(yán)控爐頂溫度

設(shè)備故障或爐況不順、出鐵不穩(wěn)導(dǎo)致冶煉變慢、煤氣流速過快是造成高爐爐頂溫度升高主要原因。結(jié)合具體爐況，做好以下相應(yīng)的控制措施，穩(wěn)定爐頂溫度，減少或避免爐頂溫度異常升高。

(1)做好設(shè)備點巡檢，減少設(shè)備故障，杜絕非計劃休風(fēng)；

(2)穩(wěn)定入爐原料成分和粒度，保持高爐順行；

(3)當(dāng)爐頂溫度較高時，一是提高爐料入爐速度，增加煤氣熱交換量并適當(dāng)降低噴煤量，減少爐腹煤氣發(fā)生量；二是適當(dāng)提高爐頂壓力，延長煤氣在高爐內(nèi)停留時間，降低煤氣流速，提高煤氣利用率；三是通過減風(fēng)或爐頂打水進行物理降溫。

4.3 混燒轉(zhuǎn)爐煤氣

由于高爐冶煉過程已將入爐料中絕大部分的硫分脫除，因此轉(zhuǎn)爐煤氣中的有機硫和無機硫含量非常低。對于轉(zhuǎn)爐煤氣富余的鋼鐵企業(yè)，可在高爐煤氣中混燒一定比例的轉(zhuǎn)爐煤氣，降低煤氣中的總硫，從而降低SO2的排放量。

新興鑄管股份有限公司1號高爐煤氣產(chǎn)生量在25萬m3/h，轉(zhuǎn)爐煤氣產(chǎn)生量約在5萬m3/h，1號高爐熱風(fēng)爐的轉(zhuǎn)爐煤氣消耗量在9萬m3/h，轉(zhuǎn)爐煤氣供應(yīng)嚴(yán)重不足，且轉(zhuǎn)爐煤氣的產(chǎn)生為非連續(xù)性。此外，向其他用戶單元供給高爐煤氣的過程中，轉(zhuǎn)爐煤氣不能同時供向熱風(fēng)爐，需單獨增設(shè)煤氣管道。綜上考慮，以熱風(fēng)爐混燒轉(zhuǎn)爐煤氣降低SO2排放不符合公司實際條件。

4.4 高爐煤氣TRT出口增設(shè)高壓噴水裝置

高爐煤氣中的硫化物主要為H2S和COS，兩者均溶于水[3]。鋼鐵企業(yè)高爐煤氣系統(tǒng)多采用全干法布袋除塵配置TRT發(fā)電系統(tǒng)，在TRT出口選擇適宜的位置安裝高壓噴水裝置，使煤氣中的硫化物溶于水，輔助降低煤氣中的總硫含量。

4.5 提高空燃比

只有在合適的空燃比條件下，燃氣才能充分燃燒[4]。《意見》中附件二的鋼鐵企業(yè)超低排放指標(biāo)限值，見表3。煉鐵熱風(fēng)爐沒有規(guī)定明確的基準(zhǔn)含氧量，而廢氣中的氧含量越高，污染物的濃度就越低。因此，在不影響高爐正常冶煉的前提下，適當(dāng)提高熱風(fēng)爐的空燃比，即提高鼓入熱風(fēng)中的空氣比例，增加熱風(fēng)爐燃燒廢氣中的氧含量，相當(dāng)于稀釋了原有的SO2排放濃度，使熱風(fēng)爐廢氣中的SO2達標(biāo)排放。

表3 鋼鐵企業(yè)超低排放限值指標(biāo)要求

5 結(jié)論

(1)高爐中硫的來源主要是燃料，其中焦炭占比62%，煤粉占比23%；

(2)高爐煤氣中的硫化物以羰基硫和硫化氫為主，兩者通過燃燒生成SO2；

(3)影響SO2生成的因素主要有硫負荷和爐頂溫度。硫負荷越大，總硫濃度越高，SO2的排放濃度越高；爐頂溫度越高，焦損增加，爐內(nèi)吸硫反應(yīng)減弱，使得焦比增加，SO2排放濃度越高；

(4)通過控制入爐料的含硫率、降低噸鐵焦比、嚴(yán)控爐頂溫度等措施，可直接降低SO2的排放濃度；熱風(fēng)爐混燒轉(zhuǎn)爐煤氣、TRT出口增設(shè)噴水設(shè)施和提高熱風(fēng)爐空燃比等輔助措施，可間接降低SO2的排放濃度。