高爐作為長流程煉鋼的主流煉鐵裝備，在鋼鐵行業(yè)內具有舉足輕重的地位。利用高爐進行煉鐵，每噸鐵水副產1600-2000立方米的高爐煤氣，熱值700-800大卡/立方米，煤氣中含有一氧化碳、二氧化碳、氮氣、氫氣等組分，同時伴有塵、硫等污染物。一般情況下，高爐煤氣通過重力除塵和布袋除塵后，被應用于熱風爐、燒結、加熱爐、發(fā)電等工序，最后排放到大氣中，煙氣中的二氧化硫排放濃度100-200毫克/立方米。

2019年4月28日，生態(tài)環(huán)境部、發(fā)改委、工信部等五部委聯(lián)合發(fā)布了《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，對鋼鐵行業(yè)超低排放指標提出了要求。具體來看，燒結機機頭、球團焙燒煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度小時均值分別不高于10、35、50毫克/立方米;其他主要污染源顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度小時均值原則上分別不高于10、50、200毫克/立方米，達到超低排放的鋼鐵企業(yè)每月至少95%以上時段小時均值排放濃度滿足上述指標。

由此可見，現(xiàn)有鋼鐵行業(yè)的高爐煤氣利用后的二氧化硫排放濃度100-200毫克/立方米，遠高于超低排放指標要求的35、50毫克/立方米，因此，鋼鐵行業(yè)高爐煤氣的利用需要進行脫硫處理。

一、高爐煤氣脫硫點：前端和末端

高爐煤氣的脫硫處理可以分為前端脫硫和末端脫硫，主要區(qū)別在于處理的硫形態(tài)和處理的氣量不同。

1、前端脫硫(燃燒用氣點之前)

高爐冶煉鐵水，是利用焦炭、煤和鐵礦石發(fā)生還原反應，產生的高爐煤氣中的硫也主要是以還原態(tài)形式存在。經過色譜取樣檢測，高爐煤氣中的有機硫：羰基硫(COS)、二硫化碳(CS2)占總硫含量的70-80%;無機硫：硫化氫(H2S)占總硫含量的20-30%。

因此高爐煤氣前端脫硫需要脫除的是上述三類硫化物，即羰基硫、二硫化碳和硫化氫。

前端脫硫所處理的氣量為高爐實際產生的氣量，以1080立方米高爐為例，每小時產生的高爐煤氣量為24-28萬立方米，因為在用氣點之前集中處理，所以只需要建設一套脫硫裝置。

2、末端脫硫(燃燒用氣點之后)

高爐煤氣利用在熱風爐、燒結、加熱爐等用氣點，是利用煤氣自身700-800大卡/立方米的熱值，煤氣中存在熱值的組分主要是一氧化碳(20-25%)，氫氣(1%)。一氧化碳、氫氣和空氣中的氧氣發(fā)生燃燒氧化反應的同時，煤氣中的羰基硫、二硫化碳和硫化氫也與氧氣反應生成二氧化硫。因此，高爐煤氣末端脫硫需要脫除的是末端生成物二氧化硫。

末端脫硫所處理的氣量除高爐實際產生的煤氣量外，增加了配入空氣的量，以1080立方米高爐為例，每小時需要處理的氣量為38萬立方米(高爐煤氣量按26萬立方米/小時，一氧化碳和氫氣含量按25%，配入空氣量約為15.5萬立方米/小時，空氣中氧含量按21%計算)。相比前端處理，需要處理氣量增加了50%，同時由于用氣點分散，末端脫硫需要針對每個用氣點都建設脫硫裝置。

綜合以上分析，可將兩種脫硫方法做簡單對比，如表1所示：

表1 1080立方米高爐前端脫硫和末端脫硫工藝對比

脫硫類型脫硫對象處理氣量裝置套數(shù)

前端脫硫COS、CS2、H2S26萬Nm³/h1

末端脫硫SO238萬Nm³/h5-10

二、3種高爐煤氣脫硫技術分析對比

隨著各省市逐步推動實施鋼鐵行業(yè)超低排放，與高爐煤氣脫硫有關的各類需求近期才受到關注。前端脫硫主要分為干法和濕法;末端脫硫因和其他工業(yè)煙氣工況類似，可利用傳統(tǒng)的石灰石膏法、鎂法、氨法等脫硫工藝。

1、前端干法脫硫

前端干法脫硫技術借鑒化工行業(yè)的脫硫工藝，先將有機硫通過水解(利用高爐煤氣自身水分，不補水)變換為無機硫，再利用干法脫硫劑將無機硫進行脫除，工藝流程如圖1所示：

圖1 前端干法脫硫流程圖

具體工藝路線：高爐煤氣從爐頂出來，先經過重力除塵和布袋除塵裝置，將其中的塵含量降到10毫克/立方米以下，接著進入透平發(fā)電裝置(TRT)，利用煤氣壓力和溫度發(fā)電，再通過水解轉化裝置，將羰基硫和二硫化碳轉換為硫化氫，然后進入脫硫裝置，利用干法脫硫劑將煤氣中的硫化氫脫除，最后進入各個用氣點進行利用，經過脫硫后，各個用氣點排放的煙氣中的二氧化硫濃度達到超低排放要求。

前端干法脫硫的優(yōu)點：

①不影響TRT發(fā)電，水解、脫硫工藝全部放在TRT之后;

②無廢液產生，干法路線不產生廢液;

③脫硫精度高，總硫含量小于500mg/Nm³，更適合干法;

④不懼硫波動，當煤氣中硫含量波動時，無需額外操作;

⑤無人值守，固定床工藝，只需巡檢;

⑥運行時間長，水解劑、脫硫劑使用壽命大于一年;

⑦環(huán)保閉環(huán)，置換下來的水解劑、脫硫劑可廠內二次利用;

⑧產業(yè)化應用成效顯著，前端干法脫硫工藝目前已有連續(xù)7年穩(wěn)定運行的成功案例，其他同類工藝還沒有運行超過一年的業(yè)績。

前端干法脫硫的不足：相比前端濕法脫硫，占地面積較大，但比末端脫硫占地小。

2、前端濕法脫硫

由于高爐煤氣中的有機硫直接脫除困難，所以前端濕法脫硫也需要先將有機硫轉化為無機硫，再利用噴淋塔將無機硫脫除，工藝流程如圖2所示：

圖2 前端濕法脫硫流程圖

具體工藝路線：高爐煤氣從爐頂出來，先經過重力除塵和布袋除塵裝置，將其中的塵含量降到10毫克/立方米以下，接著進入水解轉化裝置，將有機硫轉換為無機硫，再通過透平發(fā)電裝置(TRT)，然后進入脫硫裝置，利用噴淋塔噴堿液(20%氫氧化鈉溶液)將煤氣中的硫化氫脫除，最后進入各個用氣點進行利用。

前端濕法脫硫的優(yōu)點：占地較小。

前端濕法脫硫的不足：

①水解放在TRT前，壓力和溫度的損失影響TRT發(fā)電;

②產生大量廢液;

③脫硫精度較低，總硫含量大于1000mg/Nm³，更適合干法;

④當煤氣中硫含量波動時，需要人工調整堿液用量;

⑤沒有長期穩(wěn)定運行案例。

另外，前端濕法脫硫尚存在三個需解決問題：

①高爐煤氣中二氧化碳含量為15-20%，硫含量為100-200毫克/立方米，二氧化碳和硫化氫遇到氫氧化鈉溶液都會發(fā)生反應，生成碳酸鈉和硫化鈉，二氧化碳濃度為硫化氫的數(shù)千倍，因此，若要滿足硫化氫與噴堿液充分反應，對于噴堿液的量需要做過量計算;

②高爐煤氣中的硫通過水解后變?yōu)榱蚧瘹洌�再通過和堿液反應生成硫化鈉廢液，硫化鈉溶液和空氣中氧反應生成硫代硫酸鈉溶液，一般情況下，會作為高爐沖渣水使用，高爐渣的溫度大于1400℃，硫代硫酸鈉溶液在高溫條件下又會分解為二氧化硫，可能會在沖渣水現(xiàn)場無序排放，需要采取有效措施;

③高爐煤氣濕法脫硫后產物為碳酸鈉和硫化鈉，雖然大多數(shù)都融入廢液中，但仍有少部分存在于高爐煤氣中，后段用氣點隨著煤氣壓力和溫度的降低，會導致碳酸鈉、硫化鈉結晶，容易堵塞閥門，需要采取措施預防結晶。

3、末端脫硫(石灰石膏法、鎂法、氨法等)

末端脫除二氧化硫的技術已經廣泛應用與電力、有色等行業(yè)，相關技術介紹較多，本文不再細述，只做和前端脫硫技術的對比。

末端脫硫的優(yōu)點：應用廣泛。

末端脫硫的不足：

①套數(shù)多，因高爐煤氣用氣點多(5-10個)，每個用氣點都需要配置;

②投資大，相對前端要建設更多套裝置;

③占地大，套數(shù)多且處理氣量比前端多50%;

④維護工作量大;

⑤占用人工多。

另外，目前鋼鐵企業(yè)內部占地都比較緊張，如果再在每個用氣點都增設脫硫裝置，實際操作性較差。

目前國內市場主要的三類高爐煤氣脫硫技術各有特點，綜合上述分析，從鋼鐵企業(yè)較為關注的占地、投資、能耗等方面進行對比，詳見表2：

表2 不同脫硫技術投資成本對比表

脫硫技術占地投資運行成本

前端干法脫硫⚫◯⚫

⚫⚫

前端濕法脫硫⚫⚫⚫⚫

末端傳統(tǒng)脫硫⚫⚫⚫⚫⚫⚫⚫⚫⚫

注：“˜⚫”表示數(shù)量，“⚫”越多代表成本越高

除了關注占地、投資，工藝指標、技術穩(wěn)定性等同樣是鋼鐵企業(yè)重點考慮的影響因素，具體對比結果詳見表3：

表3 不同脫硫技術工藝指標對比表

脫硫技術脫硫精度穩(wěn)定性綜合比較

前端干法脫硫★★★★★★★★★

前端濕法脫硫★★★★★★

末端傳統(tǒng)脫硫★★★★★★★☆

注：“★”表示分值，“★”越多代表評分越高

三、高爐煤氣脫硫項目成功案例（前端干法脫硫）

2012年，湖南華菱衡鋼集團采用北京北大先鋒科技有限公司的鋼廠煤氣資源化利用技術，建設了一套高爐煤氣提升熱值裝置，高爐煤氣處理量為67000立方米/小時，熱值從700大卡/立方米提升到了2100大卡/立方米，用做軋鋼加熱爐的燃料氣體。在提升熱值的工藝中，利用變壓吸附(PSA)工藝把高爐煤氣中的一氧化碳濃度從21%提純到70%，PSA提純一氧化碳設備對高爐煤氣中的硫含量有嚴格的要求，總硫含量必須在0.1ppm以下，為此，北大先鋒在當時建成了國內第一套高爐煤氣前端干法脫硫裝置，以滿足后續(xù)PSA工藝對總硫含量的嚴格要求。

該項目中，高爐煤氣通過除塵凈化后先經過水解塔，將煤氣中的有機硫轉化為無機硫，之后將煤氣降溫通過脫硫塔，將無機硫氧化為硫單質達到脫硫的目的，經過脫硫后的高爐煤氣直接進入PSA提純一氧化碳工序。數(shù)據(jù)顯示，包括前端干法脫硫在內的整套PSA分離一氧化碳設備自2013年開車運行以來，一直連續(xù)、穩(wěn)定運行。

四、總結

高爐煤氣脫硫是近一年興起的市場需求，加快上馬高爐煤氣精脫硫設備一方面為了響應“超低排放”的環(huán)保政策，另一方面也有助于鋼鐵企業(yè)綠色生產。就脫硫位置劃分為前端脫硫和末端脫硫，前端脫硫屬于相對創(chuàng)新型的脫硫技術，末端脫硫屬于相對傳統(tǒng)型的脫硫技術。通過對投資、占地、運行等方面的比較，前端脫硫比末端脫硫更具有優(yōu)勢。尤其面對現(xiàn)有鋼鐵企業(yè)內部用地緊張的現(xiàn)實狀況，高爐煤氣用氣點一般都在5-10個，在每個用氣點旁邊都建設一套末端脫硫裝置存在較大困難，因此，高爐煤氣選用前端脫硫技術更具有實操性。

北大先鋒為華菱衡鋼設計建設的高爐煤氣前端干法脫硫有7年成功運行案例，工藝技術成熟度更高。前端濕法脫硫存在堿液用量過量、沖渣水現(xiàn)場硫排放和硫化鈉結晶等問題，且尚沒有穩(wěn)定運行一年以上的工業(yè)案例。因此，高爐煤氣脫硫選用前端干法脫硫更具有經濟性、可靠性，是目前高爐煤氣脫硫項目中穩(wěn)定性和可行性最優(yōu)的工藝路線。

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