以煙氣含硫量推算煤氣含硫量的實(shí)踐

周 揚(yáng)

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司)

全國(guó)環(huán)境保護(hù)工作會(huì)議提出“制訂實(shí)施打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃，積極推動(dòng)鋼鐵等行業(yè)超低排放改造”的要求后，鋼鐵企業(yè)逐步開展了超低排放研究及改造工作[1-4]。前期鋼鐵企業(yè)的超低排放改造主要集中在各窯爐的末端煙氣治理，而在2019年環(huán)大氣〔2019〕35 號(hào)發(fā)布后[5]，對(duì)于有組織排放物的限值進(jìn)一步收嚴(yán)，文件要求超低排放的鋼鐵企業(yè)每月至少95%以上時(shí)段排放濃度滿足要求，并且提出了加強(qiáng)源頭控制，高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣應(yīng)實(shí)施深度脫硫的要求?；诖?，鋼鐵企業(yè)開始研究源頭煤氣治理措施。

源頭煤氣的成分會(huì)隨煤品與煉化工藝等因素的波動(dòng)而產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)，故在確定源頭煤氣的治理方案前，首先需要明確源頭煤氣的具體成分[6]。只有確定了源頭煤氣成分后，才能有針對(duì)性地制定煤氣脫硫方案。文章以某鋼廠實(shí)施的煤氣精脫硫項(xiàng)目為載體，探討高爐煤氣硫含量的分析與確定方法。

1 源頭煤氣含硫量歷年檢測(cè)數(shù)據(jù)

實(shí)施該項(xiàng)目鋼廠的下屬能源中心每半個(gè)月使用硫化學(xué)發(fā)光檢測(cè)儀(SCD)對(duì)各個(gè)高爐產(chǎn)生的高爐煤氣硫化物進(jìn)行測(cè)定，其中得到的總硫數(shù)據(jù)以SO2計(jì)(折算以各硫化物燃燒后完全反應(yīng)生成SO2為前提，按各成分占比加權(quán))見表1。

表1 各高爐煤氣含硫量 mg/m3

因該鋼廠沒有總硫或有機(jī)硫在線檢測(cè)設(shè)施，并數(shù)據(jù)樣本為每半個(gè)月檢測(cè)一次，不足以覆蓋到超低排放要求的鋼鐵企業(yè)每月至少95%以上時(shí)段。因此如果僅以煤氣檢測(cè)數(shù)據(jù)樣本作為該項(xiàng)目脫硫裝置的設(shè)計(jì)依據(jù)，可能會(huì)有煤氣含硫量高的時(shí)段未檢測(cè)到的情況發(fā)生，造成脫硫裝置設(shè)計(jì)方案規(guī)模偏小，從而導(dǎo)致項(xiàng)目投產(chǎn)后不能達(dá)到超低排放要求。考慮到硫元素在鋼廠正常生產(chǎn)過程中基本不會(huì)被消耗，同時(shí)在該鋼廠煙氣在線檢測(cè)設(shè)施比較完善、系統(tǒng)數(shù)據(jù)齊全的基礎(chǔ)背景下，設(shè)計(jì)人員選擇用高爐煤氣燃燒后的煙氣含硫量反推高爐煤氣含硫量。

2 煙氣含硫量反推煤氣含硫量

基本方法是根據(jù)煙氣中O2含量推算空氣系數(shù)，結(jié)合煙氣SO2數(shù)據(jù)得到燃燒前混合煤氣總含硫量，再根據(jù)同時(shí)段混合煤氣中各煤氣比例推算出高爐煤氣總含硫量，并將兩種方法得到的總含硫量進(jìn)行對(duì)比。技術(shù)人員從煙氣檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)取2020年以來五千多條小時(shí)數(shù)據(jù)，并從能源調(diào)度系統(tǒng)調(diào)取上千條煤氣小時(shí)流量數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)對(duì)齊(對(duì)齊時(shí)間、剔除檢測(cè)數(shù)據(jù)異常點(diǎn)、剔除非正常工況等)，開展大數(shù)據(jù)分析。

2.1 熱軋系列爐窯煙氣排放SO2濃度

以熱軋1、2號(hào)加熱爐的煙氣為例，取得大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到SO2排放濃度平均值為56.65 mg/m3。以出現(xiàn)概率為縱軸，濃度值為橫軸，作出數(shù)據(jù)曲線，在95%概率情況下，煙氣SO2濃度數(shù)值為90 mg/m3。以同樣的方法對(duì)熱軋系列其余各加熱爐煙氣排放SO2濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，經(jīng)分析匯總列于表2。

由表2計(jì)算可知，目前熱軋系列各爐窯煙氣排放SO2濃度平均值為53.42 mg/m3，但按超低排放要求的95%時(shí)段合格，需考慮選用95%概率峰值98.7 mg/m3，取整后得到煙氣排放SO2濃度數(shù)值為100 mg/m3。

表2 加熱爐煙氣排放SO2濃度 mg/m3

2.2 煙氣排放SO2濃度反推得到煤氣含硫量

因熱軋爐窯燃燒混合煤氣，故在取得SO2排放濃度數(shù)值曲線后需剔除其余燃?xì)?如焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣等)引入的硫含量，方可得出高爐煤氣引入的硫含量。具體方法是分別選取同時(shí)段僅消耗焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣及其他單一燃?xì)獾挠脩羲a(chǎn)生的SO2濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉對(duì)比，得到煤氣與煙氣硫含量偏差率較小的數(shù)值作為其余燃?xì)釹O2引入值。在剔除該部分SO2數(shù)值后，得到實(shí)際僅由高爐煤氣燃燒所產(chǎn)生的煙氣SO2排放值。根據(jù)該煙氣排放SO2濃度反推各高爐煤氣中硫含量平均值與出現(xiàn)概率95%數(shù)值，見表3。

由表3可知，高爐煤氣中總硫含量平均值為104.81 mg/m3，但按超低排放要求的95%時(shí)段合格，需考慮選用95%概率峰值180 mg/m3作為煙氣排放SO2濃度數(shù)值。

表3 反推高爐煤氣中總硫含量 mg/m3

2.3 取樣檢測(cè)煤氣含硫量

對(duì)比表1與表3，發(fā)現(xiàn)取樣檢測(cè)煤氣含硫量歷史數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)煙氣反推的煤氣含硫量有一定偏差。為驗(yàn)證偏差情況，技術(shù)人員于2021年4月16日和2021年5月13日對(duì)煤氣組分再次取樣，用色譜分析儀進(jìn)行正向分析，得出表4的數(shù)據(jù)。

表4 煤氣取樣數(shù)據(jù)

將根據(jù)取樣得到的煤氣硫組分計(jì)算出的煙氣SO2濃度與同時(shí)段監(jiān)測(cè)到的實(shí)際煙氣SO2濃度進(jìn)行對(duì)比；同時(shí)，將監(jiān)測(cè)到的實(shí)際煙氣SO2濃度反推出的煤氣中含硫量與檢測(cè)的煤氣含硫量進(jìn)行對(duì)比，得出表5。可以看出計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)都比較接近，說明利用煙氣排放SO2含量反推煤氣含硫量的計(jì)算分析方法合理有效。

表5 高爐煤氣含硫量數(shù)據(jù)復(fù)核對(duì)照

通過表4亦可以發(fā)現(xiàn)，儀器的精密度以及時(shí)間段不同，會(huì)造成檢測(cè)數(shù)據(jù)有較大的偏差，因此若直接采用正向檢測(cè)數(shù)據(jù)作為源頭煤氣硫含量數(shù)據(jù)有一定的限制性。

3 煤氣脫硫裝置入口含硫量數(shù)據(jù)確定

考慮到僅以煤氣檢測(cè)數(shù)據(jù)樣本作為設(shè)計(jì)脫硫裝置的依據(jù)，可能會(huì)有煤氣含硫量高的時(shí)段未檢測(cè)到或受限于檢測(cè)設(shè)備的精密度問題；同時(shí)，環(huán)保超低排放是否達(dá)標(biāo)是以上傳環(huán)保局的煙氣數(shù)據(jù)為依據(jù)，故文中介紹的“以煙氣含硫量反推煤氣含硫量”方法合理有效，并且更適用于煙氣排放環(huán)保監(jiān)測(cè)要求。

基于上述原因，在設(shè)計(jì)該項(xiàng)目煤氣脫硫裝置時(shí)將高爐煤氣總含硫量取值為煙氣SO2反推得到的數(shù)據(jù)即180 mg/m3(以SO2計(jì))。并根據(jù)取樣大數(shù)據(jù)中高爐煤氣的各組分比例取平均值進(jìn)一步推算出高爐煤氣中的硫組分，見表6。

因?yàn)楹Ａ康臒煔鈹?shù)據(jù)已構(gòu)成了一個(gè)足夠大的樣本區(qū)間，所以以表6中的數(shù)據(jù)作為源頭煤氣的含硫參數(shù)，開展后續(xù)脫硫裝置方案設(shè)計(jì)，可以科學(xué)地覆蓋環(huán)保要求的95%時(shí)段。

表6 高爐煤氣中有機(jī)硫組成 mg/m3

4 結(jié)語

關(guān)于印發(fā)《重污染天氣重點(diǎn)行業(yè)應(yīng)急減排措施制定技術(shù)指南(2020年修訂版)》的函[7]規(guī)定：按環(huán)?？?jī)效水平，開展績(jī)效分級(jí)，在滿足當(dāng)?shù)貞?yīng)急減排比例需求的同時(shí)，制定差異化減排措施。鋼鐵行業(yè)屬于該文件重點(diǎn)關(guān)注行業(yè)之一，因此，推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放改造是推動(dòng)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、淘汰落后產(chǎn)能、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、 助力打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的重要舉措。

源頭煤氣脫硫處理方案除了可以滿足國(guó)家文件的要求，相比較各用戶點(diǎn)末端分散煙氣脫硫治理方案，其在總投資額與管理便捷性上是有一定優(yōu)勢(shì)的。雖然目前鋼鐵企業(yè)源頭煤氣脫硫研究尚處于初步階段，但其中煤氣硫含量的取值是源頭煤氣脫硫方案裝置規(guī)模及治理效果的關(guān)鍵參數(shù)與必要條件。利用色譜分析儀的正向檢測(cè)雖然可以直觀的顯示出煤氣中的組分及含量，但該方法受限于分析儀的經(jīng)濟(jì)成本與設(shè)備精密度。而文中介紹的“以煙氣含硫量反向推算煤氣含硫量”方法，可以不用新增檢測(cè)設(shè)備，即可經(jīng)濟(jì)有效地明確煤氣中的含硫量，進(jìn)而確定匹配的脫硫裝置。