高爐熱風爐煙氣脫硫超低排放改造方案分析

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，應當采用清潔生產(chǎn)工藝，配套建設除塵、脫硫、脫硝等裝置，或者采取技術改造等其他控制大氣污染物排放的措施。某鋼廠兩套熱風爐煙氣均沒有煙氣脫硫設施，目前煙氣中NOx濃度低于超低排放要求，SO2濃度無法達到超低排放標準。為了保證企業(yè)的正常生產(chǎn)，樹立良好的企業(yè)形象，高爐熱風爐須增設煙氣脫硫系統(tǒng)。針對該項目，擬通過采取固定床脫硫技術，使熱風爐煙氣治理后達到《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》中的限值要求（SO2＜50 mg/m3）。

1 熱風爐及其煙氣概況

1.1 熱風爐概況

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

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

1.2 熱風爐煙氣概況

正常運行中熱風爐煙氣經(jīng)空氣預熱器、煤氣預熱器后溫度約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，存在污染物超標風險。熱風爐煙氣依靠熱風爐煙囪提供的吸力克服管路阻力，未設置風機。在空氣、煤氣預熱器旁，設置了旁路煙管，預熱器檢修或故障時，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350 ℃。熱風爐煙氣具體參數(shù)詳見表1。

表1 熱風爐煙氣技術參數(shù)

2 工藝方案比選

2.1 脫硫工藝比選原則

該工程結合高爐熱風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，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)高爐熱風爐可供選擇的脫硫技術主要有：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（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料口充填在吸收塔內(nèi)。來自熱風爐的煙氣進入吸收塔后穿過吸收劑，吸收劑中的活性物質與SO2發(fā)生化學反應，脫除掉SO2。凈化后的煙氣通過引風機進入煙囪排放［2］。脫硫過程主要化學反應如下：

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)。反應后產(chǎn)物通過塔底吸收劑排出閥排出。粉塵隨著煙氣進入料床，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

該技術優(yōu)點：

（1）設備簡單，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℃）直接進入脫硫系統(tǒng)；

（3）系統(tǒng)構成簡單，占地面積小，系統(tǒng)溫降小。

該技術缺點：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

密相干塔法技術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［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進行系列反應，生成CaSO3和CaSO4等副產(chǎn)物。反應后的脫硫灰隨煙氣進入布袋除塵器，經(jīng)布袋除塵器捕捉，沉積在除塵器底部的灰斗內(nèi)。除塵器灰斗下部設有出料口，直接進入螺旋輸送機、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工藝流程

技術優(yōu)點：工藝成熟，適用熱風爐工況條件。

技術缺點：

（1）系統(tǒng)設有制漿系統(tǒng)、副產(chǎn)物回用系統(tǒng)等，工藝流程較復雜，對設備維護要求較高；

（2）工藝設備較多，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進行氣固反應，達到脫硫目的［4］。反應原理如下：

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，每臺高爐熱風爐設置1 臺脫硫劑料倉。脫硫劑料倉中的脫硫劑通過旋轉給料器和輸送風機輸送至煙道內(nèi)，與煙氣以高傳質的速度混合反應，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，每臺高爐熱風爐設置1 臺灰倉?；覀}的脫硫灰可通過吸罐車定期排出。旋轉給料機采用變頻控制，可以根據(jù)SO2排放濃度，在線調節(jié)高活性鈣基粉狀脫硫劑的用量，以確保煙氣達到排放標準要求。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

技術優(yōu)點：

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

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

技術缺點：煙溫無法控制，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、化學反應，煙氣中的SO2等酸性物質被吸收凈化。脫硫后的煙氣攜帶粉狀副產(chǎn)物，進入袋式除塵器經(jīng)過濾后達標排放。該工藝采用碳酸氫鈉（碳酸氫鈉）為脫硫劑，包含兩個化學反應過程：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，快速轉換成碳酸鈉，從而獲得大的比表面積及多孔性物質。碳酸氫鈉經(jīng)激活轉化成多孔性“活性碳化物”，可提高二氧化硫與碳酸氫鈉的接觸面積，加快化學反應速度，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機理如下：

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

技術缺點：

（1）對脫硫劑碳酸氫鈉品質要求高，系統(tǒng)需設置超細粒徑磨機且，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)高爐熱風爐中的業(yè)績。

表2 各脫硫工藝高爐熱風爐業(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種脫硫工藝進行了全面對比。

表3 各脫硫工藝全面分析

3 結語

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)，建設場地緊張，取氣和回氣管道布置難度大，要求系統(tǒng)設備和流程盡量簡化。綜合對比各工藝對熱風爐工況的適應性、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行超低排放改造，目前項目正在建設中，預計在2022 年9 月投產(chǎn)，建成投產(chǎn)后熱風爐煙氣可以滿足鋼鐵企業(yè)超低排放指標限值要求。