高爐煤氣燃燒后SO2排放濃度降低途徑的探討

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?xì)怏w，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(huì)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(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》(以下簡(jiǎn)稱《意見》)，明確提出要“加強(qiáng)源頭控制，高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣實(shí)施精脫硫”，煉鐵熱風(fēng)爐的SO2排放限值為50 mg/m3。國(guó)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(guó)內(nèi)成功案例較少，國(guó)外也未見相關(guān)報(bào)道及工程應(yīng)用。因此，如何從工藝上實(shí)現(xiàn)高爐煤氣燃燒廢氣中的SO2達(dá)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(hào)高爐)為測(cè)試裝備，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)、分析連續(xù)入爐原料、燃料中帶入高爐的S總量，計(jì)算噸鐵S負(fù)荷，進(jìn)而分析高爐煤氣中S的變化規(guī)律。

1 高爐煤氣中硫的來(lái)源及SO2生成機(jī)理

1.1 硫的來(lái)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(jī)硫和灰分中的硫化物和硫酸鹽形式存在。

通過(guò)連續(xù)統(tǒng)計(jì)1 280 m3高爐10 d的噸鐵原料配比和對(duì)應(yīng)的入爐燒結(jié)礦(球團(tuán)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(lái)源焦炭占比62%，煤粉占比23%，兩者合計(jì)達(dá)85%。由此可見，高爐煤氣中的硫主要來(lái)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(jī)理

在高爐冶煉過(guò)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(jìn)入煤氣；焦炭中的有機(jī)硫在到達(dá)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(jìn)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(lái)的海綿鐵所吸收，分別進(jìn)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(jī)硫和H2S為代表的無(wú)機(jī)硫。硫化物在燃燒過(guò)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(hào)高爐煤氣去向有1號(hào)高爐熱風(fēng)爐、軋鋼加熱爐和煤氣發(fā)電機(jī)組，其中1號(hào)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(cè)站采用氣相色譜法，對(duì)1號(hào)高爐煤氣進(jìn)行全硫分析。氣相色譜法原理：將待分析樣品經(jīng)過(guò)色譜柱分離后，不同的硫化物在不同的時(shí)刻進(jìn)入火焰光度檢測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)化放大檢測(cè)，計(jì)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(cè)出含量，同時(shí)跟蹤對(duì)應(yīng)時(shí)段1號(hào)高爐熱風(fēng)爐煙氣的SO2排放情況，檢測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表2 1號(hào)高爐煤氣硫濃度及煙氣中SO2檢測(cè)數(shù)據(jù) mg/m3

由表2可知，1號(hào)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(guò)持續(xù)統(tǒng)計(jì)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(fù)荷等相關(guān)參數(shù)，并監(jiān)測(cè)高爐煤氣中總硫濃度和熱風(fēng)爐煙氣中SO2排放濃度，進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)分析，找出影響SO2排放濃度的影響因素。

3.1 硫負(fù)荷

硫負(fù)荷即冶煉1 t生鐵時(shí)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(jì)算得出具體數(shù)值，高爐煤氣中的總硫濃度與硫負(fù)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(guò)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出的硫負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)荷與總硫濃度關(guān)系

圖2 硫負(fù)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(hào)高爐爐頂溫度與對(duì)應(yīng)的焦比如圖3所示。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)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(lái)自于焦炭，因此，爐頂溫度升高將間接增加硫負(fù)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(huì)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(dá)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(lái)源。焦炭和煤粉作為爐料，其硫分配占比之和達(dá)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(guò)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(diǎn)巡檢，減少設(shè)備故障，杜絕非計(jì)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(shí)，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(zhǎng)煤氣在高爐內(nèi)停留時(shí)間，降低煤氣流速，提高煤氣利用率；三是通過(guò)減風(fēng)或爐頂打水進(jìn)行物理降溫。

4.3 混燒轉(zhuǎn)爐煤氣

由于高爐冶煉過(guò)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(jī)硫和無(wú)機(jī)硫含量非常低。對(duì)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(hào)高爐煤氣產(chǎn)生量在25萬(wàn)m3/h，轉(zhuǎn)爐煤氣產(chǎn)生量約在5萬(wàn)m3/h，1號(hào)高爐熱風(fēng)爐的轉(zhuǎn)爐煤氣消耗量在9萬(wàn)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(guò)程中，轉(zhuǎn)爐煤氣不能同時(shí)供向熱風(fēng)爐，需單獨(dú)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(shí)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?xì)獠拍艹浞秩紵齕4]?！兑庖姟分懈郊匿撹F企業(yè)超低排放指標(biāo)限值，見表3。煉鐵熱風(fēng)爐沒(méi)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(dá)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(lái)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(guò)燃燒生成SO2；

(3)影響SO2生成的因素主要有硫負(fù)荷和爐頂溫度。硫負(fù)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(guò)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。