新型高爐煤氣干法脫硫技術在衡鋼的應用

王 勝 耿云峰 周維漢 劉 鵬

(1.湖南省冶金規(guī)劃設計院有限公司，2.北京北大先鋒科技股份有限公司，3.衡陽華菱鋼管有限公司)

空氣中的SO2是產(chǎn)生酸雨的主要原因，對自然生態(tài)環(huán)境存在較大的危害性。為保護藍天，《軋鋼工業(yè)大氣污染物排放標準》GB28665-2012 規(guī)定對新建工業(yè)爐窯的SO2排放不能超過150 mg/m3。2019年4月，生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)改委等五部委印發(fā)了《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放改造的意見》，鋼鐵行業(yè)須達到超低排放的標準，其中熱風爐、熱處理爐(含軋鋼加熱爐)等系統(tǒng)出口SO2排放限值為50 mg/m3，燃氣鍋爐出口SO2排放限值為35 mg/m3。

隨著環(huán)保政策的日益嚴格，高爐煤氣用戶對高爐煤氣硫含量提出了更高的要求，而傳統(tǒng)的高爐煤氣凈化流程無法滿足SO2的控制排放標準，進一步降低高爐煤氣硫含量越來越受到鋼鐵企業(yè)的重視。

1 高爐煤氣的成分及應用

1.1 高爐煤氣的成分

高爐煤氣是高爐煉鐵生產(chǎn)的副產(chǎn)品，其主要成分為CO、CO2、N2、H2和CH4等，具體見表1。同時，高爐煤氣中還含有少量的硫化物，包括有機硫(COS、CS2)和無機硫(H2S)，總硫含量約100～200 mg/m3，其中羰基硫COS含量約70%[1]，具體見表2。

表1 高爐煤氣主要化學成分含量(干基) %

表2 高爐煤氣中硫化物成分 %

表4 2015-2020年煤氣富化裝置處理高爐煤氣量 m3

1.2 高爐煤氣一般應用流程

高爐煤氣經(jīng)重力除塵和干法除塵后，進入TRT裝置，利用其壓力能及余熱發(fā)電，再送至熱風爐、軋鋼加熱爐、發(fā)電鍋爐等用戶作燃料使用，產(chǎn)生的煙氣根據(jù)污染物排放限值的要求，經(jīng)凈化處理后達標排放。

2 高爐煤氣脫硫方案對比

高爐煤氣的脫硫處理包括前端(燃燒前)脫硫和后端(燃燒后)脫硫，這兩種方式均包含濕法和干法處理工藝，主要區(qū)別是待處理硫的形態(tài)和處理的氣量不同。對比下述三種方案，前端干法脫硫工藝最優(yōu)。

2.1 前端干法脫硫工藝

高爐煤氣經(jīng)重力除塵器、布袋除塵器、TRT裝置后，接入水解裝置，將高爐煤氣中的COS和CS2轉換為便于后續(xù)脫硫處理的H2S形態(tài)，再在脫硫裝置中，利用干法脫硫將H2S脫除。干法脫硫是指采用固體吸附劑對含硫化合物進行吸收或吸附，吸附通常利用活性炭、分子篩“微晶材料”的微孔吸附作用，實現(xiàn)硫的脫除[2]。

特點：不影響TRT發(fā)電；無廢液產(chǎn)生，處理系統(tǒng)密閉環(huán)保；脫硫精度高；工藝對硫含量波動的適應性好；屬固定床工藝，可實現(xiàn)無人值守；水解劑、脫硫劑使用周期可達1年以上，便于操作和維護；使用后的水解劑、脫硫劑可再生循環(huán)利用。

2.2 前端濕法脫硫工藝

高爐煤氣經(jīng)重力除塵和干法除塵處理后,先通過水解裝置將高爐煤氣中的COS和CS2轉換為H2S形態(tài),再經(jīng)TRT余能回收后,進行脫硫處理,濕法脫硫工藝較為成熟,脫硫劑可利用20%NaOH強堿性溶液,將煤氣中的H2S脫除[3]。

特點：高爐煤氣的溫壓降低影響TRT發(fā)電；產(chǎn)生較多廢液；脫硫精度相對較低；中間產(chǎn)物Na2S2O3在高溫條件下易分解為SO2，如處理不當或在高爐沖渣水溝無序排放，易造成二次環(huán)境污染；當煤氣中硫含量波動時，需人工調整堿液用量；微量的中間產(chǎn)物Na2CO3和Na2S溶液易隨煤氣的溫壓降低而結晶析出，造成閥門堵塞。

2.3 后端脫硫工藝

高爐煤氣經(jīng)重力除塵和干法除塵后，進入TRT裝置，利用其余熱及壓力能發(fā)電，再送至熱風爐、軋鋼加熱爐、發(fā)電鍋爐等用戶作燃料使用。煤氣在爐內(nèi)燃燒后，硫化物轉化為SO2，煙氣進入脫硫裝置(石灰石膏法、鎂法、氨法等)，經(jīng)處理后達標排放。

特點：裝置套數(shù)較多，隨高爐煤氣用戶情況分散配置脫硫處理裝置；項目投資及占地面積均明顯偏大；系統(tǒng)運行維護復雜，需配備較多的運維人員。

3 衡鋼高爐煤氣脫硫處理情況

3.1 處理目的

衡鋼軋鋼加熱爐所用燃料為外購天然氣，為節(jié)省高價且緊缺的天然氣資源，降低生產(chǎn)成本，衡鋼2013年6月建成了一套高爐煤氣富化裝置。為保證CO吸附用的銅吸附劑使用周期達10年以上，需把高爐煤氣中的硫含量脫除達到0.1 mg/m3以下。

3.2 技術原理

根據(jù)脫硫方案對比分析，為保證脫硫效果，同時不增加廢液處理，衡鋼高爐煤氣富化裝置采用了前端(燃燒前)干法脫硫工藝，具體技術原理為：在水解裝置中，在催化劑作用下，煤氣中含有的COS、CS2和水汽反應生成H2S和CO2，其反應方程式：

COS+H2O=H2S+CO2

(1)

CS2+2H2O=2H2S+CO2

(2)

反應產(chǎn)生的H2S在粗脫硫塔中被氧化，生成單質S，通過活性炭把大部分S元素吸附去除，再經(jīng)后續(xù)精脫硫及除氧工序，使高爐煤氣中的硫含量降到0.1 mg/m3以下，可實現(xiàn)滿足高爐煤氣富化裝置原料氣的品質要求。

3.3 水解催化劑及脫硫劑的選擇和處理

水解催化劑分為中溫(100～350 ℃)型和低溫(20～80 ℃)型[4]。其中，中溫型催化劑主要有鋁基、鈦基及其混合物等[5]，要求溫度和壓力較高。中溫型水解裝置一般設置在TRT之前，但是不利于鋼鐵企業(yè)余壓發(fā)電，同時對催化劑使用壽命也有影響。為了方便鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)資源的回收利用，采用低溫水解催化劑和以活性炭為載體的脫硫劑，在催化劑和脫硫劑失效后，可以把水解催化劑送煉鋼作脫氧劑，把脫硫劑送燒結作碳粉使用(僅適用于燒結有脫硫設施的企業(yè))。

針對鋼鐵企業(yè)的高爐煤氣脫硫，綜合考慮能源的回收效率和資源的再利用，在TRT之后設置低溫型水解裝置較為適宜。

3.4 處理流程

在高爐生產(chǎn)中，TRT后煤氣的溫度、水分、粉塵及發(fā)生量受到前端高爐、布袋除塵、TRT及煤氣主管道噴淋冷卻裝置等運行狀況的影響，為保證煤氣富化裝置后端CO吸附工序的工藝參數(shù)穩(wěn)定，衡鋼已建成的煤氣富化系統(tǒng)采用如下預處理工藝流程：

高爐TRT后的低壓含濕煤氣→脫水→加壓至0.25 MPa(G)→煤氣溫度調控→有機硫催化水解(2塔)→煤氣溫度調控→粗脫硫(3塔，煤氣含硫量小于5 mg/m3)→精脫硫(2塔，煤氣含硫量小于0.1 mg/m3)→除氧→完成預處理工序。

高爐煤氣經(jīng)上述粗脫硫處理工序后，煤氣中硫含量已小于5 mg/m3，可滿足燃燒后煙氣SO2排放的環(huán)?？刂葡拗狄蟆?/p>

3.5 催化劑及脫硫劑更換成本

有機硫水解催化劑的使用周期約1年半，兩塔運行，每塔裝填24 m3水解催化劑，更換一次成本約40萬元。

粗脫硫塔填料約1.5年更換一次，精脫硫塔填料約2年更換一次，5個塔填料的更換需花費250萬元左右，平均每個塔約50萬元，6年一個周期。

按2015-2020年衡鋼富化高爐的煤氣量為2 399 896 270 m3，單位高爐煤氣催化劑及脫硫劑費用為：[400 000×4+500 000×(3×4+2×3)]/2 399 896 270≈0.004 42元/m3。

4 結語

衡陽華菱鋼管有限公司建設的高爐煤氣CO富化裝置設計高爐煤氣處理量為67 000 m3/h，通過高爐煤氣預處理后進入到PSA提純裝置中，將CO 體積濃度由21%左右提升到70%左右，于2013年6月投產(chǎn)第1套裝置，2014年2月投產(chǎn)第2套裝置，現(xiàn)已穩(wěn)定運行近十年。在2015-2020年，處理高爐煤氣量2 399 896 270 m3，產(chǎn)生富化煤氣量755 643 714 m3，富化煤氣用作軋鋼加熱爐的燃料氣體。