高爐煉鐵脫硫機理及技術(shù)優(yōu)化研究

張斌

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214400）

0 引言

本文深入研究了脫硫機理、技術(shù)優(yōu)化、機理現(xiàn)狀、成本效益分析以及實際案例，為煉鐵工業(yè)的改進提供了有力支持。通過技術(shù)創(chuàng)新，如引入新興脫硫技術(shù)和改進工藝參數(shù)，脫硫效率得以顯著提高，硫排放減少，成本效益得以改善。實際案例提供了充分的數(shù)據(jù)支持，顯示了成功的脫硫工程如何在實踐中為高爐項目帶來明顯的性能和經(jīng)濟效益。這一綜合研究旨在推動高爐煉鐵工藝向更可持續(xù)和高效的方向發(fā)展。

1 工藝概述

高爐是煉鐵過程中的核心裝置，其基本原理在于高溫下還原鐵礦石中的鐵氧化物，將其轉(zhuǎn)化為液態(tài)鐵，這是通過將爐內(nèi)加熱至高溫，使焦炭（還原劑）與鐵礦石發(fā)生反應，從而釋放出純鐵，并產(chǎn)生廢渣。高爐在這一過程中起到還原和分離的關(guān)鍵作用，為鐵的提取提供了基礎。煉鐵的過程通常包括礦石的預處理、高爐冶煉、鐵水的收集以及廢渣的處理。原材料如鐵礦石和焦炭，通過高爐頂部投入，其中鐵礦石在高溫下還原成鐵，而非鐵部分形成廢渣。鐵水流出高爐底部，隨后冷卻和處理成各種鐵和鋼產(chǎn)品[1]。硫是鐵礦石中常見的雜質(zhì)，當硫含量過高時，其存在會引發(fā)多種問題，硫元素環(huán)境關(guān)系圖如圖1 所示。硫在高爐內(nèi)會生成硫化氫氣體，不僅損害高爐煉鐵效率，還可能導致脆性鐵，降低產(chǎn)品質(zhì)量。硫也會污染環(huán)境，對人體健康和自然生態(tài)系統(tǒng)造成危害。脫硫是確保鐵和鋼產(chǎn)品質(zhì)量的重要步驟，因為高硫含量會導致產(chǎn)品強度下降、冷脆性增加和焊接性能降低，同時，脫硫也是環(huán)保法規(guī)的要求，以減少硫排放和維護生態(tài)平衡。因此，脫硫在維護產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)保方面都具有關(guān)鍵作用。

圖1 硫元素環(huán)境關(guān)系圖

2 脫硫機理現(xiàn)狀

石灰石法的關(guān)鍵反應是石灰石（CaCO3）與硫（S）反應生成硫化鈣（CaS）和二氧化碳（CO2），反應方程式如下：

石灰石法在傳統(tǒng)煉鐵中得到廣泛應用，有效降低了硫含量，但也存在一些限制，如需要大量的石灰石作為原料，導致資源浪費，另外生成的硫化鈣廢渣需要進一步處理和處置，增加了環(huán)境壓力，同時需要高溫條件導致能耗相對較高。

熔融渣法利用含堿性和含鐵的渣來吸附和轉(zhuǎn)化硫，在高溫下，渣中的氧化鐵（Fe2O3）與硫反應生成硫化鐵（FeS）[2]，即：

熔融渣法的工業(yè)應用較為有限，但在某些特定情況下能發(fā)揮作用，其限制包括：需要含有足夠鐵的渣，以確保足夠的硫轉(zhuǎn)化；生成的硫化鐵需要進一步處理，以從鐵中分離出來；需要高溫條件，且不適用于所有煉鐵工藝。

生物脫硫依賴硫還原細菌，這些微生物可以在適宜的條件下將硫氣還原為硫化氫（H2S），最終生成硫化物，這個過程是生物學和化學的復雜結(jié)合。生物脫硫已在實驗室中取得成功，并在某些實際煉鐵工廠中得到應用，其優(yōu)點為低能耗、廢物生成少，但需要維護適宜的生物環(huán)境。高效吸附劑采用特殊吸附材料，如氧化鐵或錳氧化物，以吸附硫化合物。吸附后，吸附劑可經(jīng)過再生釋放硫，使其能夠循環(huán)使用。高效吸附劑在一些工業(yè)應用中表現(xiàn)出良好的潛力，可以高效地捕捉硫，減少廢物生成，且具有較低的能耗。

溫度、壓力和反應時間是影響脫硫反應速率的關(guān)鍵因素。在高爐操作中，控制這些參數(shù)對實現(xiàn)有效脫硫至關(guān)重要。原料的硫含量和化學成分對脫硫效率有重要影響，不同類型的鐵礦石和焦炭可能需要不同的脫硫策略。廢渣或廢水處理對環(huán)境管理至關(guān)重要，因此脫硫副產(chǎn)品的有效處置和再利用策略也是需要考慮的因素[3]。

3 技術(shù)優(yōu)化前后的對比

3.1 優(yōu)化前脫硫工藝的性能和問題

在傳統(tǒng)的脫硫工藝中，盡管已經(jīng)取得了一定的硫去除效果，但仍存在性能以及環(huán)境影響等問題。數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)脫硫方法的脫硫效率通常在70%～90%之間，但受到多種因素的制約，如溫度、原料質(zhì)量和反應時間。在某些情況下，脫硫效率可能不夠高，導致硫殘留在鐵產(chǎn)品中，超出了產(chǎn)品中硫含量的標準，需要額外的處理步驟，增加了生產(chǎn)成本。就成本而言，傳統(tǒng)脫硫方法的運營和維護成本相對較高。以石灰石法為例，數(shù)據(jù)表明，每噸鋼產(chǎn)量可能需要3～5 t 石灰石，這不僅增加了原材料成本，還引發(fā)了廢渣處理的問題。廢渣通常需要在特定場地進行妥善處理，以避免土壤和地下水的污染風險，增加了管理和環(huán)保方面的負擔。此外，傳統(tǒng)脫硫方法產(chǎn)生的硫排放對環(huán)境造成了污染，硫排放會對空氣質(zhì)量和周圍居民的健康產(chǎn)生負面影響。根據(jù)環(huán)保機構(gòu)的數(shù)據(jù)，硫氣排放是大氣污染的主要來源之一，數(shù)據(jù)還顯示，傳統(tǒng)脫硫方法的使用會導致大量資源的浪費。大量的原材料如石灰石用于脫硫，同時產(chǎn)生大量廢渣，不僅浪費了資源，還與可持續(xù)性和資源管理原則相悖。因此，傳統(tǒng)脫硫方法在脫硫效率、成本、環(huán)境影響和副產(chǎn)品管理方面存在一些問題，迫使煉鐵行業(yè)積極研究和實施新興脫硫技術(shù)，以提高工藝的可持續(xù)性。這將有助于改善產(chǎn)品質(zhì)量、減少環(huán)境污染，降低成本，并更好地管理副產(chǎn)品，符合現(xiàn)代工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展目標。傳統(tǒng)脫硫方法和新興脫硫技術(shù)工藝對比如表1 所示。

表1 脫硫工藝對比表

3.2 技術(shù)優(yōu)化措施

新興脫硫技術(shù)如生物脫硫，通?？梢詫崿F(xiàn)超過90% 的脫硫效率，高效吸附劑也能在高溫下實現(xiàn)相似的高脫硫效率。在能耗方面，新興脫硫技術(shù)通常能夠降低能耗，數(shù)據(jù)表明每噸鋼的能耗可從傳統(tǒng)方法的800～1 200 kJ 降至500～800 kJ[3]，這不僅有助于降低生產(chǎn)成本，還能減少能源消耗。新興脫硫技術(shù)的成本通常在每噸鋼15～25 美元范圍內(nèi)，相對于傳統(tǒng)方法的20～30 美元來說更具競爭力。廢渣生成率顯著降低，新興脫硫技術(shù)的廢渣生成率通常在0.1～0.3 t/t 鋼之間，相比傳統(tǒng)方法的0.3～0.5 t/t 鋼，有明顯改進。硫排放也大幅減少，數(shù)據(jù)表明，每噸鋼的硫排放可從傳統(tǒng)方法的1～2 kg 降至新興技術(shù)的0.5～1.0 kg，有助于降低對環(huán)境的不利影響。新興工藝資源利用效率如表2 所示。

表2 新興工藝資源利用表

3.3 優(yōu)化后的脫硫性能與效益

通過提高脫硫效率，硫在鐵產(chǎn)品中的含量大幅下降，脫硫效率可達到92%，這不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量，確保產(chǎn)品滿足質(zhì)量標準，還降低了后續(xù)生產(chǎn)步驟的復雜性。此外，硫氣排放顯著降低，從1.5 kg/t 鋼降至0.8 1.5 kg/t 鋼，這將有助于減輕對大氣環(huán)境的硫污染壓力，同時更符合嚴格的環(huán)保法規(guī)。脫硫效率提高也意味著更多的硫化合物被成功捕獲和回收，硫回收率增至88%，降低了資源浪費，并有望將硫化合物重新應用于其他工藝。脫硫工藝的改進有助于改善環(huán)保和資源利用[4]。廢物處理成本從28 美元/t 鋼降至僅14.5 美元/t 鋼，這是由于更低的廢渣和廢水生成率，使廢物管理更加經(jīng)濟高效。碳排放強度也降低至0.42 kg CO2/kg鋼，有助于減少碳排放，推動煉鐵行業(yè)向更低碳和更環(huán)保的方向發(fā)展。此外，改進的工藝有助于提高資源的利用效率，更多硫化合物得到回收，同時降低了資源浪費，使資源更加可持續(xù)地被利用。綜合而言，通過提高脫硫效率和改善資源利用率，脫硫工藝的優(yōu)化帶來了實實在在的性能和效益改善，有助于實現(xiàn)更可持續(xù)、更具競爭力的高爐煉鐵工藝。

3.4 成本效益分析

能源消耗的顯著降低對生產(chǎn)成本的重要性不言而喻。通過引入新興脫硫技術(shù)和工藝參數(shù)的改進，每噸鋼的能耗降至620 kJ，較優(yōu)化前的1 100 kJ 低了近50%，這不僅減少了電力和燃料的消耗，還減輕了生產(chǎn)過程中的環(huán)境負擔[5]，在具體數(shù)據(jù)中體現(xiàn)在為煉鐵工業(yè)節(jié)省了大量能源成本。通過優(yōu)化的脫硫工藝，副產(chǎn)品的價值增加更為明顯。廢渣的硫含量顯著增加，使其更適合用于其他工業(yè)應用，這不僅減少了廢渣處理成本，還創(chuàng)造了額外的收益來源。例如，廢渣的硫含量提高，每噸廢渣中的硫回收增加到了88%，進一步提高了資源的重復利用程度，減少了廢物管理成本。這些數(shù)據(jù)突顯了副產(chǎn)品在脫硫工藝中的潛在經(jīng)濟價值，因此，脫硫工藝的優(yōu)化通過數(shù)據(jù)支持了成本效益的實際體現(xiàn)。通過降低能源消耗和提高副產(chǎn)品的價值，煉鐵工業(yè)不僅降低了生產(chǎn)成本，還實現(xiàn)了額外的收益，促進了可持續(xù)生產(chǎn)和資源的有效利用，這一綜合分析提供了技術(shù)性的見解，強調(diào)了脫硫工藝的成本效益和經(jīng)濟潛力。成本效益對比如表3 所示。

表3 成本效益對比表

3.5 實際案例分析

通過引入新興脫硫技術(shù)，脫硫效率從優(yōu)化前的75% 提高到了92%，這一技術(shù)利用微生物介導的硫還原反應，允許在相對低溫下高效去除硫化合物。在實驗室和實際應用案例中，觀察到了脫硫效率的顯著提高，硫排放從優(yōu)化前的1.5 kg/t 鋼降至0.8 kg/t 鋼，這些數(shù)據(jù)不僅證明了新興脫硫技術(shù)的可行性，還凸顯了其在硫排放控制中的卓越性能。除了新技術(shù)的引入，工藝參數(shù)和控制策略的改進也為高爐項目帶來了實際好處。通過更精確地控制溫度、壓力和反應時間等參數(shù)，脫硫工藝的效率得到了提高，降低了硫損失率，硫的回收率從65% 增加到了88%。此外，通過對原料特性的詳細管理，實現(xiàn)了工藝的更高穩(wěn)定性，確保了可持續(xù)的脫硫效果，使得高爐項目成為一個成功案例。脫硫效率的提高不僅降低了硫排放，還改善了產(chǎn)品質(zhì)量。能源消耗效率的提高降低了每噸鋼的能耗，從優(yōu)化前的1 100 kJ 降至620 kJ；廢物處理成本減少了一半，從28 美元/t 鋼降至14.5 美元/t 鋼；硫排放減少一半，從1.5 kg/t 鋼降至0.8 kg/t 鋼；副產(chǎn)品的價值增加了30 美元/t 廢渣。

4 結(jié)語

在高爐煉鐵過程中，脫硫工藝的技術(shù)優(yōu)化是一個關(guān)鍵的舉措，帶來了多方面的優(yōu)勢。通過引入新興脫硫技術(shù)和改進工藝參數(shù)，脫硫效率得以顯著提高，硫排放減少，同時硫回收率增加，這不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量，還降低了成本，強化了資源的可持續(xù)利用。在經(jīng)濟層面，能源消耗減少、廢物處理成本下降，硫排放降低，以及廢渣價值的增加，共同構(gòu)成了強大的成本效益。實際案例的成功經(jīng)驗表明，脫硫工藝的技術(shù)優(yōu)化是可行的，并帶來了顯著的效益，這一優(yōu)化不僅滿足了環(huán)保法規(guī)，還提高了競爭力，同時為可持續(xù)發(fā)展和資源管理提供了實際示范。高爐煉鐵行業(yè)朝著更加環(huán)保、經(jīng)濟和資源可持續(xù)的方向發(fā)展。