高炉煤气精脱硫与末端治理工艺路线的

高炉煤气精脱硫与末端治理工艺路线的

浅析

王微1 朱寿川1  路强1

（1攀钢集团攀枝花钢钒有限公司能源环保部（碳管理部），四川攀枝花，617022）

摘要  针对现有国内钢铁企业高炉煤气中的SO2高的问题进行考察、分析、对比并结合实际，分析了前端脱硫与末端治理的利弊，确保高炉煤气后端热风炉及加热炉外排废气实现稳定达标排放。

关键词  高炉煤气  脱硫  末端治理 

作者简介：王微，女，汉，毕业于沈阳工业大学石油化工学院自动化专业，环保高级工程师，攀钢集团攀枝花钢钒有限公司安全环保部（武装保卫部）环保主任工程师。

1 前言

2019年，随着生态环境部等五部委《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》（环大气[2019]35号）的出台，在全国掀起了钢铁企业实施超低排放改造的热潮。高炉煤气精脱硫当时技术并不成熟，各大企业、可研院所都在抓紧实验、研究，若不采取高炉煤气精脱硫，末端用户就必须要进行二氧化硫减排治理，确保高硫煤气的后端用户外排烟气中的二氧化硫达超低排放标准，所以高炉煤气实施精脱硫或末端治理迫在眉睫。

2现状分析

2.1国内现状分析

高炉煤气作为钢铁企业产量最大的可燃气体，其统计产量高达700-800亿立方米/月。现有高炉煤气净化主要是采用布袋除尘器脱除高炉煤气中的颗粒物，后续再经过TRT余压发电后，送往高炉热风炉、轧钢加热炉等用户单元作为燃料使用，既不浪费能源也能实现企业内部能源的循环利用。但是因为原料中还含有硫，在高炉煤气净化过程中往往只是喷碱进行粗脱硫，促使高炉煤气中仍然含有硫等有害物质。由于这些高炉建设较早，建设时只能满足《炼铁工业大气污染物排放标准》（GB 28663-2012），无法稳定达到超低排放要求。

目前国内高炉煤气脱硫的技术路线主要包括源头控制和燃烧后的末端治理两种。源头治理的方法主要有两种：一是通过吸附材料将高炉煤气中H2S、有机硫（COS）进行吸附净化；二是将高炉煤气中的有机硫通过催化水解转化成H2S，然后采用氧化铁填料吸附H2S，最终实现高炉煤气中有机硫和无机硫的脱除。吸附净化工艺造价较高，即可达到700-900元/Nm3·h，用于小气量、高附加值的焦炉煤气行业可行，若用于低热值、大气量的高炉煤气脱硫将给企业带来沉重的经济负担，不被推荐。因此，近几年高炉煤气精脱硫催化水解及末端用户外排烟气二氧化硫治理技术在国内开始开发并应用。截止2023年5月，全国已有82家钢铁企业在中国钢铁工业协会的管网进行超低排放公示，主要集中在宝武钢铁和京津冀地区等国内大型钢铁企业。

2.2高炉煤气脱硫技术分析

2.2.1高炉煤气成分及含量分析

高炉冶炼铁水，是利用焦炭、煤和铁矿石发生还原反应，高炉煤气中的硫也主要是以还原态形势存在。经过色谱取样检测，高炉煤气中的有机硫：羰基硫（COS）、二硫化碳（CS2）占总硫含量的70-80%；无机硫：硫化氢（H2S）占总硫含量的20-30%。因此高炉煤气前端脱硫需要脱除的主要是三类硫化物，即羰基硫、二硫化碳和硫化氢。高炉作为长流程炼钢的主流炼铁装备，在钢铁行业内具有举足轻重的地位，一般情况下，高炉煤气被应用于热风炉、烧结、加热炉、发电等工序，最后烟气中的二氧化硫排放浓度在100-200mg/Nm3，远超生态环境部、发改委、工信部等五部委联合发布的《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》中50mg/Nm3的指标。

2.2.2高炉煤气催化水解工艺的技术分析

高炉煤气中硫的形态有两种：有机硫（COS为主）和无机硫（H2S），这两种形态的硫经燃烧后都将转换为SO2，该工艺先将高炉煤气中的有机硫先转化为H2S，然后对高炉煤气中的H2S进行脱除。该工艺的关键是水解，为保证水解效率，避免水解剂因高炉煤气中的氯中毒，在水解前设置预处理工段，装填脱氯剂有效将高炉煤气中的氯脱除，经水解之后的高炉煤气，采用氧化铁填料吸附H2S，最终实现高炉煤气中有机硫和无机硫的脱除，保证煤气末端燃烧后SO2达标排放。

工艺路线：高炉煤气除尘出口总管 → 高炉煤气预处理及羰基硫水解塔 → 高炉TRT余压发电 → 高炉煤气脱硫塔 →低压高炉煤气总管。

采取两段式处理工艺。前段：煤气自BPRT前引出，经预处理、催化转化，将有机硫转化为无机硫。该段设计采用预处理塔+催化转化塔的串联设计方案。后段：催化转化后的高炉煤气经发电装置后进入脱硫装置（干法脱硫工艺），在脱硫塔内煤气中的硫化氢被脱硫吸附剂吸收，从而达到精脱硫的工艺目标。

羰基硫水解原理:水解催化剂采用专用技术，将高炉煤气中的羰基硫转化为硫化氢。水解催化剂主要是以氧化铝基、氧化钛基及氧化锆基等单一金属氧化物或复合金属氧化物为载体，负载碱金属、碱土金属、过渡金属及稀土等金属氧化物活性组分制备而来的。

水解化学反应式：

CS2+H2O→COS+H2S

COS+H2O→H2S+CO2

无机硫脱硫原理:采用铁系脱硫剂，将硫化氢转化为硫化铁和硫化亚铁，吸附在脱硫剂上，从而达到脱硫目的，饱和后的脱硫剂用于烧结原料。

脱硫化学反应式：

Fe2O3·H2O+3H2S→Fe2S3·H2O+3H20

Fe(OH)3+H2S→Fe2S3+H2Q

Fe(OH)2+H2S→FeS+H2O

因高温有利于水解反应，低温有利于氧化铁吸附，所以预处理及水解环节放置在TRT之前，氧化铁吸附工段放置在TRT之后。

2.2.3高炉煤气用户末端治理的技术分析

钠基干法脱硫（又称小苏打干法脱硫，简称SDS），是一种以小苏打（碳酸氢钠）作为脱硫剂的烟气脱硫工艺的简称。首先通过喷入研磨超细的小苏打脱除烟气中的二氧化硫，再经过布袋除尘器脱除烟气中的粉尘及副产物，处理后的烟气经过烟囱达超低排放后外排。

脱硫机理：研磨后的小苏打在温度大于140℃的环境下，碳酸氢钠会分解生成碳酸钠、水和二氧化碳，碳酸钠表面有很多小孔，好似爆米花被爆开，局域更大的晶界作用区，具有高度的反应活性，这样通过化学吸附可以脱除烟气中的酸性污染物，通过物理吸附脱除一些有机的和无机的微量物资。

系统组成：钠基脱硫系统主要包括烟气系统，小苏打贮存系统、研磨系统和供给系统，小苏打喷射系统、SDS脱硫反应系统，布袋除尘系统，除尘灰（脱硫副产物）收集及贮存系统等。

关键技术指标及工艺系统：SDS干法脱硫需要的烟气温度要大于140℃，布袋的温度又不宜超过260℃，要合理控制温度。脱硫剂小苏打是由电动葫芦送至小苏打存储仓顶部，仓顶部设有开袋器将粗颗粒小苏打倒入小苏打存储仓内。仓内的粗颗粒小苏打通过存储仓底部的螺旋给料机定量的将粗颗粒小苏打送至小苏打磨机，将小苏打研磨成细颗粒后经过，磨机配套的风机送至SDS脱硫反应器入口烟道处。通过监测到的SDS脱硫反应系统进出口二氧化硫浓度值，自动调整螺旋给料机的送料量和风机的送风量，从而精准控制烟气中的二氧化硫的浓度波动范围。研磨机配套的风机将研磨后的细小苏打送至脱硫反应器入口烟道处，送料主管在进入烟道前分成管径相同的若干支管，通过支管将细小苏打均匀地喷射到入口烟道内，支管在烟道内的喷射方向与烟气方向相同，烟气流速与主烟道流速大致相同。为了保证脱硫效果和降低运行阻力，烟气在脱硫反应器内的停留时间应大于2S,阻力应控制在300Pa以内。

副产物：钠基脱硫副产物（脱硫灰）经过皮带机将其集中后采用半自动打包机打包后外运。

4 建设成本对比分析

高炉煤气前端脱硫较末端治理建设费用高、运行费用高，但是结合碳排放、碳中和考虑，前端治理更有利。高炉煤气，末端用户逐一进行脱硫治理，设备套数较多，但工艺成熟，可靠性高，建设运维成本低，且副产物易于处理。

根据这两种工艺路线的实际运行情况，对比如表1所示。

表1 两种工艺路线对比

结合超低排放要求，若想通过中国钢铁工业协会超低排放公示，则必须经高炉煤气精脱硫或对末端用户进行治理。通过对两种不同工艺的投资、运行成本、装置数量等进行了全面比较，高炉煤气催化水解脱硫和末端用户采用钠基固定床脱硫工艺各有优缺点。高炉煤气催化水解脱硫设置比较集中，建设装置较少，但是建设和运行费用均较高，且工艺应用案例的时间均较短，属于新工艺；高炉煤气末端用户钠基干法脱硫治理技术成熟可靠、建设和运行成本均较低，只是建设套数较多，较为分散，不便于管理。

综合考虑，选择高炉煤气末端钠基干法脱硫技术。

4 工艺效果

经过对比分析，无论是高炉煤气前端催化水解脱硫还是末端用户分散治理，脱硫后，轧钢加热炉、高炉热风炉等高炉煤气末端用户外排烟气中的SO2浓度均小于50mg/m3，稳定达标外排，详见表2。

表2 两种脱硫效果对比表（mg/m3）

5结论

通过对高炉煤气实施前端脱硫与末端用户分别治理的技术研究、对比、实施，得出了以下结论：

（1）高炉煤气催化水解工艺、末端用户钠基干法脱硫两种工艺路线都是可行的，主要是建设和运行成本差异较大；

（2）为其他钢铁企业的高炉煤气精脱硫选择打下坚实基础，从工艺选择、成本对比等多方面提供技术支撑；

（3）污染物排放指标达超低排放要求，为钢铁企业实现超低排放公示提供技术支撑；

（4）降低环保风险，为公司解除后顾之忧。

参考文献

[1] 孙瑞军.高炉煤气脱硫新技术研究[D].北京:北京化工大学，2020.

[2]董艳萍.焦炉烟道气脱硫脱硝现状和工艺路线探讨[J].物流工程与技术.2016(7):97-98.

王微简介：

从事环保工作以来参与了高炉、烧结、焦化及轧钢工序实施的40余项环保重点项目建设，熟练掌握国家环保法律法规及有关政策，善于提炼总结，现已成长为钢铁企业超低排放改造评估监测进展公示审核专家、四川省环境应急专家、中国钢铁工业协会环保统计专家、攀枝花生态环境技术服务专家，并多次参加国家/省级环保项目、钢铁企业超低排放公示及应急预案的评审。