高炉热风炉烟气脱硫超低排放改造方案分析

杨凡

（马鞍山钢铁股份有限公司，安徽马鞍山 243000）

大气中SO2、NOx和颗粒物等严重污染了人们赖以生存的环境，危害人类身心健康，并影响到生产和生活的可持续发展。根据《中华人民共和国大气污染防治法》（2018 版）要求，钢铁、建材、有色金属、石油、化工等企业生产过程中排放粉尘、硫化物和氮氧化物的，应当采用清洁生产工艺，配套建设除尘、脱硫、脱硝等装置，或者采取技术改造等其他控制大气污染物排放的措施。某钢厂两套热风炉烟气均没有烟气脱硫设施，目前烟气中NOx浓度低于超低排放要求，SO2浓度无法达到超低排放标准。为了保证企业的正常生产，树立良好的企业形象，高炉热风炉须增设烟气脱硫系统。针对该项目，拟通过采取固定床脱硫技术，使热风炉烟气治理后达到《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》中的限值要求（SO2＜50 mg/m3）。

1.1 热风炉概况

1#高炉配备3座顶燃式热风炉并预留第四座热风炉位置，热风炉燃料采用高炉煤气（预留转炉煤气接口），采用2 燃烧1 送风模式，高炉正常运行情况下，两座热风炉同时进行燃烧，同时燃烧时的烟气量为400 000 m3/h；
根据高炉工作机制，热风炉也存在1 烧1 送或全部停烧的情况。高炉休风前热风炉两座燃烧炉根据管网煤气压力逐步停止燃烧直至全部停烧，在此过程热风炉废气风量逐渐降低；
高炉重新工作前，3 座热风炉提前约4 h 依次燃烧预热，完毕后执行正常2烧1送机制。

2#高炉配置4座外燃式热风炉。采用定风量交错并联的送风制度，正常情况下采用2 烧2 送制度，少数热风炉检修工况采用2 烧1 送制度。高炉休风前热风炉两座燃烧炉根据管网煤气压力逐步停止燃烧直至全部停烧，在此过程热风炉废气风量逐渐降低；
高炉重新工作前，4 座热风炉提前约4 h 依次燃烧预热，完毕后执行正常2烧2送机制。

1.2 热风炉烟气概况

正常运行中热风炉烟气经空气预热器、煤气预热器后温度约150 ℃以上，其中一部分烟气送至喷煤系统其余至烟囱排放，期间烟气未经净化处理，存在污染物超标风险。热风炉烟气依靠热风炉烟囱提供的吸力克服管路阻力，未设置风机。在空气、煤气预热器旁，设置了旁路烟管，预热器检修或故障时，烟气可直接通过旁路烟道至烟囱排放，检修时排放的烟气温度最高可达350 ℃。热风炉烟气具体参数详见表1。

表1 热风炉烟气技术参数

2.1 脱硫工艺比选原则

该工程结合高炉热风炉实际运行情况和现场场地条件等因素，按照以下原则选择脱硫工艺。

（1）SO2排放浓度和排放量必须满足国家超低排放要求；

（2）脱硫工艺应成熟、可靠，装置需要满足各种工况条件；

（3）脱硫剂要有稳定可靠的来源，副产物可以综合利用；

（4）综合比选投资、运行费用、运行情况等指标，考虑工艺运行情况（阻力）、稳定性以及后续喷煤工段再利用的可行性；

（5）对现有机组的改造项目少，对运行条件改变少。

2.2 各种脱硫工艺简述分析

目前国内高炉热风炉可供选择的脱硫技术主要有：钙基固定床脱硫（干法）、石灰石-石膏法脱硫（湿法）、密相干塔半干法脱硫除尘一体化技术（半干法）、SDS 脱硫工艺（半干法）、冶金废水工艺（湿法）等［1］。

2.2.1 固定床脱硫工艺

固定床工艺是脱硫吸收剂通过人工打开吨袋，使吸收剂自动通过仓顶的进料口充填在吸收塔内。来自热风炉的烟气进入吸收塔后穿过吸收剂，吸收剂中的活性物质与SO2发生化学反应，脱除掉SO2。净化后的烟气通过引风机进入烟囱排放［2］。脱硫过程主要化学反应如下：

吸收剂由吸收塔底部排出，此时上部存留的新鲜吸收剂补充至仓室内。反应后产物通过塔底吸收剂排出阀排出。粉尘随着烟气进入料床，逐渐留在了床层中，在卸料时与饱和的吸收剂一起被清出塔外，达到拦截粉尘的效果。其工艺流程如图1所示。

图1 固定床工艺流程图

该技术优点：

（1）设备简单，控制简单。特别是固定床干法脱硫系统，能够自身适应SO2浓度的变化；

（2）适用温度范围广，能够在高中低温区（60-380℃）直接进入脱硫系统；

（3）系统构成简单，占地面积小，系统温降小。

该技术缺点：颗粒物控制手段欠缺，床层阻力可能存在突增的情况。

2.2.2 密相干塔半干法脱硫除尘一体化技术

密相干塔法技术烟气入口在脱硫塔中下部，经过加水消化后的含有较多活性Ca（OH）2组分的循环灰经给料机和喷射器后，投入脱硫塔参与脱硫反应［3］。

携带脱硫剂的烟气在脱硫塔内向上流动，在运动过程中消石灰与水、SO2进行系列反应，生成CaSO3和CaSO4等副产物。反应后的脱硫灰随烟气进入布袋除尘器，经布袋除尘器捕捉，沉积在除尘器底部的灰斗内。除尘器灰斗下部设有出料口，直接进入螺旋输送机、加湿装置。在除尘器灰斗出料口安装变频给料装置，以控制进入脱硫塔的循环脱硫灰量。

图2 密相干塔半干法脱硫除尘一体化技术工艺流程

技术优点：工艺成熟，适用热风炉工况条件。

技术缺点：

（1）系统设有制浆系统、副产物回用系统等，工艺流程较复杂，对设备维护要求较高；

（2）工艺设备较多，占地面积较大。

2.2.3 SDS钙基脱硫工艺

SDS钙基脱硫工艺技术原理是在特定的温度范围内（粉剂脱硫30～350 ℃），脱硫剂中的有效组分和烟气中的SO2和SO3进行气固反应，达到脱硫目的［4］。反应原理如下：

CEFTIN口服悬液用于治疗由肺炎链球菌或流感嗜血杆菌（仅不产β‐内酰胺酶的）敏感株引起的3个月至12岁儿童患者轻度至中度急性上颌窦炎。

钙基高活性粉剂脱硫剂定期由罐车密闭输送至脱硫剂料仓，每台高炉热风炉设置1 台脱硫剂料仓。脱硫剂料仓中的脱硫剂通过旋转给料器和输送风机输送至烟道内，与烟气以高传质的速度混合反应，脱除烟气中的SO2。布袋除尘器过滤收集的粉尘经气力输送至废剂料仓，每台高炉热风炉设置1 台灰仓。灰仓的脱硫灰可通过吸罐车定期排出。旋转给料机采用变频控制，可以根据SO2排放浓度，在线调节高活性钙基粉状脱硫剂的用量，以确保烟气达到排放标准要求。整个工艺过程中，脱硫剂均在密闭环境中使用，罐车输送至脱硫剂料仓，从料仓通过气力输送至烟气管道，脱硫灰再通过密闭系统输送至废剂料仓。可以实现系统低能耗运行，操作环境清洁，自动化程度高。其工艺流程如图3所示。

图3 SDS钙基脱硫工艺流程

技术优点：

（1）与SDS 钠基技术对比，脱硫剂适用温度宽泛，现场无需设置研磨系统；

（2）脱硫产物属于钙基一般固废，有利于进行资源化合规处理。

技术缺点：烟温无法控制，配套除尘器需要使用耐高温滤袋，前端换热器出现故障后，容易造成系统问题。

2.2.4 SDS钠基脱硫工艺

SDS 钠基脱硫工艺是将碳酸氢钠粉（20～25 μm）均匀喷射在管道内，脱硫剂在管道内被热激活，比表面积迅速增大，与酸性烟气充分接触，发生物理、化学反应，烟气中的SO2等酸性物质被吸收净化。脱硫后的烟气携带粉状副产物，进入袋式除尘器经过滤后达标排放。该工艺采用碳酸氢钠（碳酸氢钠）为脱硫剂，包含两个化学反应过程：受热分解激活和吸收二氧化硫。热激活过程：碳酸氢钠与热烟气接触，快速转换成碳酸钠，从而获得大的比表面积及多孔性物质。碳酸氢钠经激活转化成多孔性“活性碳化物”，可提高二氧化硫与碳酸氢钠的接触面积，加快化学反应速度，快速中和SO2等酸性气体同时。其工艺流程如图4所示。

图4 SDS钠基脱硫工艺流程图

吸收二氧化硫的反应机理如下：

技术优点：技术成熟，碳酸氢钠喷入管道是干态物质，因此为全干系统、无需用水，无废水产生。

技术缺点：

（1）对脱硫剂碳酸氢钠品质要求高，系统需设置超细粒径磨机且，低于160 ℃或250 ℃是脱硫剂活性无法满足要求；

（2）脱硫副产物为Na2SO4、Na2SO3、Na2CO3干粉混合物，目前产物没有较好的运用前景，且有作为危废的可能，处置难度大。

2.3 各种脱硫工艺比选

2.3.1 业绩对比

表2 列举了以上4 种脱硫工艺在钢铁行业高炉热风炉中的业绩。

表2 各脱硫工艺高炉热风炉业绩表

2.3.2 综合对比

表3从脱硫剂组份、价格、副产物、系统阻损、温降、占地面积、运行费用等方面对以上4种脱硫工艺进行了全面对比。

表3 各脱硫工艺全面分析

综上所述，鉴于某钢厂高炉入口烟气SO2浓度不高但要求末端排烟温度满足喷煤系统，建设场地紧张，取气和回气管道布置难度大，要求系统设备和流程尽量简化。综合对比各工艺对热风炉工况的适应性、工艺成熟性及业绩、场地布置情况，投资及运行成本。该项目最终采用固定床脱硫工艺进行超低排放改造，目前项目正在建设中，预计在2022 年9 月投产，建成投产后热风炉烟气可以满足钢铁企业超低排放指标限值要求。