高爐在長流程鋼鐵生產(chǎn)工藝中具有重要的地位，生產(chǎn)每噸鐵水副產(chǎn)1600立方米~2000立方米的高爐煤氣，熱值700大卡/立方米~800大卡/立方米，煤氣中含有一氧化碳、二氧化碳、氮氣、氫氣等組分，同時伴有塵、硫等污染物。一般情況下，高爐煤氣通過重力除塵和布袋除塵后，被應用于熱風爐、燒結、加熱爐、發(fā)電等工序，最后排放到大氣中，煙氣中的二氧化硫排放濃度為100毫克/立方米~200毫克/立方米。
2019年，生態(tài)環(huán)境部、發(fā)改委、工信部等五部委聯(lián)合發(fā)布了《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，對鋼鐵行業(yè)超低排放指標提出了要求。具體來看，燒結機機頭、球團焙燒煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度小時均值分別不高于10毫克/立方米、35毫克/立方米、50毫克/立方米；其他主要污染源顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度小時均值原則上分別不高于10毫克/立方米、50毫克/立方米、200毫克/立方米，達到超低排放的鋼鐵企業(yè)每月至少95%以上時段小時均值排放濃度滿足上述指標。
“目前，高爐煤氣利用后的二氧化硫排放濃度為100毫克/立方米~200毫克/立方米，遠高于超低排放指標要求的35毫克/立方米、50毫克/立方米，高爐煤氣的利用需要進行脫硫處理。”不久前，北京北大先鋒科技股份有限公司有關專家在介紹高爐煤氣脫硫技術發(fā)展時，對《中國冶金報》記者強調(diào)了此項工作的重要性。
選擇前端脫硫還是末端脫硫
據(jù)介紹，高爐煤氣的脫硫處理可以分為前端脫硫和末端脫硫，主要區(qū)別在于處理的硫形態(tài)和處理的氣量不同。
前端脫硫的特點：
高爐冶煉鐵水，是利用焦炭、煤和鐵礦石發(fā)生還原反應，產(chǎn)生的高爐煤氣中的硫主要是以還原態(tài)形式存在。經(jīng)過色譜取樣檢測，高爐煤氣中的有機硫：羰基硫（COS）、二硫化碳（CS2）占總硫含量的70%~80%；無機硫：硫化氫（H2S）占總硫含量的20%~30%。因此，高爐煤氣前端脫硫需要脫除的是上述三類硫化物，即羰基硫、二硫化碳和硫化氫。
前端脫硫所處理的氣量為高爐實際產(chǎn)生的氣量，以1080立方米高爐為例，每小時產(chǎn)生的高爐煤氣量為24萬立方米~28萬立方米，因為在用氣點之前集中處理，所以只需要建設一套脫硫裝置。
末端脫硫的特點：
高爐煤氣利用在熱風爐、燒結、加熱爐等用氣點，是利用煤氣自身700大卡/立方米~800大卡/立方米的熱值，煤氣中存在熱值的組分主要是一氧化碳（20%~25%）、氫氣（1%）。一氧化碳、氫氣和空氣中的氧氣發(fā)生燃燒氧化反應的同時，煤氣中的羰基硫、二硫化碳和硫化氫也與氧氣反應生成二氧化硫。因此，高爐煤氣末端脫硫需要脫除的是末端生成物二氧化硫。
末端脫硫所處理的氣量除高爐實際產(chǎn)生的煤氣量外，增加了配入空氣的量。以1080立方米高爐為例，每小時需要處理的氣量為38萬立方米（高爐煤氣量按26萬立方米/小時、一氧化碳和氫氣含量按25%計算，配入空氣量約為15.5萬立方米/小時、空氣中氧含量按21%計算）。相比前端處理，需要處理氣量增加了50%，同時由于用氣點分散，末端脫硫需要針對每個用氣點都建設脫硫裝置。
相關脫硫技術分析對比
隨著各地積極推動實施鋼鐵行業(yè)超低排放，與高爐煤氣脫硫有關的各類需求近期受到關注。前端脫硫主要分為干法和濕法；末端脫硫因和其他工業(yè)煙氣工況類似，可利用傳統(tǒng)的石灰石膏法、鎂法、氨法等脫硫工藝。
前端干法脫硫：
前端干法脫硫技術借鑒化工行業(yè)的脫硫工藝，先將有機硫通過水解（利用高爐煤氣自身水分，不補水）變換為無機硫，再利用干法脫硫劑將無機硫進行脫除。
具體工藝路線：高爐煤氣從爐頂出來，先經(jīng)過重力除塵和布袋除塵裝置，將其中的塵含量降到10毫克/立方米以下，接著進入透平發(fā)電裝置（TRT），利用煤氣壓力和溫度發(fā)電，再通過水解轉化裝置，將羰基硫和二硫化碳轉換為硫化氫，然后進入脫硫裝置，利用干法脫硫劑將煤氣中的硫化氫脫除，最后進入各個用氣點進行利用。經(jīng)過脫硫后，各個用氣點排放的煙氣中的二氧化硫濃度達到超低排放要求。
前端干法脫硫的優(yōu)點如下：一是不影響TRT發(fā)電，水解、脫硫工藝全部放在TRT之后；二是無廢液產(chǎn)生；三是脫硫精度高，總硫含量小于500毫克/立方米，更適合干法；四是當煤氣中硫含量波動時，無需額外操作；五是無人值守，固定床工藝，只需巡檢；六是運行時間長，水解劑、脫硫劑使用壽命大于一年；七是環(huán)保閉環(huán)，置換下來的水解劑、脫硫劑可二次利用；八是產(chǎn)業(yè)化應用成效顯著，前端干法脫硫工藝目前已有連續(xù)7年穩(wěn)定運行的成功案例，其他同類工藝還沒有運行超過一年的業(yè)績。
前端干法脫硫的不足是相比前端濕法脫硫占地面積較大，但比末端脫硫占地面積小。
前端濕法脫硫：
由于高爐煤氣中的有機硫直接脫除困難，前端濕法脫硫也需要先將有機硫轉化為無機硫，再利用噴淋塔將無機硫脫除。
具體工藝路線：高爐煤氣從爐頂出來，先經(jīng)過重力除塵和布袋除塵裝置，將其中的塵含量降到10毫克/立方米以下，接著進入水解轉化裝置，將有機硫轉換為無機硫，再通過透平發(fā)電裝置（TRT），然后進入脫硫裝置，利用噴淋塔噴堿液（20%氫氧化鈉溶液）將煤氣中的硫化氫脫除，最后進入各個用氣點進行利用。
前端濕法脫硫的優(yōu)點是占地面積較小。
前端濕法脫硫的不足如下：一是水解放在TRT前，壓力和溫度的損失影響TRT發(fā)電；二是產(chǎn)生大量廢液；三是脫硫精度較低，總硫含量大于1000毫克/立方米，更適合濕法；四是當煤氣中硫含量波動時，需要人工調(diào)整堿液用量；五是目前沒有長期穩(wěn)定運行案例。
另外，前端濕法脫硫尚存在3個需要解決的問題：
一是高爐煤氣中二氧化碳含量為15%~20%、硫含量為100毫克/立方米~200毫克/立方米，二氧化碳和硫化氫遇到氫氧化鈉溶液都會發(fā)生反應，生成碳酸鈉和硫化鈉，二氧化碳濃度為硫化氫的數(shù)千倍，若要滿足硫化氫與噴堿液充分反應，對于噴堿液的量需要做過量計算。
二是高爐煤氣中的硫通過水解后變?yōu)榱蚧瘹洌偻ㄟ^和堿液反應生成硫化鈉廢液，硫化鈉溶液和空氣中氧反應生成硫代硫酸鈉溶液，一般情況下，會作為高爐沖渣水使用；而高爐渣的溫度大于1400攝氏度，硫代硫酸鈉溶液在高溫條件下又會分解為二氧化硫，可能會在沖渣水現(xiàn)場無序排放，需要采取有效措施。
三是高爐煤氣濕法脫硫后產(chǎn)物為碳酸鈉和硫化鈉，雖然大多數(shù)都融入廢液中，但仍有少部分存在于高爐煤氣中，后段用氣點隨著煤氣壓力和溫度的降低，會導致碳酸鈉、硫化鈉結晶，容易堵塞閥門，需要采取措施預防結晶。
末端脫硫：
末端脫除二氧化硫的技術（如石灰石膏法、鎂法、氨法等）已經(jīng)廣泛應用于鋼鐵、電力、有色等行業(yè)，相關技術介紹較多。
末端脫硫與前端脫硫相比，不足如下：一是脫硫裝置套數(shù)多。因高爐煤氣用氣點多（5個~10個），每個用氣點都需要配置。二是投資大，相對前端脫硫需要建設更多套裝置。三是占地面積大，套數(shù)多且處理氣量比前端脫硫多50%。四是維護工作量大。五是占用人工多。另外，目前鋼鐵企業(yè)內(nèi)部用地都比較緊張，如果再在每個用氣點都增設脫硫裝置，實際操作性較差。
前端干法脫硫值得關注
據(jù)介紹，2012年，湖南華菱衡鋼采用北京北大先鋒科技股份有限公司的鋼廠煤氣資源化利用技術，建設了一套高爐煤氣提升熱值裝置，高爐煤氣處理量為67000立方米/小時，熱值從700大卡/立方米提升到了2100大卡/立方米，用做軋鋼加熱爐的燃料氣體。在提升熱值的工藝中，利用變壓吸附（PSA）工藝把高爐煤氣中的一氧化碳濃度從21%提純到70%，PSA提純一氧化碳設備對高爐煤氣中的硫含量有嚴格的要求，總硫含量必須在0.1ppm以下。為此，北大先鋒在當時建成了國內(nèi)第一套高爐煤氣前端干法脫硫裝置，以滿足后續(xù)PSA工藝對總硫含量的嚴格要求。
該項目中，高爐煤氣通過除塵凈化后先經(jīng)過水解塔，將煤氣中的有機硫轉化為無機硫，之后將煤氣降溫通過脫硫塔，將無機硫氧化為硫單質(zhì)達到脫硫的目的，經(jīng)過脫硫后的高爐煤氣直接進入PSA提純一氧化碳工序。數(shù)據(jù)顯示，包括前端干法脫硫在內(nèi)的整套PSA分離一氧化碳設備自2013年開車運行以來，一直連續(xù)、穩(wěn)定運行。
據(jù)了解，高爐煤氣脫硫是近年興起的市場需求。加快上馬高爐煤氣精脫硫設備，一方面是為了響應“超低排放”的環(huán)保政策，另一方面也有助于鋼鐵企業(yè)綠色生產(chǎn)。就脫硫位置劃分為前端脫硫和末端脫硫，前端脫硫?qū)儆谙鄬?chuàng)新型的脫硫技術，末端脫硫?qū)儆谙鄬鹘y(tǒng)型的脫硫技術。通過對投資、占地、運行等方面的比較，前端脫硫比末端脫硫更具有優(yōu)勢。尤其是面對現(xiàn)有鋼鐵企業(yè)內(nèi)部用地緊張的現(xiàn)實狀況，高爐煤氣用氣點一般都在5個~10個，在每個用氣點旁邊都建設一套末端脫硫裝置存在較大困難，高爐煤氣選用前端脫硫技術更具有實際操作性。目前，前端濕法脫硫存在堿液用量過量、沖渣水現(xiàn)場硫排放和硫化鈉結晶等問題，且尚沒有穩(wěn)定運行一年以上的工業(yè)案例。高爐煤氣脫硫選用前端干法脫硫更具有經(jīng)濟性、可靠性，是目前高爐煤氣脫硫項目中穩(wěn)定性和可行性最優(yōu)的工藝路線，值得關注。
