高炉热风炉烟气脱硫工艺选择.pdf

2024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER高炉热风炉烟气脱硫工艺选择夏登松（上海梅山工业民用工程设计研究院有限公司，江苏南京 210041）【摘要】阐述了高炉热风炉烟气排放的特点，对水泥、电力、钢铁等行业中几种常用的烟气脱硫工艺进行简要介绍。通过对比分析，认为钙基固定床烟气脱硫工艺更适用于烟气波动大、SO2浓度低的热风炉烟气，为其他钢铁厂的高炉热风炉烟气脱硫工艺选择提供借鉴。【关键词】高炉热风炉烟气；湿法脱硫；干法脱硫；钙基固定床脱硫【中图分类号】X757 【文献标志码】B【文章编号】1006-6764（2024）02-0097-05 【开放科学（资源服务）标识码（OSID）】Selection of Flue Gas Desulphurization Process for Blast FurnaceXIA Dengsong(Shanghai Meishan Industrial Civil Engineering Design Research Institute Co.,Ltd.,Nanjing,Jiangsu 210041,China)【Abstract】The characteristics of flue gas emissions from blast furnaces are described,and several commonly used flue gas desulphurization(FGD)processes in the cement,power,and iron and steel industries are briefly introduced.Through comparative analysis,it is believed that calcium-based fixed-bed flue gas desulfurization process is more suitable for blast furnace flue gas with large fluctuation of flue gas and low SO2 concentration,which provides reference for the selection of flue gas desulfurization process for blast furnace flue gas in other iron and steel plants.【Keywords】blast furnace flue gas;wet desulfurization;dry desulfurization;calcium-based fixed-bed desulfurization1 概述热风炉燃烧后排放的烟气污染物主要含粉尘和SO2，会对环境造成严重污染。根据国家五部委联合印发的 关于推进实施钢铁行业超低排放的意见（环大气 2019 35号）要求，重点区域的高炉热风炉烟气排放应满足该文件附表2中“钢铁企业超低排放指标限值”的相关要求，即 SO2浓度50 mg/m3。为使热风炉烟气中SO2的排放浓度满足超低排放要求，就必须对高炉热风炉烟气进行脱硫、净化处理。根据处理过程是否有水参与、吸收剂或吸附剂的形态及脱硫产物的干湿状态区分，烟气脱硫工艺一般可分为湿法、半干法和干法。每种烟气脱硫工艺都具有各自的特点，适用于不同的工况条件。2 高炉热风炉烟气特点高炉热风炉烟气中的SO2主要是由高炉热风炉含硫燃料燃烧后产生的。在正常炼铁工艺中，每座高炉均会配套几座热风炉，以保证持续不断的将 1 000 以上的高温热风送至高炉。根据热风炉运行个数的不同，运行模式有“两烧一送”“两烧两送”（交叉并联送风）等，在热风炉切换过程中高炉热风炉烟气量也将进行相应改变。1以广东某炼铁厂1座公称容积为5 050 m3高炉为例，该高炉配备4座顶燃式热风炉及2座前置炉，热风炉燃料采用高炉煤气，采用“两烧两送”运行模式2。由于高炉热风炉直接排出的烟气存在大量余热，为节约能源、增加余热回收效率，热风炉烟气一般需先进入换热器进行换热，再通过烟囱外排。热风炉烟气温度正常情况下在130160 内波动；如单个换热器出现故障，则烟气温度在200260 内波动；如换热器均不工作或烟气通过旁通烟道外排至烟囱，则烟气温度在300350 内波动。正常工况时，单座热风炉高炉煤气用量为 972024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER1316 万 m3/h，空燃比 0.70.8，换炉周期为 35 min，每次换炉用时7 min，每次换炉过程中烟气量会出现相应波动，高炉煤气成分参数见表1。正常运行时，热风炉系统外排烟气量约在5055 万m3/h范围内波动；烟气中SO2浓度在70120 mg/m3范围内波动，峰值为 120 mg/m3；NOX浓度在 1020 mg/m3范围内波动，具体烟气排放参数见表2。结合高炉热风炉的运行模式及实际工作状况，高炉热风炉烟气具有以下特点：SO2浓度低，烟气量大且波动频繁，烟气中NOX含量低，不需要进行脱硝。3 国内外烟气SO2治理工艺现状全国工业行业中，钢铁工业SO2排放量占工业排放总量的8%以上，仅次于火电行业，居全国第二位3。根据水泥、电力、钢铁等行业脱硫业绩，目前国内外烟气脱硫工艺主要有活性炭法脱硫（干法工艺）、钙基固定床脱硫（干法工艺）、石灰/石灰石-石膏法脱硫（湿法工艺）、氨-硫铵法脱硫（湿法工艺）、循环流化床法脱硫（CFB、半干法工艺）、小苏打干法脱硫（SDS、干法工艺）6种。3.1 活性炭法脱硫（干法）该工艺是利用具有吸附性能的活性炭对烟气中的SO2进行选择性吸附，吸附态的SO2被氧气和水蒸汽氧化成H2SO4后储存在活性炭孔隙内。活性炭加热后发生再生反应，该反应相当于对活性炭进行再次活化，以实现循环使用。但该工艺存在易出现局部热点、加热再生系统复杂、一次性投资成本高等不足。吸附反应：2SO2+O2+2H2O2H2SO4解吸反应：2H2SO4+C2SO2+CO2+2H2O3.2 钙基固定床脱硫（干法）该工艺采用钙基氧化催化剂把烟气中的SO2先氧化成为SO3，然后被CaOH吸收生成CaSO4，工艺流程图见图1。该工艺优点为：（1）流程简单，操作方便；（2）钙基脱硫剂对短时间内烟气量的波动不敏感，对温度的适用性强；（3）不产生废水；（4）模块化设计，脱硫剂料层的高度可以灵活调节，占地面积小；（5）吸附SO2后的饱和脱硫剂能拦截烟气中的部分粉尘，使粉尘在脱硫装置内被截取，达到烟气深度除尘的效果。由于钙基脱硫剂自身硫容限制，脱硫剂没办法吸收大量的SO2，该工艺只能用于低浓度的SO2烟气脱硫，如频繁更换钙基脱硫剂，脱硫装置运行成本会增高。主要反应原理：2SO2+O22SO3SO3+Ca（OH）2CaSO4+H2O3.3 石灰/石灰石-石膏法脱硫（湿法）该工艺是采用石灰石（CaCO3）作为脱硫剂，石灰石经研磨机磨成粉状颗粒物后与水混合制成脱硫吸收浆液4。在脱硫吸收塔内，吸收浆液与含硫烟气接触混合，烟气中的SO2与浆液中CaCO3及鼓入的空气进行氧化还原反应，反应产物为石膏，石膏浆液经脱水后回收，工艺流程图见图2。该工艺应表1 正常工况下高炉煤气成分参数表项目粉尘浓度/(mg/m3)CO含量/%CO2含量/%H2含量/%N2含量/%H2S浓度/(mg/m3)羟基硫浓度/(mg/m3)参数792025152025525810204060表2 正常工况下高炉热风炉烟气排放参数表项目烟气量/(万m3/h)温度/SO2浓度/（mg/m3）NOx浓度/（mg/m3）粉尘浓度/（mg/m3）CO含量/%O2含量/%参数50551301607012010200.503图1 高炉热风炉烟气钙基固定床脱硫工艺流程用业绩最多，其优点是工艺技术路线成熟、可靠；脱硫效率一般大于 95%，比其他工艺高；钙硫比约1.05。但该工艺缺点是生产过程中容易造成石膏过饱和、严重的石膏结垢问题，导致管道堵塞和设备腐蚀严重；湿法工艺，容易产生水污染；脱硫过程中会产生大量的石膏，石膏利用价值不高，存在二次污染；脱硫后的烟气夹带细小液滴，易腐蚀烟道和烟囱，排出的烟气存在“白羽”现象。主要反应原理：SO2+H2OH2SO3H2SO3+CaCO3CaSO3+CO2+H2O2CaSO3+4H2O+O22CaSO42H2O3.4 氨-硫铵法脱硫（湿法）该工艺是利用氨水（氨水由尿素溶液制备）作为脱硫剂，对烟气中的SO2进行吸收、去除的一种技术，副产物为硫酸铵。该脱硫方法脱硫效率高，硫酸铵可以作为化肥使用。但该工艺需要采用氨水作为脱硫吸收剂，由于氨气存在泄漏风险，易造成大气污染，同时，副产物硫酸铵的品质受烟气硫含量影响，如果烟气硫含量低，硫酸铵纯度将难以达到标准要求。该工艺属于湿法工艺，易产生腐蚀，因此设备选材要求高。硫酸铵后续处理系统流程长、设备多、蒸汽消耗量大、排烟温度低，易产生凝结水，因此，烟囱需考虑防腐。主要反应原理：SO2+H2O+2NH3（NH4）2SO32（NH4）2SO3+O22（NH4）2SO43.5 循环流化床法脱硫（CFB、半干法）该工艺原理为高温烟气从循环流化床底部进入脱硫塔，在流化床底部与循环脱硫灰、吸收剂预混合，进行初步脱硫。然后高温烟气通过循环流化床下部的文丘里管或布风板时流速加快，进入循环流化床床体，循环流化床里的吸收剂与烟气中的SO2发生反应，烟气被净化。净化后的含尘烟气从循环流化床顶部进入除尘器，再通过增压风机由烟囱排出。经除尘器净化处理后产生的固体颗粒物，通过脱硫灰再循环系统，返回循环流化床。该工艺的优点是工艺流程短，用水量少；脱硫过程无废水产生；脱硫废渣为固体，易于运输。该工艺缺点也较为明显。（1）布置需要整幅地块，设备布置会受到占地面积的限制。（2）流化床的形成必须以一定的烟气流速来保证，只有在一定的烟气流速条件下才能达到良好的脱硫效果，烟气截面流速过低会导致塌床，因此，该工艺不适合烟气量波动幅度大的工况。（3）副产物利用途径有限。（4）需要增加除尘装置，在处理较大烟气量的工况时投资较高。主要反应原理：SO2+Ca（OH）2+H2OCaSO3+2H2O图2 典型的石灰石/石灰-石膏湿法烟气脱硫工艺流程5982024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER用业绩最多，其优点是工艺技术路线成熟、可靠；脱硫效率一般大于 95%，比其他工艺高；钙硫比约1.05。但该工艺缺点是生产过程中容易造成石膏过饱和、严重的石膏结垢问题，导致管道堵塞和设备腐蚀严重；湿法工艺，容易产生水污染；脱硫过程中会产生大量的石膏，石膏利用价值不高，存在二次污染；脱硫后的烟气夹带细小液滴，易腐蚀烟道和烟囱，排出的烟气存在“白羽”现象。主要反应原理：SO2+H2OH2SO3H2SO3+CaCO3CaSO3+CO2+H2O2CaSO3+4H2O+O22CaSO42H2O3.4 氨-硫铵法脱硫（湿法）该工艺是利用氨水（氨水由尿素溶液制备）作为脱硫剂，对烟气中的SO2进行吸收、去除的一种技术，副产物为硫酸铵。该脱硫方法脱硫效率高，硫酸铵可以作为化肥使用。但该工艺需要采用氨水作为脱硫吸收剂，由于氨气存在泄漏风险，易造成大气污染，同时，副产物硫酸铵的品质受烟气硫含量影响，如果烟气硫含量低，硫酸铵纯度将难以达到标准要求。该工艺属于湿法工艺，易产生腐蚀，因此设备选材要求高。硫酸铵后续处理系统流程长、设备多、蒸汽消耗量大、排烟温度低，易产生凝结水，因此，烟囱需考虑防腐。主要反应原理：SO2+H2O+2NH3（NH4）2SO32（NH4）2SO3+O22（NH4）2SO43.5 循环流化床法脱硫（CFB、半干法）该工艺原理为高温烟气从循环流化床底部进入脱硫塔，在流化床底部与循环脱硫灰、吸收剂预混合，进行初步脱硫。然后高温烟气通过循环流化床下部的文丘里管或布风板时流速加快，进入循环流化床床体，循环流化床里的吸收剂与烟气中的SO2发生反应，烟气被净化。净化后的含尘烟气从循环流化床顶部进入除尘器，再通过增压风机由烟囱排出。经除尘器净化处理后产生的固体颗粒物，通过脱硫灰再循环系统，返回循环流化床。该工艺的优点是工艺流程短，用水量少；脱硫过程无废水产生；脱硫废渣为固体，易于运输。该工艺缺点也较为明显。（1）布置需要整幅地块，设备布置会受到占地面积的限制。（2）流化床的形成必须以一定的烟气流速来保证，只有在一定的烟气流速条件下才能达到良好的脱硫效果，烟气截面流速过低会导致塌床，因此，该工艺不适合烟气量波动幅度大的工况。（3）副产物利用途径有限。（4）需要增加除尘装置，在处理较大烟气量的工况时投资较高。主要反应原理：SO2+Ca（OH）2+H2OCaSO3+2H2O图2 典型的石灰石/石灰-石膏湿法烟气脱硫工艺流程5992024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER3.6 小苏打干法脱硫（SDS、干法）该工艺原理为烟气进入脱硫烟道，在烟道内，含硫烟气与粉状小苏打充分接触，小苏打受热发生激活反应，由粉状变成多孔状化合物，然后通过化学反应吸收烟气中的SO2。该化合物还可以吸附重金属、二噁英等污染物，脱硫后的烟气硫含量低、但粉尘浓度高，为保证烟气排放达标，需加装除尘器。该工艺系统阻力小、占地面积少，因工艺为干法脱硫，烟囱无需做防腐处理，脱硫过程亦无废水排放。但该工艺需要增加除尘装置，运行费用高，缺少长期运行工程实绩，脱硫副产品主要为硫酸钠、碳酸钠，难以利用。主要反应原理：4NaHCO3+2SO2+O22Na2SO4+2H2O+4CO24 国内外烟气SO2治理工艺比较从工艺应用条件、工艺稳定性、脱硫效率、副产物等方面对常见烟气脱硫工艺进行比较，具体见表3。从表3可以看出，现有6种烟气脱硫工艺中：（1）活性炭法及石灰石-石膏法对工艺应用的规模没有限制，可以应用于多种规模机组中；氨-硫铵法、循环流化床法（CFB）、小苏打干法脱硫（SDS）均适用于中小机组中；钙基固定床、小苏打干法脱硫（SDS）可以适用于低SO2浓度烟气工况。（2）氨-硫铵法稳定性较差，易出现腐蚀现象，其余工艺运行均较稳定。（3）各工艺烟气脱硫效率均可达到80%以上，其中石灰石-石膏法最高，脱硫效率达到95%以上。（4）活性炭法可以具备兼顾脱硫、脱硝一体化的能力12，其余工艺暂不具备。表3 常见烟气脱硫工艺比较表项目应用条件稳定性应用规模脱硫效率吸收剂是否兼顾脱硝能力副产物副产物用途烟囱排放配套设备一次性投资运行成本占地面积反应适应温度工艺特点活性炭法成熟稳定没有限制90%以上6活性炭有硫酸或者硫铵可销售干烟气无较高最高中等80140，高温烟气需降温床层可能存在热点问题，生产管控难钙基固定床成熟稳定低SO2浓度烟气工况80%87.9%7钙基催化剂无废脱硫剂（硫酸钙等）返烧结配料或作水泥添加剂干烟气无中等低中等80350 烟气中含氧量不变，被动吸收，装置适应性极强石灰石-石膏法成熟稳定没有限制95%以上石灰石无石膏可作水泥缓凝剂，堆放或抛弃，难以综合利用，按固废处理湿烟气，存在石膏雨无较低低较少7080 湿法脱硫后烟气温度过低，含湿量增大，无法回磨煤利用氨-硫铵法成熟易出现腐蚀中小机组85%以上8液氨或氨水无硫铵可销售湿烟气，存在拖尾无中等适中中等80100 脱硫剂以浆液喷入烟气，造成脱硫后烟气温度过低，含湿量增大，无法回磨煤利用循环流化床法（CFB）成熟稳定多为中小机组85%以上9消石灰无脱硫废渣（亚硫酸钙等）难以综合利用，按固废处理干烟气除尘器中等适中中等80100 在换炉期间，循环流化床可能会塌床，烟气温度过低，无法回磨煤利用小苏打干法脱硫（SDS）成熟稳定多为中小机组或低SO2浓度烟气80%以上10小苏打无硫酸钠等难以综合利用，按固废处理干烟气除尘器较低较高较少120250，高温烟气需降温，低温烟气需升温钠盐在高炉冶炼进程中破坏焦炭强度,并且能在炉内循环富集加剧破坏程度111002024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER（5）石灰石-石膏法、循环流化床法（CFB）、小苏打干法脱硫（SDS）3种工艺的副产物难以综合利用；活性炭法、钙基固定床、氨-硫铵法3种工艺副产物可以作为工业产品销售或在钢铁厂内综合利用。（6）为保证烟囱排放颗粒物浓度也满足要求，循环流化床法（CFB）和小苏打干法脱硫（SDS）需要额外增加除尘器来去除工艺中的粉尘，其余工艺不需要额外增加配套设备。（7）活性炭法一次性投资较高；钙基固定床、氨-硫铵法、循环流化床法（CFB）一次性投资为中等水平；石灰石-石膏法、小苏打干法脱硫（SDS）一次性投资较低。（8）除了钙基固定床脱硫工艺具有烟气中含氧量不变、装置适应性强的特点，其他工艺可能会存在生产管控难、净化后烟气余热回收价值降低、高炉寿命减少等问题。5 结论及建议经过上述分析比较，钙基固定床烟气脱硫工艺能较好地适用于高炉热风炉烟气脱硫。虽然高炉热风炉烟气的SO2及NOX浓度低、烟气量大且波动频繁，但该工艺流程简单，运维工作量少，不产生额外废水，脱硫效果好，可以满足超低排放要求，且对短时间内烟气量的波动不敏感，对温度的适用性强。该工艺使用的脱硫剂性质稳定，不存在安全风险，饱和脱硫剂能拦截烟气中的颗粒物，实现烟气深度除尘。不同的烟气脱硫工艺有着各自的优缺点，不同钢铁厂的工艺设备及生产工况也有所区别，因此，不可能一种脱硫工艺完美适用于所有场景，各企业还应结合自身的实际生产运行状况及国家、地方环保标准，从脱硫工艺的适应性、投资运行的成本、副产物产出利用情况以及脱硫效果等多方面综合考虑，从而确定最适宜本单位的烟气脱硫工艺。参 考 文 献 1 刘全兴.高炉热风炉操作与煤气知识问答（第2版）M.北京：冶金工业出版社，2013.2 廖建锋，文辉正，邹忠平，等.宝钢湛江5 050 m3高炉工艺技术特点 J.炼铁，2017，36（3）：19-23.3 张琦，王建军.冶金工业节能减排技术 M.北京：冶金工业出版社，2013.4 李肇全.工业脱硫脱硝技术 M.北京：化学工业出版社，2014.5 周晓猛.烟气脱硫脱硝工艺手册 M.北京：化学工业出版社，2016.6 冯治宇，金应培.活性炭吸附法脱除燃煤烟气中 SO2实验研究J.环境保护科学，1994（4）：37-39+79.7 梁磊.高炉热风炉烟气钙基干法脱硫剂的制备及试验研究 J.烧结球团，2022，47（3）：98-103.8 罗成.焦化厂氨法脱硫工艺的改进 J.山西化工，2021，41（6）：71-73.9 于洪波.循环流化床锅炉脱硫效率浅析 J.沈阳工程学院学报（自然科学版），2012，8（4）：321-323.10 额尔德木吐，辛铖，高秋廷.钠基干法脱硫工艺在高炉热风炉烟气脱硫中的应用 J.化工设计通讯，2022，48（5）：57-59.11 柳园.高炉冶炼中碱金属的危害及防治研究 J.中国金属通报，2021（3）：15-16.12 韩健，阎占海，邵久刚.逆流式活性炭烟气脱硫脱硝技术特点及应用 J.烧结球团，2018，43（6）：13-18.收稿日期：2023-08-10作者简介：夏登松（1998-），男，本科，助理工程师，现从事暖通空调专业设计工作。101