摘要:概述了鋼鐵企業(yè)二氧化硫污染的現(xiàn)狀和主要控制技術(shù),指出燒結(jié)煙氣脫硫是有效的控制措施。分析了燒結(jié)煙氣的特點,主要介紹了密相干塔煙氣脫硫工藝,并對燒結(jié)煙氣脫硫技術(shù)的選擇提出了建議。

關(guān)鍵詞:燒結(jié)煙氣,煙氣脫硫( FGD),SO2,密相干塔

隨著近兩年鋼鐵行業(yè)和火電廠的大規(guī)模建設(shè), 對環(huán)保提出了新的挑戰(zhàn)。鋼鐵行業(yè)是國家重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),又是高能耗、高排放、增加環(huán)境負荷源頭的行業(yè)。鋼鐵生產(chǎn)在其熱加工過程中消耗大量的燃料和礦石,同時排放大量的空氣污染物。1996 年鋼鐵工業(yè)二氧化硫( SO2 ) 排放量為97. 8 萬t ,占全國工業(yè)SO2 排放量的7. 5 % ,僅次于電力、煤氣、熱水的生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)和化工原料及化學制品制造業(yè),居第3 位[1 ,2 ] 。燒結(jié)工藝過程產(chǎn)生的SO2 排放量約占鋼鐵企業(yè)年排放量40 %～60 % ,控制燒結(jié)機生產(chǎn)過程 SO2 的排放,是鋼鐵企業(yè)SO2 污染控制的重點。隨著燒結(jié)礦產(chǎn)量大幅度增加和燒結(jié)機的大型化發(fā)展, 單機廢氣量和SO2 排放量隨之增大,控制燒結(jié)機煙氣SO2 污染勢在必行。國外已投巨資對此進行治理,甚至關(guān)閉了燒結(jié)廠。目前我國在燒結(jié)煙氣SO2 脫除方面基本上還處于空白,僅有幾個小型燒結(jié)廠上了脫硫設(shè)施,而以燒結(jié)礦為主要原料的煉鐵生產(chǎn)又不允許大量關(guān)閉燒結(jié)廠。因此,對燒結(jié)煙氣進行脫除處理是滿足今后日益嚴格的環(huán)保要求的唯一選擇。目前的關(guān)鍵是借鑒國外的先進經(jīng)驗,開發(fā)應(yīng)用適合我國燒結(jié)特點的先進脫硫工藝。

1 　燒結(jié)煙氣SO2 主要控制技術(shù)

目前,對燒結(jié)煙氣SO2 排放控制的方法有:

1) 低硫原料配入法; 2) 高煙囪稀釋排放; 3) 煙氣脫硫法。

1. 1 　低硫原料配入法

燒結(jié)煙氣中的SO2 的來源主要是鐵礦石中的 FeS2 或FeS、燃料中的S(有機硫、FeS2 或FeS) 與氧反應(yīng)產(chǎn)生的,一般認為S 生成SO2 的比率可以達到 85 %～95 %. 因此,在確定燒結(jié)原料方案時,適當?shù)剡x擇配入含硫低的原料,從源頭實現(xiàn)對SO2 排放量的控制,是一種簡單易行有效的措施。

該法因?qū)υ虾蛞髧栏?使其來源受到了一定的限制,燒結(jié)礦的生產(chǎn)成本也會隨著低硫原料的價格上漲而增加。就目前原料短缺的現(xiàn)狀來看, 此法難以全面推廣應(yīng)用。

1. 2 　高煙囪稀釋排放

燒結(jié)煙氣中SO2 的質(zhì)量濃度一般在1000 ～ 3000 mg/ m3 且煙氣量大,若回收在經(jīng)濟上投資較大,故大多數(shù)國家仍以高煙囪排放為主,如美國煙囪最高達360 m.

我國包鋼燒結(jié)廠目前采用低含硫原料、燃料,燒結(jié)煙氣經(jīng)200 m 高煙囪排放,SO2 最大落地質(zhì)量濃度在0. 017 mg/ m3 以下。寶鋼的燒結(jié)廠采用200 m 高煙囪稀釋排放。這種方法簡單易行,又比較經(jīng)濟。從長遠來看,高煙囪排放僅是一個過渡。但在當時條件下,采用高煙囪稀釋排放作為控制SO2 污染的手段是正確的。

1. 3 　煙氣脫硫法

低硫原料配入法和高煙囪排放簡單易行,又較經(jīng)濟。但我國SO2 的控制是排放濃度和排放總量雙重控制,因此,為根本消除SO2 污染,煙氣脫硫技術(shù)在燒結(jié)廠的應(yīng)用勢在必行。

煙氣脫硫是控制燒結(jié)煙氣中SO2 污染最有效的方法。目前世界上研發(fā)的煙氣脫硫技術(shù)有200 多種,進入大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的只有10 余種,我國也先后引進了不同的脫硫裝置主要用于火電廠,而國內(nèi)用于燒結(jié)煙氣脫硫的技術(shù)進展較慢。國內(nèi)僅有幾個小燒結(jié)上了脫硫設(shè)施。如廣鋼2 臺24 平燒結(jié)機采用雙堿法工藝,臨汾鋼廠利用燒結(jié)煙氣處理焦化廢水等,因脫硫設(shè)施或多或少存在一些問題,所以運行也不正常。

2 　燒結(jié)煙氣的特點

燒結(jié)煙氣是燒結(jié)混合料點火后,隨臺車運行,在高溫燒結(jié)成型過程中所產(chǎn)生的含塵廢氣。它與其他環(huán)境含塵氣體有著明顯的區(qū)別,其主要特點是:

1) 煙氣量大,每生產(chǎn)1 t 燒結(jié)礦大約產(chǎn)生4 000 ～6 000 m3 煙氣。

2) 煙氣溫度較高,隨工藝操作狀況的變化,煙氣溫度一般在150 ℃上下。

3) 煙氣挾帶粉塵多。

4) 含濕量大。為了提高燒結(jié)混合料的透氣性, 混合料在燒結(jié)前必須加適量的水制成小球,所以含塵煙氣的含濕量較大,按體積比計算,水分含量在 10 %左右。 5) 含有腐蝕性氣體。高爐煤氣點火及混合料的燒結(jié)成型過程,均將產(chǎn)生一定量的SOx ,NOx ,它們遇水后將形成酸,對金屬結(jié)構(gòu)會造成腐蝕。

6) 含SO2 濃度較低,根據(jù)原料和燃料差異而變化,一般在1 000～3 000 mg/ m3 .

3 　燒結(jié)煙氣脫硫技術(shù)

3. 1 　技術(shù)現(xiàn)狀分析

燒結(jié)煙氣脫硫的研究,日本居于世界領(lǐng)先地位, 按照嚴格的環(huán)境保護標準,在上世紀70 年代建設(shè)的大型燒結(jié)廠采用了燒結(jié)煙氣脫硫法,脫硫工藝多為濕式吸收法。80 年代以后,主要采用鋼渣石膏法、氨硫銨法、活性焦吸附法、電子束照射法等。

鋼渣石膏法是利用轉(zhuǎn)爐廢渣研磨制成的漿液為脫硫劑,產(chǎn)品為低濃度石膏。該法脫硫效率高、投資省。利用了廢渣,但易結(jié)垢、產(chǎn)品不能利用。

氨硫銨法脫硫工藝是利用焦化廠產(chǎn)生的氨氣, 脫除燒結(jié)煙氣中的SO2 . 該法脫硫效率高,副產(chǎn)品可利用。但存在氨損、副產(chǎn)物穩(wěn)定化、副產(chǎn)品品質(zhì)、副產(chǎn)品的市場化等問題。

活性焦吸附法煙氣脫硫在脫除SO2 的同時,能不同程度脫除廢氣中的HCl 、HF 等有害氣體;裝置占地面積較小;副產(chǎn)品經(jīng)綜合加工后可利用。但存在運行成本高、設(shè)備龐大且造價高、腐蝕問題突出、硫資源回收處理等外圍系統(tǒng)復(fù)雜、系統(tǒng)長期運行穩(wěn)定性差等問題。

電子束法煙氣脫硫能同時脫硫脫硝,過程簡單, 不產(chǎn)生廢水廢渣,副產(chǎn)品可用作化肥。但系統(tǒng)的安全性差,運行成本高,電子加速器價格昂貴,脫硫產(chǎn)物難以有效捕集及利用,應(yīng)用范圍受到限制。

3. 2 　密相干塔煙氣脫硫技術(shù)

密相干塔煙氣脫硫技術(shù)是北京科技大學環(huán)境工程中心針對我國國情開發(fā)的一種先進的半干法煙氣脫硫技術(shù),具有脫硫效率高、投資運行費用低、可靠性高、占地面積小、無廢水產(chǎn)生、副產(chǎn)物易處理等優(yōu)點。在歐洲,已有20 多家相當規(guī)模的電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和工業(yè)爐窯工業(yè)化應(yīng)用了該技術(shù)。

3. 2. 1 　工藝過程

該工藝的原理是利用干粉狀的鈣基脫硫劑,與密相干塔及布袋除塵器除下的大量循環(huán)灰一起進入加濕器內(nèi)進行增濕消化,使混合灰的水分含量保持在3 %到5 %之間,加濕后的循環(huán)灰由塔上部進料口進入塔內(nèi),工藝流程如圖1 所示。含水分的循環(huán)灰有極好的反應(yīng)活性和流動性,與由塔上部進入的煙氣發(fā)生反應(yīng)。脫硫劑不斷循環(huán)利用,脫硫效率可達 95 %。最終脫硫副產(chǎn)物由灰倉溢流出循環(huán)系統(tǒng),通過氣力輸送裝置送入廢料倉。

整個工藝流程主要包括:

1) SO2 的吸收。預(yù)除塵后的煙氣由塔上部入口進入,在塔內(nèi)與高活性的鈣基脫硫劑進行SO2 吸收反應(yīng),反應(yīng)后的煙氣由塔下部煙道出口排出,經(jīng)除塵器除塵凈化后排入大氣。

2) 脫硫劑的循環(huán)利用。塔內(nèi)落下的反應(yīng)產(chǎn)物、除塵器收集的顆粒物和新吸收劑一起通過輸送裝置輸送到塔上部的加濕器內(nèi),在加濕器內(nèi)加少量水增濕活化后再次進入塔內(nèi)進行脫硫反應(yīng),實現(xiàn)脫硫劑的循環(huán)利用。

3) 該過程發(fā)生的主要反應(yīng)式如(1) ～ (7) 。

CaO + H2O —>Ca (OH) 2 , (1) Ca (OH) 2 + SO2 + 1/ 2H2O—>CaSO3 ·1/2H2O + H2O , (2) Ca (O H) 2 + SO3 + H2O—>CaSO4 ·2H2O , (3) CaSO3 ·1/2H2O + 1/ 2O2 + 3/ 2H2O —>CaSO4 ·2H2O , (4) Ca (O H) 2 + CO2 CaCO3 + H2O , (5) Ca (OH) 2 + 2HCl CaCl2 + 2H2O , (6) Ca (O H) 2 + 2HF CaF2 + 2H2O. (7)

3. 2. 2 　工藝特點

1) 脫硫劑用量少而且利用率高,循環(huán)過程中的脫硫劑顆粒在攪拌器的破碎作用及煙氣強烈湍流引起的相互摩擦作用下,包裹著CaSO3 (或CaSO4 ) 外殼的未反應(yīng)的Ca (OH) 2 不斷裸露出來,使脫硫反應(yīng)不斷充分地進行,脫硫率高達95 % ,同時可以去除SO3 、HCl 、HF 等;

2) 耗水量低,脫硫劑通過加濕提高其活性所用的水非常少,通常循環(huán)脫硫劑的含水質(zhì)量比為3 % ～5 %;

3) 塔內(nèi)的攪拌器強化了傳質(zhì)過程,延長了脫硫反應(yīng)的時間,保證了系統(tǒng)的運行效果;

4) 系統(tǒng)對不同SO2 濃度的煙氣及負荷變化的適應(yīng)能力極強,這是該技術(shù)的顯著優(yōu)點;

5) 脫硫劑在整個脫硫過程中處于干燥狀態(tài),操作溫度高于露點,沒腐蝕或冷凝現(xiàn)象,無廢水產(chǎn)生;

6) 塔體用普通鋼材制作,無需合金、涂料和橡膠襯里等特殊防腐措施;

7) 煙氣無需再加熱即可排放。

3. 2. 3 　系統(tǒng)的自動控制

整個工藝過程設(shè)兩個控制回路:通過調(diào)節(jié)加濕器內(nèi)加入水量來保證密相干塔中反應(yīng)的溫度及恒定的煙氣出口溫度;通過對進出口煙氣流量和SO2 濃度的連續(xù)監(jiān)測,調(diào)整吸收劑的加入量。

4 　建議

目前,煙氣脫硫的工藝很多,對于燒結(jié)煙氣的脫硫處理,要針對煙氣特點并結(jié)合現(xiàn)場的情況,做出合理的選擇。

1) 工藝選擇應(yīng)堅持以下原則:技術(shù)先進成熟且符合企業(yè)自身的技術(shù)和經(jīng)濟環(huán)境狀況、設(shè)備簡單可靠且操作簡便、自動化程度高、投資省、脫硫率較高且穩(wěn)定、運行成本與能耗低、脫硫劑來源廣泛、副產(chǎn)品易于處理且不產(chǎn)生二次污染。

2) 密相干塔煙氣脫硫工藝屬于半干法脫硫工藝,完全符合上述的工藝選擇原則,適合進行燒結(jié)煙氣的脫硫處理。

3) 燒結(jié)過程中,煙氣中SO2 的濃度是變化的, 有時變化的幅度大且頻率高,其頭部和尾部煙氣含 SO2 濃度低,中部煙氣含SO2 濃度高。為減少脫硫裝置的規(guī)模,可只將含SO2 濃度高的煙氣引入脫硫裝置,這樣可以節(jié)約大部分資金。

4) 加快推進燒結(jié)煙氣脫硫技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用,逐步消除我國SO2 和酸雨的污染對經(jīng)濟發(fā)展的消極影響,促進鋼鐵企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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