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燒結機脫硫新技術的選擇與應用
2013-11-21 17:46:54鋼鐵工業(yè)脫硫新技術的選擇與應用
一、 前 言
國家環(huán)境保護十二五規(guī)劃基本思路指出：我國環(huán)境形勢呈現(xiàn)“局部有所改善，總體上為遏制，形勢依然嚴峻”的特點。“十二五”期間我國仍將處于工業(yè)化和城市化快速發(fā)展階段，經(jīng)濟結構調(diào)整和粗放型經(jīng)濟增長方式的轉(zhuǎn)變還需較長時間，污染減排任務仍然相當艱巨，改善環(huán)境質(zhì)量的難度持續(xù)增加和人民群眾不斷提高的環(huán)境需求之間的矛盾更加突出，環(huán)境壓力繼續(xù)加大。
根據(jù)規(guī)劃要求到2015年，在化學需氧量、二氧化硫排放量比2010年削減5%-10%的基礎上，將氨氮、氮氧化物納入減排計劃，減排幅度按5%-10%考慮。同時其他污染物的控制也提到日程上來。
鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)，也是我國*主要的能源資源消耗和污染物排放行業(yè)之一。特別是國家重點控制的污染物二氧化硫，鋼鐵行業(yè)的排放僅次于火電行業(yè)，而且隨著電力行業(yè)煙氣脫硫工作取得明顯成效，鋼鐵行業(yè)占全國工業(yè)二氧化硫排放量的比例由“十二五”出期的8%上升到10%。隨著國家環(huán)保要求日趨嚴格，將給鋼鐵行業(yè)污染減排提出更高的要求，特別是鋼鐵行業(yè)在“十二五”期間大氣污染治理工作任務繁重而艱巨，二氧化硫減排形勢相當嚴峻。
二、國內(nèi)外燒結煙氣脫硫技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
國外燒結煙氣脫硫技術起步較早，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，脫硫技術已成熟。從脫硫工藝來看，濕法、半干法、干法都有成功的業(yè)績，其中應用*成熟的是石灰石—石膏法。據(jù)統(tǒng)計，濕法脫硫技術占世界安裝煙氣脫硫機組總量的85％，其中石灰/石膏法是目前世界上使用*廣的技術。國內(nèi)外濕法煙氣脫硫具有技術成熟、運行穩(wěn)定、脫硫效率高(脫硫效率在80％～99％)、脫硫劑易得且利用率高等特點。但是，國外鋼鐵廠都是低含硫量條件下的脫硫，因此不能簡單移植到國內(nèi)。因此，結合燒結機工藝生產(chǎn)特性，積極開發(fā)應用高效率低能耗、投資省、運行穩(wěn)定、符合我國燒結機機頭煙氣脫硫技術具有極其重要意義。
我國鋼鐵企業(yè)燒結煙氣脫硫的研究和應用起步較晚，2005 年才開始進行燒結煙氣脫硫研究開發(fā)工作，2008 年才開始實施燒結煙氣脫硫。由于我國鐵礦石來源變化大，鋼鐵燒結煙氣含硫高，與國外有很大差別，國外的燒結煙氣脫硫技術不適合我國國情；又由于燒結煙氣與火電廠煙氣有著明顯的區(qū)別，目前國內(nèi)市場上較成熟的火電煙氣脫硫技術不能簡單移植到燒結煙氣脫硫上。因為燒結煙氣具有煙氣排放量大、SO2 排放濃度低且波動范圍寬、溫度變化大、流量變化大、水分含量大、含氧量高、含有多種污染成分等特點，從而使燒結煙氣進行脫硫具有很大難度。目前國內(nèi)已投運的燒結煙氣脫硫裝置采用的技術主要有循環(huán)流化床法、氨—硫銨法、密相干塔法、石灰石—石膏法等，但都具有一定的缺點和局限。一次性投資少、運行費用低、工況適時控制、不產(chǎn)生二次污染、*、副產(chǎn)物可以綜合利用是燒結煙氣脫硫技術的發(fā)展方向。
我國鋼鐵企業(yè)煙氣脫硫主要是針對燒結機及球團豎爐而言，球團豎爐由于原料單一簡單煙氣脫硫工藝比較容易選擇，而燒結機由于配料成分多樣使煙氣中的廢氣成份也較復雜，而且燒結機并不是一臺機器，而是由生石灰破碎室、配料庫、混料庫等多道工序組成的工程。鋼鐵廠燒結煙氣是燒結混合料點火后，隨臺車運行，在高溫燒結成型過程中所產(chǎn)生的廢氣，燒結煙氣中含有一定濃度的SO2。燒結工序是鋼鐵工業(yè)的主要污染源之一，解決好燒結工序的SO2減排，就是抓住了鋼鐵行業(yè)SO2減排工作的重點。鋼鐵企業(yè)需結合自身特點，從脫硫裝置運行有效性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性來選擇*合適的脫硫技術。
2006年，全國SO2排放量為2 588．8萬t，比2005年增長1．5％，2007年全國SO2排放總量分別比2006年下降3.18%，但總排放量依然驚人。在2009年的統(tǒng)計數(shù)字中顯示：在全國已有的1000多臺燒結機中，配置脫硫設施的為389臺，約占總臺數(shù)的1/3，約2/3的鋼鐵燒結機還沒有上脫硫技術。已經(jīng)安裝脫硫設施的因為脫硫工藝設備選型不符脫硫效果還很差，平均脫硫效果僅為38.6%，遠未達到設計值和國家減排要求。2012年與2010年相比，脫硫效果還低了近10個百分點。”因此，在“十二五”期間，SO2減排依然是環(huán)保工作的重點。目前，據(jù)環(huán)境保護部統(tǒng)計，我國二氧化硫年排放量約為2500萬~2600萬噸，鋼鐵行業(yè)的二氧化硫排放量占工業(yè)二氧化硫排放總量的10％~12％。而燒結工序是鋼鐵廠二氧化硫排放的源頭，約占企業(yè)排放量的75％~85％。因此，燒結脫硫是治理鋼鐵企業(yè)二氧化硫的重點工作。2012-2013年我國鋼鐵行業(yè)新上的脫硫設備總量快速增長，新上設備已近超過百臺，大規(guī)模脫硫設備的安裝為解決我國燒結煙氣的污染問題做出了重要貢獻。
三、燒結機煙氣脫硫的技術原理及應用特點
1 燒結機煙氣的特點
燒結原料鐵礦石和燃料（如煤粉）中都含一定的單質(zhì)硫或硫化物，在燒結過程中氧化生成SO2。燒結煙氣的主要特點是：
（1）煙氣排放量大，每生產(chǎn)一噸燒結礦大約產(chǎn)生4000~6000m3煙氣；
（2）煙氣溫度波動幅度較大，隨燒結工況變化，波動范圍在90～150 ℃；
（3）煙氣含濕量大，按體積比計算，水分含量一般在10％左右；
（4）由于燒結原料含硫率關系，引起排放煙氣SO2濃度隨配料比的變化而發(fā)生較大的變化，一般在1000~3000mg/Nm3；
（5）燒結煙氣含氧量高，約占10%～15%左右；
（6）粉塵中含有鐵及其化合物，由于使用不同的原料還可能含有微量重金屬元素。
（7）不穩(wěn)定性，由于燒結工況波動，煙氣量、煙氣溫度、SO2濃度經(jīng)常發(fā)生變化，隨機性強。
表1、燒結機煙氣污染物分析
名 稱 單位 分析結果 備注 燒結機尾氣流量 M³ 約4000~6000 Nm3/hr 燒結機中段煙氣SO2含量 mg/Nm3 約為5500-6000 燒結機頭機尾煙氣SO2含量 mg/Nm3 約為350-400 綜合煙氣SO2含量 mg/Nm3 約為1000－3000 CO 高 重金屬 少量 HCl，HF，二堊英，VOC，NOx 少量 酸霧 O3/H2SO4 （少量） 固體粉塵 不穩(wěn)定，≤200mg/m3； 介質(zhì)重度 kg/Nm3 平均1.25
2 燒結機煙氣脫硫技術現(xiàn)狀
針對燒結煙氣的特點和特性，燒結過程SO2排放的控制方法主要為降低原料含硫量、減少原料的耗量及對燒結煙氣進行治理。煙氣脫硫技術是國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)常用控制S02排放的方法。
煙氣脫硫技術主要分為半干法和濕法煙氣脫硫。半干法煙氣脫硫技術主要包括噴霧旋轉(zhuǎn)干燥吸收工藝（SDA）、循環(huán)流化床煙氣脫硫工藝（CFB）等；濕法煙氣脫硫技術主要包括：石灰石-石膏濕法工藝、氨法煙氣脫硫工藝、氧化鎂濕法工藝等。目前國內(nèi)燒結煙氣脫硫技術中濕法應用*為廣泛的為石灰石/石膏法；半干法應用*為廣泛的為循環(huán)流化床法(CFB)。
表2、常用煙氣脫硫工藝比較
工藝
指標干法 半干法 濕法 Ca/S 2.5～4 1.5～2.0 1.0～1.05 脫硫率 70～90% 85～90% 95～99% 系統(tǒng)阻力 大 中 小 運行成本 高 中 低 脫硫副產(chǎn)物 不能商品化 不易商品化 可商品化
2.1 石灰石-石膏濕法脫硫工藝
石灰石-石膏法是用石灰石漿液吸收煙氣中的SO2，反應生成亞硫酸鈣，在吸收塔漿池中進一步氧化為二水硫酸鈣（石膏），氧化后的石膏漿液經(jīng)濃縮、脫水后生成含水量小于10%的石膏，作為商品出售。
石灰石-石膏法煙氣脫硫技術是一種發(fā)展*成熟，在全球范圍內(nèi)廣泛應用的煙氣脫硫技術，脫硫效率可達95%以上。經(jīng)過幾十年的研究和優(yōu)化，原有的結垢、堵塞和磨損等技術問題已成功解決。石灰石-石膏法通常被大型電站所采用，目前在燒結煙氣、工業(yè)鍋爐/爐窯的煙氣脫硫中也被廣泛使用。
2.2循環(huán)流化床法(CFB)半干法脫硫工藝
循環(huán)流化床煙氣脫硫工藝以循環(huán)流化床為原理，通過物料在反應塔內(nèi)的內(nèi)循環(huán)和高倍率的外循環(huán)，形成含固量很高的煙氣流化床，從而強化了脫硫吸收劑顆粒之間、煙氣中SO2、SO3、HCl、HF等氣體與脫硫吸收劑間的傳熱傳質(zhì)性能，同時將運行溫度降到露點以上15～20℃，提高SO2與脫硫吸收劑間的反應效率、吸收劑的利用率。脫硫劑一般選用石灰或消石灰,在鈣硫比為1.3～1.5的情況下，脫硫效率可達80～90％，脫硫副產(chǎn)物為以亞硫酸鈣為主的脫硫灰渣。
3 石灰石-石膏法與循環(huán)半干法脫硫技術比較
3.1有效性
從煙氣脫硫技術有效性分析，主要考慮脫硫效率、場地適應性。
3.1.1脫硫效率
石灰石-石膏濕法脫硫工藝脫硫率可達95%以上，脫硫后的煙氣不但二氧化硫濃度很低，而且煙氣含塵量也大大減少.，有利于地區(qū)和燒結廠實行總量控制。
循環(huán)流化床法半干法脫硫工藝脫硫效率一般在80~90%，要達到90%以上的脫硫效率需對應很高的鈣硫比（Ca/S至少在1.5以上，遠高于濕法的1.03）。
3.1.2場地的適應性
對于改造工程，場地的適應性是一個重要的考慮因素。石灰石-石膏濕法脫硫技術系統(tǒng)復雜，占地面積相對于以消石灰為脫硫劑的循環(huán)流化床半干法脫硫要大。如采用石灰為脫硫劑的半干法脫硫，需增加脫硫劑制備所需的石灰消化廠房，占地面積與濕法脫硫相當。
3.2穩(wěn)定性
確保煙氣脫硫系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行，并且不影響原燒結機的運行是脫硫技術選擇必須要考慮的原則。
石灰石-石膏法煙氣脫硫技術是目前技術*成熟，運行*可靠的煙氣脫硫技術，脫硫裝置投運率可達98%以上，并對燒結工況波動引起的煙氣流量、溫度、SO2濃度變化具有很好的適應性。
循環(huán)流化床半干法脫硫技術需在流化床內(nèi)噴水，為脫硫反應創(chuàng)造*佳的反應條件，但從燒結機的運行情況來看，燒結煙氣量，溫度和SO2濃度一直在較大范圍波動，使得流化床內(nèi)噴水量很難精確調(diào)節(jié)，水量過少，則反應效率降低；水量過多，會導致流化床內(nèi)物料粘結和出口煙氣帶水，并造成后續(xù)除塵器的腐蝕、堵塞，影響系統(tǒng)的正常運行。同時，煙氣量的波動也會影響到脫硫塔內(nèi)的流化狀態(tài)發(fā)生改變，影響脫硫效率和系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
3.3經(jīng)濟性
對于經(jīng)濟性，主要考慮投資費用、運行費用及副產(chǎn)物的處理利用。
3.3.1投資費用
目前，石灰石-石膏法已普遍取消了煙氣再熱系統(tǒng)（GGH），為了防止脫硫后濕煙氣對煙囪腐蝕帶來的不利影響，采用脫硫塔+直排煙囪或?qū)υ瓱焽柽M行防腐處理的措施。同時主要設備都已實現(xiàn)國產(chǎn)化，這樣大大降低了濕法脫硫的投資費用。石灰石-石膏法總體投資費用已與循環(huán)流化床半干法脫硫相差不大。
3．3．2運行費用
（1）脫硫劑
石灰石-石膏法脫硫劑為石灰石，原料易得，且價格便宜。循環(huán)流化床半干法的脫硫劑為石灰或消石灰，如用石灰作為脫硫劑，需經(jīng)干式消化器反應后生成消石灰才能使用。只有高品質(zhì)的石灰活性（T60≤4min，加水后溫度升高60℃不超過4分鐘）才能滿足循環(huán)流化床半干法煙氣脫硫的要求上使用，因此半干法對脫硫劑的品質(zhì)要求大大高于濕法。
濕法脫硫中Ca/S一般在1.03左右，而半干法脫硫要達到90%的脫硫效率Ca/S要大于1.5，加上石灰的單價也高于石灰石，導致半干法脫硫劑消耗的費用很高。
（2）電耗
燒結機煙氣中SO2濃度并不高，在影響濕法脫硫電耗*大的指標液氣比的取值上，也不需取高液氣比。對燒結機煙氣脫硫來說，在不考慮增壓風機情況下，石灰石-石膏法脫硫系統(tǒng)運行電耗要高于半干法脫硫（半干法為濕法的60%左右）。但半干法脫硫為滿足粉塵排放的要求，脫硫后必須配置布袋除塵器，加上塔體本身的阻力和煙道的阻力，系統(tǒng)總阻力損失在3800Pa以上，大大高于濕法脫硫的1500~1800Pa。濕法煙氣脫硫加上前置的除塵系統(tǒng)能耗后，總能耗與半干法煙氣脫硫系統(tǒng)相差不大。
（3）水耗
石灰石-石膏法脫硫系統(tǒng)的水耗包括蒸發(fā)水、結晶水、石膏中的自由水以及廢水等；半干法煙氣脫硫系統(tǒng)的水耗主要用于石灰消化以及煙氣增濕提高反應速率。一般情況下，半干法脫硫系統(tǒng)水的消耗為濕法脫硫系統(tǒng)的60~70%，但水耗在整個運行費用中所占的比例不高。
3．3．3副產(chǎn)物的處理
石灰石-石膏煙氣脫硫中副產(chǎn)物為石膏，其品質(zhì)高，可作為水泥緩凝劑及石膏板材的原料，石膏出售產(chǎn)生的效益可抵消大部分脫硫劑石灰石的費用。循環(huán)流化床半干法的脫硫灰渣主要成分是亞硫酸鈣、飛灰、硫酸鈣、未完全反應完的消石灰粉等，尚無可靠的大規(guī)模利用的方法，經(jīng)濟價值低于石膏，遠不能抵消脫硫劑石灰/消石灰的費用。
- 對比綜合論述
四、燒結機煙氣脫硫新技術的應用
針對目前鋼鐵企業(yè)已經(jīng)應用的濕法脫硫技術存在的問題，唐山金泉冶金能源新技術開發(fā)有限公司與國內(nèi)*科研單位共同進行研發(fā)改進，*新開發(fā)的鋼鐵廠燒結機機頭煙氣濕法除塵脫硫技術及設備，具有結構緊湊、阻力小、節(jié)能和可不停機在線維修等特點，脫硫效率可達到89％以上。
這項技術綜合了燒結機機頭粉塵、二氧化硫煙氣治理技術，以石灰為吸收劑，采用設計獨特的噴霧式煙氣凈化裝置(設置預除塵脫硫和除塵脫硫一體化兩種模式)，既可成功除 去煙氣中的粉塵，又可凈化二氧化硫濃度很高的燒結機機頭的工業(yè)廢氣，除塵效率一般在80％～99％，脫硫效率在80％～99％。項目技術設備根據(jù)實際需求 每小時可處理煙氣量10萬m3~160萬m3。該項技術為燒結機二氧化硫煙氣污染的治理提供了一個簡單、經(jīng)濟、行之有效的途徑。此項技術的實施可*小程度地改變燒結機區(qū)域的建筑物環(huán)境。
脫硫劑易得；脫硫產(chǎn)物結晶水合物可作為水泥添加劑或紙面石膏板的原料；其品質(zhì)高，無二次污染；石膏出售產(chǎn)生的效益可抵消大部分脫硫劑石灰的費用，運行費用低是該項技術的優(yōu)勢，專家認為，此項技術中脫硫劑易得，使用的是我國儲量豐富的石灰，其價格便宜，存在地域廣泛，這有利于這項技術在全國各地的推廣；脫硫產(chǎn)物結晶水合物，其含石膏超過80％，可作為水泥添加劑或紙面石膏板的原料；無二次污染，因脫硫用水為閉路循環(huán)使用，故不外排；運行費用低，由于設計時充分考慮到高效低耗， 因此這套技術設備使每噸燒結礦增加成本不超過2.5元，是其他同類技術設備增加成本的30％。
總體來說，該項技術的研發(fā)方向是解決燒結機主要的技術難點包括:控制并降低設備整體阻力，設計為可不使用增壓風機；控制或阻止設備結垢堵塞；降低或達到設備理論上“零”運行費用；
五、專家對燒結機煙氣脫硫技術選擇的建議
河北省環(huán)境科學學會技術推廣部副主任李云凱指出：鋼鐵廠選擇什么樣的工藝極為重要。如果選擇了不合適的工藝，不僅運行上有風險，副產(chǎn)物的再利用也成為新的難題，因此，鋼鐵企業(yè)在選擇脫硫工藝時不僅要了解工藝的脫硫效率，還要了解副產(chǎn)物是什么、如何利用。防止脫硫副產(chǎn)物成為新的污染源。
副產(chǎn)物綜合利用難度大是當前半干法燒結脫硫工藝面臨的*大障礙之一，目前，國內(nèi)已有超過10臺燒結面積在200平方米以上的燒結機使用了半干法脫硫技術，但通過對幾家設備及副產(chǎn)物處理情況的跟蹤考察，現(xiàn)在看來，脫硫副產(chǎn)物的利用遇到了一些較難解決的問題。
目前國內(nèi)對于干法與半干法產(chǎn)生的脫硫灰多以拋棄方式處理，如回填廢礦坑、選擇專門的拋棄場地堆放等。簡單填埋或堆放不能徹底解決問題，如果長時間得不到妥善處理，不僅會大量占用土地，還可能污染土壤。我國的土地資源非常寶貴，大量的填埋和堆放絕對不符合中國國情。
石灰—石膏濕法脫硫工藝一直在電廠脫硫中占主導地位，90％以上選擇此工藝的設備仍在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，究其原因，不僅是因為此工藝具有技術成熟、脫硫劑易得、脫硫效率高等優(yōu)點，還在于其副產(chǎn)物的資源化利用也做得很好。
鋼鐵廠燒結機機頭的煙氣成分與燃煤電廠不同，必須針對燒結煙氣的特點對石灰—石膏濕法脫硫工藝進一步改進，但是改進工藝后產(chǎn)生的副產(chǎn)物硫酸鈣的含量仍能達到80％以上，因此石灰—石膏濕法脫硫工藝產(chǎn)生的脫硫副產(chǎn)物在資源化應用方面仍具有很大優(yōu)勢。
此外，鋼鐵廠也可以利用脫硫石膏與硅酸鹽熟料、高爐礦渣按照一定的比例生產(chǎn)礦渣水泥，萊蕪鋼鐵有限公司就成功研發(fā)了脫硫石膏生產(chǎn)礦渣水泥的方法，經(jīng)檢驗礦渣水泥的性能很好。
綜上所述，國內(nèi)鋼鐵廠燒結機煙氣脫硫技術的選擇應該因地制宜、結合自身特點選擇*有效、*穩(wěn)定、*經(jīng)濟的煙氣脫硫技術，主要需考慮以下因素：
(1) 當?shù)丨h(huán)保部門對脫硫效率及排放總量的要求；
(2) 場地面積；
(3) 脫硫劑來源、價格及副產(chǎn)品的銷售；
(4) 投資、運行維護費用。
對于燒結機煙氣脫硫技術的選擇，鋼鐵企業(yè)應立足于自身特點，具體問題具體分析，因地制宜，選擇出*適合、*有效、*經(jīng)濟、*安全的煙氣脫硫技術。
文章編輯：唐山金泉冶金能源新技術開發(fā)有限公司
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