鋼鐵廠燒結煙氣脫硫技術的探討
摘要:概述了鋼鐵企業二氧化硫污染的現狀和主要控制技術,指出燒結煙氣脫硫是有效的控制措施。分析了燒結煙氣的特點,主要介紹了密相干塔煙氣脫硫工藝,并對燒結煙氣脫硫技術的選擇提出了建議。
關鍵詞:燒結煙氣,煙氣脫硫( FGD),SO2,密相干塔
隨著近兩年鋼鐵行業和火電廠的大規模建設, 對環保提出了新的挑戰。鋼鐵行業是國家重要的基礎產業,又是高能耗、高排放、增加環境負荷源頭的行業。鋼鐵生產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 年鋼鐵工業二氧化硫( SO2 ) 排放量為97. 8 萬t ,占全國工業SO2 排放量的7. 5 % ,僅次于電力、煤氣、熱水的生產供應業和化工原料及化學制品制造業,居第3 位[1 ,2 ] 。燒結工藝過程產生的SO2 排放量約占鋼鐵企業年排放量40 %～60 % ,控制燒結機生產過程 SO2 的排放,是鋼鐵企業SO2 污染控制的重點。隨著燒結礦產量大幅度增加和燒結機的大型化發展, 單機廢氣量和SO2 排放量隨之增大,控制燒結機煙氣SO2 污染勢在必行。國外已投巨資對此進行治理,甚至關閉了燒結廠。目前我國在燒結煙氣SO2 脫除方面基本上還處于空白,僅有幾個小型燒結廠上了脫硫設施,而以燒結礦為主要原料的煉鐵生產又不允許大量關閉燒結廠。因此,對燒結煙氣進行脫除處理是滿足今后日益嚴格的環保要求的唯一選擇。目前的關鍵是借鑒國外的先進經驗,開發應用適合我國燒結特點的先進脫硫工藝。
1 燒結煙氣SO2 主要控制技術
目前,對燒結煙氣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) 與氧反應產生的,一般認為S 生成SO2 的比率可以達到 85 %～95 %. 因此,在確定燒結原料方案時,適當地選擇配入含硫低的原料,從源頭實現對SO2 排放量的控制,是一種簡單易行有效的措施。
該法因對原料含硫要求嚴格,使其來源受到了一定的限制,燒結礦的生產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狀來看, 此法難以全面推廣應用。
1. 2 高煙囪稀釋排放
燒結煙氣中SO2 的質量濃度一般在1000 ～ 3000 mg/ m3 且煙氣量大,若回收在經濟上投資較大,故大多數國家仍以高煙囪排放為主,如美國煙囪最高達360 m.
我國包鋼燒結廠目前采用低含硫原料、燃料,燒結煙氣經200 m 高煙囪排放,SO2 最大落地質量濃度在0. 017 mg/ m3 以下。寶鋼的燒結廠采用200 m 高煙囪稀釋排放。這種方法簡單易行,又比較經濟。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,煙氣脫硫技術在燒結廠的應用勢在必行。
煙氣脫硫是控制燒結煙氣中SO2 污染最有效的方法。目前世界上研發的煙氣脫硫技術有200 多種,進入大規模商業應用的只有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,而國內用于燒結煙氣脫硫的技術進展較慢。國內僅有幾個小燒結上了脫硫設施。如廣鋼2 臺24 平燒結機采用雙堿法工藝,臨汾鋼廠利用燒結煙氣處理焦化廢水等,因脫硫設施或多或少存在一些問題,所以運行也不正常。
2 燒結煙氣的特點
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生的含塵廢氣。它與其他環境含塵氣體有著明顯的區別,其主要特點是:
1) 煙氣量大,每生產1 t 燒結礦大約產生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。為了提高燒結混合料的透氣性, 混合料在燒結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成型過程,均將產生一定量的SOx ,NOx ,它們遇水后將形成酸,對金屬結構會造成腐蝕。
6) 含SO2 濃度較低,根據原料和燃料差異而變化,一般在1 000～3 000 mg/ m3 .
3 燒結煙氣脫硫技術
3. 1 技術現狀分析
燒結煙氣脫硫的研究,日本居于世界領先地位, 按照嚴格的環境保護標準,在上世紀70 年代建設的大型燒結廠采用了燒結煙氣脫硫法,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爐廢渣研磨制成的漿液為脫硫劑,產品為低濃度石膏。該法脫硫效率高、投資省。利用了廢渣,但易結垢、產品不能利用。
氨硫銨法脫硫工藝是利用焦化廠產生的氨氣, 脫除燒結煙氣中的SO2 . 該法脫硫效率高,副產品可利用。但存在氨損、副產物穩定化、副產品品質、副產品的市場化等問題。
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;副產品經綜合加工后可利用。但存在運行成本高、設備龐大且造價高、腐蝕問題突出、硫資源回收處理等外圍系統復雜、系統長期運行穩定性差等問題。
電子束法煙氣脫硫能同時脫硫脫硝,過程簡單, 不產生廢水廢渣,副產品可用作化肥。但系統的安全性差,運行成本高,電子加速器價格昂貴,脫硫產物難以有效捕集及利用,應用范圍受到限制。
3. 2 密相干塔煙氣脫硫技術
密相干塔煙氣脫硫技術是北京科技大學環境工程中心針對我國國情開發的一種先進的半干法煙氣脫硫技術,具有脫硫效率高、投資運行費用低、可靠性高、占地面積小、無廢水產生、副產物易處理等優點。在歐洲,已有20 多家相當規模的電站鍋爐、工業鍋爐和工業爐窯工業化應用了該技術。
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灰一起進入加濕器內進行增濕消化,使混合灰的水分含量保持在3 %到5 %之間,加濕后的循環灰由塔上部進料口進入塔內,工藝流程如圖1 所示。含水分的循環灰有極好的反應活性和流動性,與由塔上部進入的煙氣發生反應。脫硫劑不斷循環利用,脫硫效率可達 95 %。最終脫硫副產物由灰倉溢流出循環系統,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。預除塵后的煙氣由塔上部入口進入,在塔內與高活性的鈣基脫硫劑進行SO2 吸收反應,反應后的煙氣由塔下部煙道出口排出,經除塵器除塵凈化后排入大氣。
2) 脫硫劑的循環利用。塔內落下的反應產物、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,在加濕器內加少量水增濕活化后再次進入塔內進行脫硫反應,實現脫硫劑的循環利用。
3) 該過程發生的主要反應式如(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 ) 外殼的未反應的Ca (OH) 2 不斷裸露出來,使脫硫反應不斷充分地進行,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,通常循環脫硫劑的含水質量比為3 % ～5 %;
3) 塔內的攪拌器強化了傳質過程,延長了脫硫反應的時間,保證了系統的運行效果;
4) 系統對不同SO2 濃度的煙氣及負荷變化的適應能力極強,這是該技術的顯著優點;
5) 脫硫劑在整個脫硫過程中處于干燥狀態,操作溫度高于露點,沒腐蝕或冷凝現象,無廢水產生;
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 系統的自動控制
整個工藝過程設兩個控制回路:通過調節加濕器內加入水量來保證密相干塔中反應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 濃度的連續監測,調整吸收劑的加入量。
4 建議
目前,煙氣脫硫的工藝很多,對于燒結煙氣的脫硫處理,要針對煙氣特點并結合現場的情況,做出合理的選擇。
1) 工藝選擇應堅持以下原則:技術先進成熟且符合企業自身的技術和經濟環境狀況、設備簡單可靠且操作簡便、自動化程度高、投資省、脫硫率較高且穩定、運行成本與能耗低、脫硫劑來源廣泛、副產品易于處理且不產生二次污染。
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,適合進行燒結煙氣的脫硫處理。
3) 燒結過程中,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模,可只將含SO2 濃度高的煙氣引入脫硫裝置,這樣可以節約大部分資金。
4) 加快推進燒結煙氣脫硫技術的工業應用,逐步消除我國SO2 和酸雨的污染對經濟發展的消極影響,促進鋼鐵企業的可持續發展。
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