中國燒結煙氣脫硫的發展
1 應用基礎理論研究促進技術開發
對首鋼、鞍鋼、攀鋼和石鋼等多家企業的燒結煙氣SO2 濃度進行實地測量,得出的普遍結論是沿燒結機運行方向SO2 濃度呈現出兩頭低、中間高的特點。但是隨著燒結機規模、原料硫負荷、配比、堿度、操作參數、煙氣含氧量等因素不同,SO2 的總排放濃度從300～5 000 mg/ m3 不等,差異很大; SO2 濃度沿燒結機運行方向分布曲線的峰值位置可能發生偏移,各個因素的具體影響程度,需要從應用基礎理論上進行研究,輔以相應的實驗室模擬試驗,從而對燒結煙氣SO2 的生成、排放機理進行深入研究,為后續煙氣脫硫裝置的開發提供依據。
2 燒結煙氣脫硫工藝的選擇
2. 1 技術風險與運行風險
(1) 技術風險
有些脫硫技術雖然在燒結煙氣脫硫領域有成功實例,但是由于企業間的原燃料條件等不同,不能簡單照搬;有些脫硫技術雖然在電廠應用獲得成功,但是由于燒結煙氣與電廠煙氣性質差異很大,所以也不能簡單地移植;有些脫硫技術理論成熟,尚無工業應用實例,也可能要從發展前景上仔細斟酌。任何一種脫硫技術,企業都應該根據自身的原燃料和工藝條件進行論證。
(2) 運行風險
運行風險主要包括燒結脫硫裝置的安全性和可靠性。例如:石灰2石膏法較易腐蝕、磨損,有時甚至導致管路堵塞;氨2硫酸銨法當脫硫劑焦化氨水不足時,需要補充液氨,液氨屬于化學危險品,運輸、存儲要求較高,而且要防范氨氣殘留溢出的危險;循環流化床法由于煙氣量波動常會引起吸收劑的流化狀態不穩定,要避免出現堵塞、失流、塌床等現象的發生;海水脫硫法因燒結煙氣成分復雜可能有時會污染海域;電子束照射法必須要有嚴格龐大的放射線防護設施,其產生的臭氧對脫硫裝置常有腐蝕。當然,每一技術都存在一定的運行風險,關鍵在于如何對其進行有效的完善和改進,最大程度地降低運行風險。
2. 2 投資成本與運行成本
(1) 投資成本
濕法煙氣脫硫技術,如石灰2石膏法和氨2硫酸銨法,由于工藝比較復雜,投資較大;半干法煙氣脫硫技術,如密相塔法和循環流化床法,由于取消了濕法脫硫工藝中的制漿、增稠和脫水等設備,工藝比較簡單,投資較少;活性炭法由于設備造價高,活性炭價格貴,尤其硫資源回收處理等外圍系統復雜,投資巨大且運行費用很高。
(2) 運行成本
投資成本是一次性的,而運行成本是長期的。考慮這兩個因素時,要把運行成本放在第一位。運行成本主要與脫硫劑和副產物有關。
①脫硫劑
脫硫劑的用量和價格與運行成本的高低有很大關系。石灰2石膏法、密相塔法、循環流化床法等使用的脫硫劑為石灰或者石灰石,氨2硫酸銨法使用的脫硫劑為氨水(焦化氨水或者液氨) ,活性炭法使用的是活性炭。
對于使用石灰或者石灰石作為脫硫劑的脫硫系統,鈣硫比是影響系統脫硫效率和經濟運行的重要參數,它是指加入系統的新脫硫劑中鈣的摩爾數與煙氣中被脫除的硫的摩爾數的比值。中國石灰石資源豐富,除上海、香港、澳門外,在各省區均有分布。氨2硫酸銨法的脫硫劑可以使用焦化氨水,做到 “以廢制廢”,但首先要求企業要有焦化廠,而且焦化廠的氨水產量與燒結脫硫所需基本平衡。
活性炭法的活性炭損耗較高,即使循環使用,每脫除1 t SO2 ,活性炭損失在150 kg 左右。因活性炭價格較貴,通過選擇特殊的原料和炭化活化工藝制成性能優越、價格低廉的脫硫活性炭是一重要的課題。日本東北大學有山達郎教授與北京科技大學合作,研究開發用廢木材、廢紙屑和廢塑料等有機廢棄物加工活性炭工藝,活性炭產品的強度和比表面積均達到使用要求。
②副產物與循環經濟
按照循環經濟的原則,脫硫副產物的價值高低、能否利用已經成為影響脫硫技術推廣應用的關鍵因素。
石灰2石膏法是目前燒結脫硫最成熟的技術,副產物為純度90 %以上的石膏,日本20 世紀70 年代建設的燒結脫硫裝置廣泛采用,中國寶鋼目前也已采用。但由于日本缺乏天然石膏,副產物含硫石膏可以得到利用。而中國存在大量廉價天然石膏,除浙江、福建、黑龍江3 省外,所有地區都有非常豐富的天然石膏資源,已探明的天然石膏資源大約為 570 億t ,脫硫石膏的利用受到影響。
活性炭法和氨2硫酸銨法的脫硫副產物均可回收。其中活性炭法的副產物為硫磺和濃硫酸,應用前景廣闊。氨2硫酸銨法的脫硫副產物為硫酸銨化肥,純度可達96 %以上,進一步研究其微量重金屬含量及對農作物的影響,也是一個重要的課題。
2. 3 二次排放
(1) 氣體排放
對于以石灰石、石灰和碳酸鹽作脫硫劑的濕法和半干法脫硫技術,在生成脫硫劑的前道工序和脫硫過程中都會有CO2 排放。例如: 石灰2石膏法每處理1 t SO2 要排放0.7 t CO2 ,因此燒結煙氣脫硫要與控制CO2 排放,需同步考慮。
(2) 固體排放
目前,以石灰石、石灰作脫硫劑的半干法脫硫技術,如密相塔法和循環流化床法等,脫硫副產物也為石膏,可用作干混砂漿主料、水泥緩凝劑、建筑材料和筑路材料等。其中密相塔法脫硫副產物(石膏為主) 用于生產干混砂漿,其中的膠凝材料全部使用冶金生產固體廢棄物,不需加入水泥。干混砂漿技術是為改變傳統的在建筑工地現場配置砂漿易造成質量不穩定和污染環境的問題而逐漸形成的砂漿生產與使用方法。這項技術不但能夠使得砂漿生產的主要環節從建筑工地轉向工廠車間,從而形成高效、環保的流水作業方式,而且還有利于大量使用各種固體廢棄物。用密相塔法脫硫副產物制造干混砂漿的技術已在石家莊附近得到應用,效果良好。
(3) 廢水排放
石灰2石膏法、氨2硫酸銨法等濕法脫硫技術用水量較大,并有污水排放。
2.4 占地要求與煙氣處理能力
中國建成較早的燒結廠,大都沒有預留燒結脫硫位置(新廠則已預留) 。對于改造空間受限的企業宜選擇工藝簡單、占地面積小的半干法脫硫技術,如密相塔法和循環流化床法。
密相塔法脫硫技術占地面積較小,目前煙氣處理能力一般為50 萬m3 / h 以上,而處理120 萬m3 / h 及更大能力的裝置即將應運而生。目前氨2硫酸銨法煙氣處理能力可以達到120 萬m3 / h ,活性炭法煙氣處理能力可以達到170 萬m3 / h 。活性炭法不僅煙氣處理能力大,其占地面積也較小,這是活性炭法相對于其它脫硫技術的一大優勢。
2. 5 脫硝及二噁英脫除
發達國家對污染物的治理大致可以分為三個階段:第一階段是粉塵治理,第二階段是SO2 、NOx 等污染物治理,第三階段是CO2 、二噁英、痕量重金屬等污染物治理。中國新頒布的《鋼鐵工業大氣污染物排放標準燒結(球團) 》(征求意見稿) 對氮氧化物和二噁英的排放限制已經作出明確規定,這就要求脫硫之后也能夠考慮脫硝及二噁英脫除,如活性炭法;當前脫硫系統應該預留脫硝和脫二噁英的節點, 以備日后功能擴展。
3 選擇性脫硫與循環富集脫硫
3. 1 選擇性脫硫
選擇性脫硫的技術思想是根據燒結機頭與機尾處SO2 濃度低、中間部分SO2 濃度高的特點,將由風箱抽出的煙氣分成2 條煙道,分別進入2 臺電除塵器和2 臺主抽風機,其中一條煙道為SO2 濃度低的非脫硫系煙道,經過主抽風機后直接排入煙囪;另一條煙道為SO2 濃度高的脫硫系煙道,并在該煙道主抽風機后安裝脫硫裝置,煙氣經脫硫后再由煙囪排放。選擇性脫硫技術可以大幅減少脫硫裝置需要處理的煙氣量,節省投資和運行費用。
選擇性脫硫技術的關鍵之處在于脫硫系煙道與非脫硫系煙道之間的煙氣分配。國內大型燒結機大都采用雙煙道,但是設計初衷是為了同時使用兩個中型風機進行抽風,若采用單煙道則需要大型風機。
根據在許多企業的實測和脫硫裝置實際運行經驗,可以對雙煙道的局部進行改造,將每個風箱與兩條煙道都通過支管連通,在每個風箱底部總管段安裝閥門來控制煙氣流向,并對每個風箱安裝煙氣成分實時監測設備,隨時根據每個風箱的SO2 濃度, 動態調整風箱煙氣流向,真正實現脫硫系煙道SO2 濃度高而被脫除,非脫硫系煙道SO2 濃度低而直接排放,達到選擇性脫硫的目的。
3. 2 循環富集脫硫
循環富集脫硫的技術思想是從燒結機煙道中取一部分煙氣返回到燒結機上部的密封罩內進行循環,同時補充燒結機燃燒所需要的氧氣,剩余部分煙氣經脫硫處理后排放。由于將燒結過程中的燒結煙氣部分返回燒結機的密封臺車上,以減少燒結過程中產生的煙氣外排量,從而減少外排的煙氣總量,同時對燒結過程中產生的SO2 起到富集作用,可提高脫硫效率,減少脫硫裝置的煙氣處理量。
循環富集脫硫技術的關鍵難點是如何有效控制氧氣的加入量,保證系統的安全性與可靠性,達到最好的燒結效果。
4 燒結工序中脫硫裝置的優化配置
燒結煙氣脫硫裝置一直以來被認為是燒結工序后面的附加設施,所以燒結工序的系統設計與煙氣脫硫的系統設計經常是由不同單位完成,設計理念和思路的不同易造成系統間的銜接出現問題。例如,有些燒結煙氣脫硫技術(活性炭法等) 也具有除塵的作用,功能與原有的燒結除塵設備相同,應考慮是否取消原有的除塵設備或者減小原有除塵設備的規模。此外,燒結煙氣脫硫和廢氣余熱回收也應該協調平衡進行開發。
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