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燒結機脫硫新技術的選擇與應用

2013-11-20 15:55:20 來源：

                      燒結機脫硫新技術的選擇與應用
                                                  一、前言
     國家環境保護十二五規劃基本思路指出：我國環境形勢呈現“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化和城市化快速發展階段，經濟結構調整和粗放型經濟增長方式的轉變還需較長時間，污染減排任務仍然相當艱巨，改善環境質量的難度持續增加和人民群眾不斷提高的環境需求之間的矛盾更加突出，環境壓力繼續加大。
    根據規劃要求到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。
    鋼鐵工業是國民經濟的重要支柱產業，也是我國*主要的能源資源消耗和污染物排放行業之一。特別是國家重點控制的污染物二氧化硫，鋼鐵行業的排放僅次于火電行業，而且隨著電力行業煙氣脫硫工作取得明顯成效，鋼鐵行業占全國工業二氧化硫排放量的比例由“十二五”出期的8%上升到10%。隨著國家環保要求日趨嚴格，將給鋼鐵行業污染減排提出更高的要求，特別是鋼鐵行業在“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、國內外燒結煙氣脫硫技術發展現狀及趨勢
    國外燒結煙氣脫硫技術起步較早，經過幾十年的發展，脫硫技術已成熟。從脫硫工藝來看，濕法、半干法、干法都有成功的業績，其中應用*成熟的是石灰石—石膏法。據統計，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。國內外濕法煙氣脫硫具有技術成熟、運行穩定、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。因此，結合燒結機工藝生產特性，積極開發應用高效率低能耗、投資省、運行穩定、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別，目前國內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。目前國內已投運的燒結煙氣脫硫裝置采用的技術主要有循環流化床法、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、不產生二次污染、*、副產物可以綜合利用是燒結煙氣脫硫技術的發展方向。
    我國鋼鐵企業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SO2減排工作的重點。鋼鐵企業需結合自身特點，從脫硫裝置運行有效性、穩定性、經濟性來選擇*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年的統計數字中顯示：在全國已有的1000多臺燒結機中，配置脫硫設施的為389臺，約占總臺數的1/3，約2/3的鋼鐵燒結機還沒有上脫硫技術。已經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減排依然是環保工作的重點。目前，據環境保護部統計，我國二氧化硫年排放量約為2500萬~2600萬噸，鋼鐵行業的二氧化硫排放量占工業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，約占企業排放量的75％~85％。因此，燒結脫硫是治理鋼鐵企業二氧化硫的重點工作。2012-2013年我國鋼鐵行業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，每生產一噸燒結礦大約產生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）不穩定性，由于燒結工況波動，煙氣量、煙氣溫度、SO2濃度經常發生變化，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		不穩定，≤200mg/m³；
介質重度	kg/Nm³	平均1.25

2 燒結機煙氣脫硫技術現狀
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外鋼鐵企業常用控制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干燥吸收工藝（SDA）、循環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%
系統阻力	大	中	小
運行成本	高	中	低
脫硫副產物	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展*成熟，在全球范圍內廣泛應用的煙氣脫硫技術，脫硫效率可達95%以上。經過幾十年的研究和優化，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、工業鍋爐/爐窯的煙氣脫硫中也被廣泛使用。
2.2循環流化床法(CFB)半干法脫硫工藝
   循環流化床煙氣脫硫工藝以循環流化床為原理，通過物料在反應塔內的內循環和高倍率的外循環，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％，脫硫副產物為以亞硫酸鈣為主的脫硫灰渣。
3 石灰石-石膏法與循環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.，有利于地區和燒結廠實行總量控制。
     循環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復雜，占地面積相對于以消石灰為脫硫劑的循環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穩定性
   確保煙氣脫硫系統的安全、穩定運行，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。
    循環流化床半干法脫硫技術需在流化床內噴水，為脫硫反應創造*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，使得流化床內噴水量很難精確調節，水量過少，則反應效率降低；水量過多，會導致流化床內物料粘結和出口煙氣帶水，并造成后續除塵器的腐蝕、堵塞，影響系統的正常運行。同時，煙氣量的波動也會影響到脫硫塔內的流化狀態發生改變，影響脫硫效率和系統穩定運行。
3.3經濟性
   對于經濟性，主要考慮投資費用、運行費用及副產物的處理利用。
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（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+直排煙囪或對原煙囪進行防腐處理的措施。同時主要設備都已實現國產化，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，需經干式消化器反應后生成消石灰才能使用。只有高品質的石灰活性（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能耗后，總能耗與半干法煙氣脫硫系統相差不大。
（3）水耗
     石灰石-石膏法脫硫系統的水耗包括蒸發水、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，半干法脫硫系統水的消耗為濕法脫硫系統的60~70%，但水耗在整個運行費用中所占的比例不高。
3．3．3副產物的處理
    石灰石-石膏煙氣脫硫中副產物為石膏，其品質高，可作為水泥緩凝劑及石膏板材的原料，石膏出售產生的效益可抵消大部分脫硫劑石灰石的費用。循環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，尚無可靠的大規模利用的方法，經濟價值低于石膏，遠不能抵消脫硫劑石灰/消石灰的費用。

對比綜合論述

    通過當前鋼鐵行業燒結機機頭煙氣除塵脫硫各種技術對比后，發現干法脫硫技術脫硫效率會有一個極限值，且無法再逾越，其效率提高的局限性，限制了干法工藝的發展；半干法脫硫技術在目前看來，其理論上可以達到理想效果，但實踐中由于燒結工況十分復雜，目前已配套的半干法設備連續穩定運行超過6個月的實例尚不存在，因此這個技術有待完善；氨法脫硫技術則存在運行費用高、一次性投資大等問題。濕法脫硫技術就已配套的脫硫設備來看，直接照搬電廠工藝的較多，這種技術存在堵塞、結垢等無法保持其連續穩定運行的問題；
                         四、燒結機煙氣脫硫新技術的應用
      針對目前鋼鐵企業已經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有限公司與國內*科研單位共同進行研發改進，*新開發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域的建筑物環境。
　   脫硫劑易得；脫硫產物結晶水合物可作為水泥添加劑或紙面石膏板的原料；其品質高，無二次污染；石膏出售產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，副產物的再利用也成為新的難題，因此，鋼鐵企業在選擇脫硫工藝時不僅要了解工藝的脫硫效率，還要了解副產物是什么、如何利用。防止脫硫副產物成為新的污染源。
副產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物處理情況的跟蹤考察，現在看來，脫硫副產物的利用遇到了一些較難解決的問題。
   目前國內對于干法與半干法產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定運轉，究其原因，不僅是因為此工藝具有技術成熟、脫硫劑易得、脫硫效率高等優點，還在于其副產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，但是改進工藝后產生的副產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生的脫硫副產物在資源化應用方面仍具有很大優勢。
   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礦渣水泥，萊蕪鋼鐵有限公司就成功研發了脫硫石膏生產礦渣水泥的方法，經檢驗礦渣水泥的性能很好。
    綜上所述，國內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、*穩定、*經濟的煙氣脫硫技術，主要需考慮以下因素：
(1) 當地環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有限公司
                               文章推薦：北方爐窯協會

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