高爐作為長(zhǎng)流程煉鋼的主流煉鐵裝備，在鋼鐵行業(yè)內(nèi)具有舉足輕重的地位。利用高爐進(jìn)行煉鐵，每噸鐵水副產(chǎn)1600-2000立方米的高爐煤氣，熱值700-800大卡/立方米，煤氣中含有一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)狻�氫氣等組分，同時(shí)伴有塵、硫等污染物。一般情況下，高爐煤氣通過重力除塵和布袋除塵后，被應(yīng)用于熱風(fēng)爐、燒結(jié)、加熱爐、發(fā)電等工序，最后排放到大氣中，煙氣中的二氧化硫排放濃度100-200毫克/立方米。

2019年4月28日，生態(tài)環(huán)境部、發(fā)改委、工信部等五部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，對(duì)鋼鐵行業(yè)超低排放指標(biāo)提出了要求。具體來看，燒結(jié)機(jī)機(jī)頭、球團(tuán)焙燒煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度小時(shí)均值分別不高于10、35、50毫克/立方米;其他主要污染源顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度小時(shí)均值原則上分別不高于10、50、200毫克/立方米，達(dá)到超低排放的鋼鐵企業(yè)每月至少95%以上時(shí)段小時(shí)均值排放濃度滿足上述指標(biāo)。

由此可見，現(xiàn)有鋼鐵行業(yè)的高爐煤氣利用后的二氧化硫排放濃度100-200毫克/立方米，遠(yuǎn)高于超低排放指標(biāo)要求的35、50毫克/立方米，因此，鋼鐵行業(yè)高爐煤氣的利用需要進(jìn)行脫硫處理。

一、高爐煤氣脫硫點(diǎn)：前端和末端

高爐煤氣的脫硫處理可以分為前端脫硫和末端脫硫，主要區(qū)別在于處理的硫形態(tài)和處理的氣量不同。

1、前端脫硫(燃燒用氣點(diǎn)之前)

高爐冶煉鐵水，是利用焦炭、煤和鐵礦石發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生的高爐煤氣中的硫也主要是以還原態(tài)形式存在。經(jīng)過色譜取樣檢測(cè)，高爐煤氣中的有機(jī)硫：羰基硫(COS)、二硫化碳(CS2)占總硫含量的70-80%;無機(jī)硫：硫化氫(H2S)占總硫含量的20-30%。

因此高爐煤氣前端脫硫需要脫除的是上述三類硫化物，即羰基硫、二硫化碳和硫化氫。

前端脫硫所處理的氣量為高爐實(shí)際產(chǎn)生的氣量，以1080立方米高爐為例，每小時(shí)產(chǎn)生的高爐煤氣量為24-28萬立方米，因?yàn)樵谟脷恻c(diǎn)之前集中處理，所以只需要建設(shè)一套脫硫裝置。

2、末端脫硫(燃燒用氣點(diǎn)之后)

高爐煤氣利用在熱風(fēng)爐、燒結(jié)、加熱爐等用氣點(diǎn)，是利用煤氣自身700-800大卡/立方米的熱值，煤氣中存在熱值的組分主要是一氧化碳(20-25%)，氫氣(1%)。一氧化碳、氫氣和空氣中的氧氣發(fā)生燃燒氧化反應(yīng)的同時(shí)，煤氣中的羰基硫、二硫化碳和硫化氫也與氧氣反應(yīng)生成二氧化硫。因此，高爐煤氣末端脫硫需要脫除的是末端生成物二氧化硫。

末端脫硫所處理的氣量除高爐實(shí)際產(chǎn)生的煤氣量外，增加了配入空氣的量，以1080立方米高爐為例，每小時(shí)需要處理的氣量為38萬立方米(高爐煤氣量按26萬立方米/小時(shí)，一氧化碳和氫氣含量按25%，配入空氣量約為15.5萬立方米/小時(shí)，空氣中氧含量按21%計(jì)算)。相比前端處理，需要處理氣量增加了50%，同時(shí)由于用氣點(diǎn)分散，末端脫硫需要針對(duì)每個(gè)用氣點(diǎn)都建設(shè)脫硫裝置。

綜合以上分析，可將兩種脫硫方法做簡(jiǎn)單對(duì)比，如表1所示：

表1 1080立方米高爐前端脫硫和末端脫硫工藝對(duì)比

脫硫類型脫硫?qū)ο筇幚須饬垦b置套數(shù)

前端脫硫COS、CS2、H2S26萬Nm³/h1

末端脫硫SO238萬Nm³/h5-10

二、3種高爐煤氣脫硫技術(shù)分析對(duì)比

隨著各省市逐步推動(dòng)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放，與高爐煤氣脫硫有關(guān)的各類需求近期才受到關(guān)注。前端脫硫主要分為干法和濕法;末端脫硫因和其他工業(yè)煙氣工況類似，可利用傳統(tǒng)的石灰石膏法、鎂法、氨法等脫硫工藝。

1、前端干法脫硫

前端干法脫硫技術(shù)借鑒化工行業(yè)的脫硫工藝，先將有機(jī)硫通過水解(利用高爐煤氣自身水分，不補(bǔ)水)變換為無機(jī)硫，再利用干法脫硫劑將無機(jī)硫進(jìn)行脫除，工藝流程如圖1所示：

圖1 前端干法脫硫流程圖

具體工藝路線：高爐煤氣從爐頂出來，先經(jīng)過重力除塵和布袋除塵裝置，將其中的塵含量降到10毫克/立方米以下，接著進(jìn)入透平發(fā)電裝置(TRT)，利用煤氣壓力和溫度發(fā)電，再通過水解轉(zhuǎn)化裝置，將羰基硫和二硫化碳轉(zhuǎn)換為硫化氫，然后進(jìn)入脫硫裝置，利用干法脫硫劑將煤氣中的硫化氫脫除，最后進(jìn)入各個(gè)用氣點(diǎn)進(jìn)行利用，經(jīng)過脫硫后，各個(gè)用氣點(diǎn)排放的煙氣中的二氧化硫濃度達(dá)到超低排放要求。

前端干法脫硫的優(yōu)點(diǎn)：

①不影響TRT發(fā)電，水解、脫硫工藝全部放在TRT之后;

②無廢液產(chǎn)生，干法路線不產(chǎn)生廢液;

③脫硫精度高，總硫含量小于500mg/Nm³，更適合干法;

④不懼硫波動(dòng)，當(dāng)煤氣中硫含量波動(dòng)時(shí)，無需額外操作;

⑤無人值守，固定床工藝，只需巡檢;

⑥運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，水解劑、脫硫劑使用壽命大于一年;

⑦環(huán)保閉環(huán)，置換下來的水解劑、脫硫劑可廠內(nèi)二次利用;

⑧產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用成效顯著，前端干法脫硫工藝目前已有連續(xù)7年穩(wěn)定運(yùn)行的成功案例，其他同類工藝還沒有運(yùn)行超過一年的業(yè)績(jī)。

前端干法脫硫的不足：相比前端濕法脫硫，占地面積較大，但比末端脫硫占地小。

2、前端濕法脫硫

由于高爐煤氣中的有機(jī)硫直接脫除困難，所以前端濕法脫硫也需要先將有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫，再利用噴淋塔將無機(jī)硫脫除，工藝流程如圖2所示：

圖2 前端濕法脫硫流程圖

具體工藝路線：高爐煤氣從爐頂出來，先經(jīng)過重力除塵和布袋除塵裝置，將其中的塵含量降到10毫克/立方米以下，接著進(jìn)入水解轉(zhuǎn)化裝置，將有機(jī)硫轉(zhuǎn)換為無機(jī)硫，再通過透平發(fā)電裝置(TRT)，然后進(jìn)入脫硫裝置，利用噴淋塔噴堿液(20%氫氧化鈉溶液)將煤氣中的硫化氫脫除，最后進(jìn)入各個(gè)用氣點(diǎn)進(jìn)行利用。

前端濕法脫硫的優(yōu)點(diǎn)：占地較小。

前端濕法脫硫的不足：

①水解放在TRT前，壓力和溫度的損失影響TRT發(fā)電;

②產(chǎn)生大量廢液;

③脫硫精度較低，總硫含量大于1000mg/Nm³，更適合干法;

④當(dāng)煤氣中硫含量波動(dòng)時(shí)，需要人工調(diào)整堿液用量;

⑤沒有長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行案例。

另外，前端濕法脫硫尚存在三個(gè)需解決問題：

①高爐煤氣中二氧化碳含量為15-20%，硫含量為100-200毫克/立方米，二氧化碳和硫化氫遇到氫氧化鈉溶液都會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鈉和硫化鈉，二氧化碳濃度為硫化氫的數(shù)千倍，因此，若要滿足硫化氫與噴堿液充分反應(yīng)，對(duì)于噴堿液的量需要做過量計(jì)算;

②高爐煤氣中的硫通過水解后變?yōu)榱蚧瘹�，再通過和堿液反應(yīng)生成硫化鈉廢液，硫化鈉溶液和空氣中氧反應(yīng)生成硫代硫酸鈉溶液，一般情況下，會(huì)作為高爐沖渣水使用，高爐渣的溫度大于1400℃，硫代硫酸鈉溶液在高溫條件下又會(huì)分解為二氧化硫，可能會(huì)在沖渣水現(xiàn)場(chǎng)無序排放，需要采取有效措施;

③高爐煤氣濕法脫硫后產(chǎn)物為碳酸鈉和硫化鈉，雖然大多數(shù)都融入廢液中，但仍有少部分存在于高爐煤氣中，后段用氣點(diǎn)隨著煤氣壓力和溫度的降低，會(huì)導(dǎo)致碳酸鈉、硫化鈉結(jié)晶，容易堵塞閥門，需要采取措施預(yù)防結(jié)晶。

3、末端脫硫(石灰石膏法、鎂法、氨法等)

末端脫除二氧化硫的技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用與電力、有色等行業(yè)，相關(guān)技術(shù)介紹較多，本文不再細(xì)述，只做和前端脫硫技術(shù)的對(duì)比。

末端脫硫的優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用廣泛。

末端脫硫的不足：

①套數(shù)多，因高爐煤氣用氣點(diǎn)多(5-10個(gè))，每個(gè)用氣點(diǎn)都需要配置;

②投資大，相對(duì)前端要建設(shè)更多套裝置;

③占地大，套數(shù)多且處理氣量比前端多50%;

④維護(hù)工作量大;

⑤占用人工多。

另外，目前鋼鐵企業(yè)內(nèi)部占地都比較緊張，如果再在每個(gè)用氣點(diǎn)都增設(shè)脫硫裝置，實(shí)際操作性較差。

目前國內(nèi)市場(chǎng)主要的三類高爐煤氣脫硫技術(shù)各有特點(diǎn)，綜合上述分析，從鋼鐵企業(yè)較為關(guān)注的占地、投資、能耗等方面進(jìn)行對(duì)比，詳見表2：

表2 不同脫硫技術(shù)投資成本對(duì)比表

脫硫技術(shù)占地投資運(yùn)行成本

前端干法脫硫⚫◯⚫

⚫⚫

前端濕法脫硫⚫⚫⚫⚫

末端傳統(tǒng)脫硫⚫⚫⚫⚫⚫⚫⚫⚫⚫

注：“˜⚫”表示數(shù)量，“⚫”越多代表成本越高

除了關(guān)注占地、投資，工藝指標(biāo)、技術(shù)穩(wěn)定性等同樣是鋼鐵企業(yè)重點(diǎn)考慮的影響因素，具體對(duì)比結(jié)果詳見表3：

表3 不同脫硫技術(shù)工藝指標(biāo)對(duì)比表

脫硫技術(shù)脫硫精度穩(wěn)定性綜合比較

前端干法脫硫★★★★★★★★★

前端濕法脫硫★★★★★★

末端傳統(tǒng)脫硫★★★★★★★☆

注：“★”表示分值，“★”越多代表評(píng)分越高

三、高爐煤氣脫硫項(xiàng)目成功案例（前端干法脫硫）

2012年，湖南華菱衡鋼集團(tuán)采用北京北大先鋒科技有限公司的鋼廠煤氣資源化利用技術(shù)，建設(shè)了一套高爐煤氣提升熱值裝置，高爐煤氣處理量為67000立方米/小時(shí)，熱值從700大卡/立方米提升到了2100大卡/立方米，用做軋鋼加熱爐的燃料氣體。在提升熱值的工藝中，利用變壓吸附(PSA)工藝把高爐煤氣中的一氧化碳濃度從21%提純到70%，PSA提純一氧化碳設(shè)備對(duì)高爐煤氣中的硫含量有嚴(yán)格的要求，總硫含量必須在0.1ppm以下，為此，北大先鋒在當(dāng)時(shí)建成了國內(nèi)第一套高爐煤氣前端干法脫硫裝置，以滿足后續(xù)PSA工藝對(duì)總硫含量的嚴(yán)格要求。

該項(xiàng)目中，高爐煤氣通過除塵凈化后先經(jīng)過水解塔，將煤氣中的有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫，之后將煤氣降溫通過脫硫塔，將無機(jī)硫氧化為硫單質(zhì)達(dá)到脫硫的目的，經(jīng)過脫硫后的高爐煤氣直接進(jìn)入PSA提純一氧化碳工序。數(shù)據(jù)顯示，包括前端干法脫硫在內(nèi)的整套PSA分離一氧化碳設(shè)備自2013年開車運(yùn)行以來，一直連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。

四、總結(jié)

高爐煤氣脫硫是近一年興起的市場(chǎng)需求，加快上馬高爐煤氣精脫硫設(shè)備一方面為了響應(yīng)“超低排放”的環(huán)保政策，另一方面也有助于鋼鐵企業(yè)綠色生產(chǎn)。就脫硫位置劃分為前端脫硫和末端脫硫，前端脫硫?qū)儆谙鄬?duì)創(chuàng)新型的脫硫技術(shù)，末端脫硫?qū)儆谙鄬?duì)傳統(tǒng)型的脫硫技術(shù)。通過對(duì)投資、占地、運(yùn)行等方面的比較，前端脫硫比末端脫硫更具有優(yōu)勢(shì)。尤其面對(duì)現(xiàn)有鋼鐵企業(yè)內(nèi)部用地緊張的現(xiàn)實(shí)狀況，高爐煤氣用氣點(diǎn)一般都在5-10個(gè)，在每個(gè)用氣點(diǎn)旁邊都建設(shè)一套末端脫硫裝置存在較大困難，因此，高爐煤氣選用前端脫硫技術(shù)更具有實(shí)操性。

北大先鋒為華菱衡鋼設(shè)計(jì)建設(shè)的高爐煤氣前端干法脫硫有7年成功運(yùn)行案例，工藝技術(shù)成熟度更高。前端濕法脫硫存在堿液用量過量、沖渣水現(xiàn)場(chǎng)硫排放和硫化鈉結(jié)晶等問題，且尚沒有穩(wěn)定運(yùn)行一年以上的工業(yè)案例。因此，高爐煤氣脫硫選用前端干法脫硫更具有經(jīng)濟(jì)性、可靠性，是目前高爐煤氣脫硫項(xiàng)目中穩(wěn)定性和可行性最優(yōu)的工藝路線。

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