概述了燒結(jié)煙氣脫硫裝置在全國的分布,分析了幾種典型脫硫工藝在不同規(guī)模燒結(jié)機(jī)上的應(yīng)用現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)隨著燒結(jié)機(jī)面積的增加,半干法脫硫應(yīng)用的比例提高.統(tǒng)計了數(shù)十套脫硫裝置的運行數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)濕法脫硫在控制高SO2濃度煙氣、實現(xiàn)高脫硫效率方面具有顯著優(yōu)勢.綜合比較了幾種脫硫工藝的運行成本,活性炭法比較高,石膏法和氨法次之,CFB法和SDA法較低.氨法和活性炭法的優(yōu)勢在于脫硫副產(chǎn)物不產(chǎn)生二次污染.提出了選擇脫硫工藝應(yīng)考慮的幾個因素:脫硫效率、運行成本、脫硫副產(chǎn)物資源化利用和多污染物協(xié)同脫除.
0引言
目前，鋼鐵行業(yè)的二氧化硫(SO2)年排放量約200萬t，僅次于燃煤電力，居第二位，占全國SO2總排放量的10%。鋼鐵生產(chǎn)過程排放的SO2主要來源于燒結(jié)、煉焦和動力生產(chǎn)。燒結(jié)工序外排SO2占鋼鐵生產(chǎn)總排放量的60%以上，在長流程生產(chǎn)工藝中占總排放量的85%以上，是鋼鐵行業(yè)SO2的主要排放源。燒結(jié)煙氣是燒結(jié)混合料點火后，在高溫下燒結(jié)成型過程中產(chǎn)生的含塵廢氣，與燃煤鍋爐煙氣相比，具有成分復(fù)雜，煙氣量波動大(±40%)，溫度波動大(120～185℃)，含水量大(8%～13%)，含氧量高(14%～18%)等特點，這增加了燒結(jié)煙氣的治理難度。燒結(jié)煙氣脫硫是鋼鐵行業(yè)減排SO2的重點。
我國對SO2控制包括總量控制和濃度控制兩個方面�！秶噎h(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》提出，2015年SO2的排放量須由2010年的2267.8萬t減少到2086.4萬t，減排8%�！豆�(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》提出，2015年鋼鐵行業(yè)SO2排放量須由2010年的248萬t減少到180萬t，減排27%。按著GB28662—2012《鋼鐵燒結(jié)球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定新建燒結(jié)機(jī)煙氣SO2的排放限值為200mg/m3，其中京津冀、長三角和珠三角等大氣污染物特別排放限值地域，SO2的排放限值為180mg/m3。顆粒物的排放限值為50mg/m3，新增氮氧化物(NOx)排放限值為300mg/m3和二惡英為0.5ng-TEQ/m3。加強(qiáng)鋼鐵燒結(jié)煙氣污染排放控制勢在必行，鋼鐵燒結(jié)企業(yè)都配套有除塵裝置，目前已發(fā)展到關(guān)注脫硫的階段。
全國現(xiàn)有各種規(guī)模燒結(jié)機(jī)1240余臺，截止到2012年底，已建及在建脫硫裝置不足1/3。與燃煤電力行業(yè)煙氣脫硫相比，已投運的燒結(jié)煙氣脫硫裝置在不同程度上存在同步運行率較低的問題。本文概述了燒結(jié)煙氣脫硫技術(shù)的運行現(xiàn)狀，從脫硫效率、運行成本和副產(chǎn)物利用三個方面比較了幾種典型的燒結(jié)煙氣脫硫工藝，對鋼鐵燒結(jié)機(jī)如何選擇脫硫工藝提出了建議。
1國內(nèi)燒結(jié)機(jī)煙氣脫硫裝置運行現(xiàn)狀分析
控制燒結(jié)工序SO2排放主要有三種方法:原料控制、燒結(jié)過程控制和燒結(jié)煙氣脫硫，其中，燒結(jié)煙氣脫硫被認(rèn)為是控制SO2污染比較切實可行的方法。煙氣脫硫工藝按脫硫產(chǎn)物的形態(tài)可分為濕法、半干法和干法三類。濕法脫硫是利用濕態(tài)吸收劑吸收煙氣中的SO2，脫硫產(chǎn)物為濕態(tài)，主要有石灰石-石膏法、氨法、雙堿法和氧化鎂法等。半干法脫硫是向反應(yīng)器內(nèi)噴入吸收劑漿液或者同時噴入吸收劑與水霧，利用煙氣顯熱蒸發(fā)吸收產(chǎn)物中的水分，比較終產(chǎn)物為粉狀，主要有循環(huán)流化床法(CirculatingFluidizedBed，CFB)、旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法(SprayDryingAdsorption，SDA)等。干法脫硫是加入干態(tài)吸收劑，脫硫比較終產(chǎn)物為干態(tài)，主要有活性炭吸附法。
國內(nèi)燒結(jié)機(jī)煙氣治理可追溯到20世紀(jì)50年代，當(dāng)時包鋼從蘇聯(lián)引進(jìn)噴淋塔除氟脫硫工藝，在脫氟同時可脫除30%的SO2，但真正意義上的燒結(jié)機(jī)脫硫始于2005年。我國燒結(jié)機(jī)煙氣脫硫規(guī)模發(fā)展迅速:2010年底，我國已建及在建的燒結(jié)煙氣脫硫裝置有220套，燒結(jié)機(jī)總面積為1.95萬m2;2012年底，脫硫裝置增加至389套，燒結(jié)機(jī)總面積為6.32萬m2。2012年底，不同的脫硫工藝在各省份的投運數(shù)量如圖1所示。
由圖1可見:河北投運鋼鐵燒結(jié)煙氣脫硫裝置比較多，為151套，占全國投運脫硫裝置的39%;其次為山東、山西和河南，分別有47，33，20套;4個省份投運脫硫裝置占全國總脫硫裝置的64%。從脫硫工藝的分布看，河北選用石灰石-石膏法比較多，有99套，其次有氨法、CFB法和SDA法。石灰石-石膏法在山東、山西及河南也是應(yīng)用比較多，均占各省份投運脫硫裝置的60%以上。以上4個省份中，主要的脫硫工藝有:石灰石-石膏法脫硫裝置207套，氨法脫硫裝置41套，CFB法脫硫裝置34套，SDA法脫硫裝置15套。根據(jù)燒結(jié)機(jī)面積和脫硫工藝，按套數(shù)對2012年底全國投運鋼鐵燒結(jié)機(jī)脫硫裝置進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見圖2。
燒結(jié)機(jī)面積小于180m2時，共投運脫硫裝置226套。由圖2a可見:脫硫工藝應(yīng)用5套以上的有石灰石-石膏法、雙堿法、氨法、氧化鎂法和CFB法，占比依次為61.1%、12.8%、8.4%、4.9%和4.4%;石灰石-石膏法、雙堿法、氨法和氧化鎂法等濕法占比為87%，CFB法和SDA法等半干法占比為5%。
燒結(jié)機(jī)面積大于等于180m2且小于360m2時，共投運脫硫裝置117套。由圖2b可見:脫硫工藝應(yīng)用5套以上的有石灰石-石膏法、氨法、氧化鎂法、CFB法和SDA法，占比依次為47.0%、12.8%、12.0%、10.3%和5.1%;石灰石-石膏法、氨法和氧化鎂法等濕法占比為72%，CFB法和SDA法等半干法占比為16%。
燒結(jié)機(jī)面積大于等于360m2時，共投運脫硫裝置46套。由圖2c可見:脫硫工藝應(yīng)用5套以上的有石灰石-石膏法、CFB法、氨法和SDA法，占比依次為32.6%、23.9%、15.2%和13.0%;石灰石-石膏法和氨法等濕法的占比為48%，CFB法和SDA法等半干法的占比為37%�；钚蕴糠摿蚬に嚨膽�(yīng)用有2套。
石灰石-石膏法、氨法、氧化鎂法和雙堿法總投運燒結(jié)煙氣脫硫裝置303套，占全國總投運套數(shù)的78%，CFB法和SDA法投運48套，占比為12%。這說明，工程應(yīng)用數(shù)量大于5套的6種脫硫工藝占全國總投運套數(shù)的90%。由圖2d可見:隨著燒結(jié)機(jī)面積的增加，即處理煙氣量的增加，石灰石-石膏法、雙堿法、氨法和氧化鎂法等濕法脫硫工藝應(yīng)用的比例降低，CFB法和SDA法等半干法脫硫工藝應(yīng)用的比例逐漸升高。本文進(jìn)而對濕法和(半)干法脫硫工藝進(jìn)行了評價，包括脫硫效率、運行費用和脫硫副產(chǎn)物等三個方面。
2燒結(jié)煙氣脫硫工藝運行評價
2.1燒結(jié)煙氣脫硫運行效果
脫硫效率是考核脫硫裝置運行效果的重要指標(biāo)之一。影響濕法煙氣脫硫效率的主要因素有入口煙氣SO2濃度、氣液比和煙氣量等[1]。當(dāng)煙氣流量和脫硫劑加入量一定時，入口煙氣SO2濃度增加，脫硫效率隨之降低;煙氣量增加時，脫硫效率降低，但煙氣量增加會加劇氣液擾動，所以脫硫效率隨著煙氣量的增加，其降低的速率逐漸減緩;脫硫效率隨著氣液比的減小而增加，且增加幅度由大到小，比較后趨于平穩(wěn)。影響半干法脫硫效率的主要因素有石灰粒度、煙氣停留時間、近絕熱飽和溫差和入口Ca/S摩爾比等[2]。石灰的粒徑越小，比表面積和反應(yīng)活性越大，越有利脫硫氣固反應(yīng)的進(jìn)行;煙氣停留時間一般要求大于液滴干燥時間，時間越長脫硫效率越高;降低近絕熱飽和溫差或增大入口Ca/S摩爾比，均可提高脫硫效率。
出口SO2濃度也是考核脫硫裝置運行效果的重要指標(biāo)，尤其是入口SO2濃度較高的情況。為此本文考察了國內(nèi)25家鋼鐵企業(yè)投運的27套脫硫裝置的運行效果[3-25]，包括脫硫效率和出口SO2濃度兩個方面，結(jié)果見圖3，其中“(半)干法”包括半干法和干法。
國標(biāo)規(guī)定SO2排放濃度≤200mg/m3，當(dāng)燒結(jié)煙氣進(jìn)口SO2濃度<2000mg/m3時，脫硫效率≥90%，可滿足出口SO2濃度≤200mg/m3。由圖3a可見:濕法和半干法各有一套裝置不滿足，兩套裝置入口SO2濃度分別高達(dá)5000，3000mg/m3，盡管脫硫效率均為90%，出口SO2濃度依然>200mg/m3，不能達(dá)到SO2的排放要求。其余鋼廠的含硫氣體經(jīng)脫硫處理后，出口SO2濃度均在GB28662—2012中的排放限值以下。
圖3b對比了濕法和(半)干法出口SO2濃度:出口SO2濃度≤180mg/m3時，濕法和(半)干法脫硫套數(shù)占比分別為81%和73%;出口180mg/m3200mg/m3時，濕法和(半)干法脫硫套數(shù)占比分別為6%和9%。圖3c對比了濕法和(半)干法的脫硫效率:脫硫效率<90%時，濕法和(半)干法脫硫套數(shù)占比分別為6%和18%;90%≤脫硫效率<95%時，濕法和(半)干法脫硫套數(shù)占比分別為31%和55%;脫硫效率≥95%時，濕法和(半)干法脫硫套數(shù)占比分別為63%和27%。
當(dāng)燒結(jié)煙氣的SO2排放濃度較高，需要較高的脫硫效率時，濕法脫硫占有顯著優(yōu)勢。與半干法脫硫工藝相比，濕法脫硫是SO2濃度高的燒結(jié)煙氣的首選。濕法脫硫的主要優(yōu)點是脫硫效率高，其存在的潛在問題是產(chǎn)生石膏雨和SO3，當(dāng)SO3濃度較高時，在煙囪出口出現(xiàn)藍(lán)色或黃色煙羽，加重灰霾和酸沉降污染。半干法脫硫的主要優(yōu)點是可以協(xié)同脫除燒結(jié)煙氣中的二惡英等非常規(guī)污染物。
2.2燒結(jié)煙氣脫硫運行成本
脫硫工藝的運行成本分析對鋼鐵燒結(jié)機(jī)投運或改造均有重要意義，主要有三個方面:工程投資、運行費用和脫硫副產(chǎn)物抵扣。其中，工程投資和運行費用直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。工程投資主要包括脫硫設(shè)備費、建筑工程費、安裝工程費、設(shè)計費和調(diào)試費等。運行費用主要包括脫硫劑費用、能源消耗費用、人工費、設(shè)備維修費和折舊費等。脫硫副產(chǎn)物的處理方式是衡量脫硫工藝是否符合固廢資源化利用和循環(huán)經(jīng)濟(jì)等環(huán)保要求的重要指標(biāo)，同時間接影響企業(yè)的投資和運行費用。
為比較濕法、半干法和干法三類脫硫方法的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，選擇日鋼、梅鋼、濟(jì)鋼和太鋼4家鋼鐵企業(yè)燒結(jié)機(jī)應(yīng)用的5種脫硫工藝，包括石灰石-石膏法、氨法、CFB法、SDA法和活性炭法[26-29]，燒結(jié)機(jī)參數(shù)和煙氣性質(zhì)見表1。脫硫裝置運行主要耗量和單價見表2，主要運行費用比較見表3，脫硫成本比較見表4。
表2和表3比較了五種脫硫工藝運行過程中的單項費用，以下列出了費用消耗由大到小的排序。脫硫劑費用:氨法>活性炭法>SDA法>石灰石-石膏法>CFB法;電費:CFB法>石灰石-石膏法>活性炭法>SDA法>氨法;水費:石灰石-石膏法>氨法>CFB法/SDA法>活性炭法，活性炭法消耗水費為零;蒸汽費用:活性炭法>CFB法>氨法>石灰石-石膏法/SDA法，石灰石-石膏法和SDA法的蒸汽費用為零;人員費用:活性炭法>SDA法>CFB法>氨法>石灰石-石膏法;年維修費用:活性炭法>石灰石-石膏法/氨法>CFB法/SDA法。與其他脫硫工藝相比，氨法脫硫劑消耗量雖然不大，為1800t/a，但其單價較貴，為3300元/t，所以氨法該項支出比較高;除氨法外的脫硫工藝均需要壓縮空氣，所以氨法脫硫工藝支出電費比較少;濕法脫硫工藝耗水量大于半干法，而活性炭干法脫硫過程不使用水;活性炭法脫硫工藝較先進(jìn)，該法所需人員費用和維修費用均較其他脫硫工藝高。
此外，為綜合比較幾種脫硫工藝的脫硫成本，需分析脫硫副產(chǎn)物的應(yīng)用情況。
1)石灰石-石膏法的副產(chǎn)物脫硫石膏在我國尚未形成大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，很多處于堆棄狀態(tài)。這是因為我國燒結(jié)煙氣脫硫石膏品質(zhì)不穩(wěn)定，缺少成熟的利用技術(shù)和完善的政策保障。另外，脫硫石膏應(yīng)用于大型石膏廠煅燒過程中可能會釋放重金屬造成環(huán)境的二次污染。
2)氨法脫硫副產(chǎn)物為硫酸銨，目前在我國應(yīng)用廣泛，可作為單獨的肥料或復(fù)合肥的原料，還可用于生成硫酸鉀。柳鋼檢測氨法脫硫產(chǎn)生的硫酸銨品質(zhì)符合國標(biāo)GB535—1995《硫酸銨》和GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，對環(huán)境無毒害作用[24]。硫酸銨作為農(nóng)業(yè)化肥外售，具有環(huán)境和經(jīng)濟(jì)雙重效益。
3)CFB法和SDA法脫硫副產(chǎn)物為脫硫灰渣，主要采用外運堆放的處理方式，堆積的廢渣會造成土地資源浪費和環(huán)境的二次污染。4)活性炭法脫硫副產(chǎn)物為硫酸，可作為工業(yè)用硫酸，具有很高的回收價值;脫硫過程產(chǎn)生的活性炭灰渣可進(jìn)一步用作焦化廢水的凈化，實現(xiàn)充分利用。表4中“()”中數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)。計算值與文獻(xiàn)值的誤差來源于能源消耗價格和年維修費用，如表2和表3所示。
2.2.1工程投資
投資費用由高到低依次為:活性炭法、氨法、石灰石-石膏法、CFB法和SDA法，分別為33500，11200，9700，8000和6600萬元。
2.2.2運行費用
活性炭法的運行費用比較高，為10.0元/t燒結(jié)礦;其次依次是氨法、石灰石-石膏法、CFB法和SDA法，分別為8.8，8.1，5.8，4.4元/t燒結(jié)礦。
2.2.3副產(chǎn)物抵扣
考慮脫硫副產(chǎn)物抵扣，幾種脫硫工藝的運行成本為:活性炭法的脫硫成本比較高，為9.7元/t;SDA法的脫硫成本比較低，為4.5元/t;石灰石-石膏法、氨法和CFB法的脫硫成本依次為7.7，7.2，5.6元/t。
由此可見，石灰石-石膏法的設(shè)備投資和運行成本較高，此外，濕法脫硫工藝耗水量較大，需要對脫硫廢水進(jìn)行處理。半干法的耗水量較小，無廢水產(chǎn)生，且較濕法工藝相比，可以脫除SO3和二惡英等非常規(guī)污染物，但是也存在局限性:脫硫效率較低，不適用于SO2濃度高的煙氣，脫硫灰的再利用較為困難。干法脫硫工藝活性炭法雖投資和運行成本均較高，但具有以下優(yōu)點:脫硫同時可脫除煙氣中的煙塵、NOX、二惡英和重金屬等有害雜質(zhì)，不產(chǎn)生廢水和廢渣，不存在二次污染問題，脫硫劑通過解吸再生而循環(huán)利用。國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，關(guān)注對象從粉塵、SO2逐漸擴(kuò)展到NOX、二惡英和SO3等，針對燒結(jié)煙氣產(chǎn)生的多種污染物，活性炭法是一種具有較好發(fā)展前景的工藝。
3結(jié)論
脫硫設(shè)備運行效果良好、運行成本適當(dāng)、副產(chǎn)物可綜合利用等是綜合考核脫硫工藝的重要指標(biāo)，也是鋼鐵企業(yè)選擇脫硫工藝的重要依據(jù)。鋼鐵企業(yè)應(yīng)結(jié)合燒結(jié)機(jī)的燒結(jié)面積和SO2的排放濃度等情況選擇脫硫工藝:首先，根據(jù)SO2排放濃度及波動范圍確定脫硫效率;其次，脫硫裝置應(yīng)穩(wěn)定運行，同步運行率高，不影響燒結(jié)生產(chǎn)主工藝;然后，脫硫副產(chǎn)品能夠再利用而不產(chǎn)生新的污染;此外，從長期發(fā)展的角度也應(yīng)考慮多種污染物的協(xié)同脫除。
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