概述了燒結(jié)煙氣脫硫裝置在全國(guó)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(jì)了數(shù)十套脫硫裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)濕法脫硫在控制高SO2濃度煙氣、實(shí)現(xiàn)高脫硫效率方面具有顯著優(yōu)勢(shì).綜合比較了幾種脫硫工藝的運(yùn)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(shì)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(gè)因素:脫硫效率、運(yùn)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(wàn)t，僅次于燃煤電力，居第二位，占全國(guó)SO2總排放量的10%。鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程排放的SO2主要來(lái)源于燒結(jié)、煉焦和動(dòng)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(zhǎng)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(diǎn)火后，在高溫下燒結(jié)成型過(guò)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(dòng)大(±40%)，溫度波動(dòng)大(120～185℃)，含水量大(8%～13%)，含氧量高(14%～18%)等特點(diǎn)，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(diǎn)。
我國(guó)對(duì)SO2控制包括總量控制和濃度控制兩個(gè)方面。《國(guó)家環(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(wàn)t減少到2086.4萬(wàn)t，減排8%。《節(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(wàn)t減少到180萬(wàn)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(zhǎng)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(shì)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(guó)現(xiàn)有各種規(guī)模燒結(jié)機(jī)1240余臺(tái)，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(yùn)的燒結(jié)煙氣脫硫裝置在不同程度上存在同步運(yùn)行率較低的問(wèn)題。本文概述了燒結(jié)煙氣脫硫技術(shù)的運(yùn)行現(xiàn)狀，從脫硫效率、運(yùn)行成本和副產(chǎn)物利用三個(gè)方面比較了幾種典型的燒結(jié)煙氣脫硫工藝，對(duì)鋼鐵燒結(jié)機(jī)如何選擇脫硫工藝提出了建議。
1國(guó)內(nèi)燒結(jié)機(jī)煙氣脫硫裝置運(yùn)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(guò)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(shí)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(shí)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(guó)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(shí)包鋼從蘇聯(lián)引進(jìn)噴淋塔除氟脫硫工藝，在脫氟同時(shí)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(guó)燒結(jié)機(jī)煙氣脫硫規(guī)模發(fā)展迅速:2010年底，我國(guó)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(wàn)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(wàn)m2。2012年底，不同的脫硫工藝在各省份的投運(yùn)數(shù)量如圖1所示。
由圖1可見:河北投運(yùn)鋼鐵燒結(jié)煙氣脫硫裝置比較多，為151套，占全國(guó)投運(yùn)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(gè)省份投運(yùn)脫硫裝置占全國(guó)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(yùn)脫硫裝置的60%以上。以上4個(gè)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(duì)2012年底全國(guó)投運(yùn)鋼鐵燒結(jié)機(jī)脫硫裝置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖2。
燒結(jié)機(jī)面積小于180m2時(shí)，共投運(yùn)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(shí)，共投運(yùn)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(shí)，共投運(yùn)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%。活性炭法脫硫工藝的應(yīng)用有2套。
石灰石-石膏法、氨法、氧化鎂法和雙堿法總投運(yùn)燒結(jié)煙氣脫硫裝置303套，占全國(guó)總投運(yùn)套數(shù)的78%，CFB法和SDA法投運(yùn)48套，占比為12%。這說(shuō)明，工程應(yīng)用數(shù)量大于5套的6種脫硫工藝占全國(guó)總投運(yùn)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(duì)濕法和(半)干法脫硫工藝進(jìn)行了評(píng)價(jià)，包括脫硫效率、運(yùn)行費(fèi)用和脫硫副產(chǎn)物等三個(gè)方面。
2燒結(jié)煙氣脫硫工藝運(yùn)行評(píng)價(jià)
2.1燒結(jié)煙氣脫硫運(yùn)行效果
脫硫效率是考核脫硫裝置運(yùn)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(shí)，入口煙氣SO2濃度增加，脫硫效率隨之降低;煙氣量增加時(shí)，脫硫效率降低，但煙氣量增加會(huì)加劇氣液擾動(dòng)，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(shí)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(shí)間一般要求大于液滴干燥時(shí)間，時(shí)間越長(zhǎng)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(yùn)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(guó)內(nèi)25家鋼鐵企業(yè)投運(yùn)的27套脫硫裝置的運(yùn)行效果[3-25]，包括脫硫效率和出口SO2濃度兩個(gè)方面，結(jié)果見圖3，其中“(半)干法”包括半干法和干法。
國(guó)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(shí)，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(duì)比了濕法和(半)干法出口SO2濃度:出口SO2濃度≤180mg/m3時(shí)，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(shí)，濕法和(半)干法脫硫套數(shù)占比分別為6%和9%。圖3c對(duì)比了濕法和(半)干法的脫硫效率:脫硫效率<90%時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，濕法脫硫占有顯著優(yōu)勢(shì)。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(diǎn)是脫硫效率高，其存在的潛在問(wèn)題是產(chǎn)生石膏雨和SO3，當(dāng)SO3濃度較高時(shí)，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(diǎn)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(yùn)行成本
脫硫工藝的運(yùn)行成本分析對(duì)鋼鐵燒結(jié)機(jī)投運(yùn)或改造均有重要意義，主要有三個(gè)方面:工程投資、運(yùn)行費(fèi)用和脫硫副產(chǎn)物抵扣。其中，工程投資和運(yùn)行費(fèi)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(fèi)、建筑工程費(fèi)、安裝工程費(fèi)、設(shè)計(jì)費(fèi)和調(diào)試費(fèi)等。運(yùn)行費(fèi)用主要包括脫硫劑費(fèi)用、能源消耗費(fèi)用、人工費(fèi)、設(shè)備維修費(fèi)和折舊費(fèi)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(shí)間接影響企業(yè)的投資和運(yùn)行費(fèi)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(yùn)行主要耗量和單價(jià)見表2，主要運(yùn)行費(fèi)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(yùn)行過(guò)程中的單項(xiàng)費(fèi)用，以下列出了費(fèi)用消耗由大到小的排序。脫硫劑費(fèi)用:氨法>活性炭法>SDA法>石灰石-石膏法>CFB法;電費(fèi):CFB法>石灰石-石膏法>活性炭法>SDA法>氨法;水費(fèi):石灰石-石膏法>氨法>CFB法/SDA法>活性炭法，活性炭法消耗水費(fèi)為零;蒸汽費(fèi)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(fèi)用為零;人員費(fèi)用:活性炭法>SDA法>CFB法>氨法>石灰石-石膏法;年維修費(fèi)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(jià)較貴，為3300元/t，所以氨法該項(xiàng)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(fèi)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(guò)程不使用水;活性炭法脫硫工藝較先進(jìn)，該法所需人員費(fèi)用和維修費(fèi)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(guó)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?yàn)槲覈?guó)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(guò)程中可能會(huì)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(guó)應(yīng)用廣泛，可作為單獨(dú)的肥料或復(fù)合肥的原料，還可用于生成硫酸鉀。柳鋼檢測(cè)氨法脫硫產(chǎn)生的硫酸銨品質(zhì)符合國(guó)標(biāo)GB535—1995《硫酸銨》和GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)環(huán)境無(wú)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(yùn)堆放的處理方式，堆積的廢渣會(huì)造成土地資源浪費(fèi)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(jià)值;脫硫過(guò)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(shí)現(xiàn)充分利用。表4中“()”中數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)。計(jì)算值與文獻(xiàn)值的誤差來(lái)源于能源消耗價(jià)格和年維修費(fèi)用，如表2和表3所示。
2.2.1工程投資
投資費(fèi)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(wàn)元。
2.2.2運(yùn)行費(fèi)用
活性炭法的運(yùn)行費(fèi)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(yùn)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(yùn)行成本較高，此外，濕法脫硫工藝耗水量較大，需要對(duì)脫硫廢水進(jìn)行處理。半干法的耗水量較小，無(wú)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(yùn)行成本均較高，但具有以下優(yōu)點(diǎn):脫硫同時(shí)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(wèn)題，脫硫劑通過(guò)解吸再生而循環(huán)利用。國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，關(guān)注對(duì)象從粉塵、SO2逐漸擴(kuò)展到NOX、二惡英和SO3等，針對(duì)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(yùn)行效果良好、運(yùn)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(dòng)范圍確定脫硫效率;其次，脫硫裝置應(yīng)穩(wěn)定運(yùn)行，同步運(yùn)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(zhǎng)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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