中国烧结烟气脱硫的发展
1 应用基础理论研究促进技术开发
对首钢、鞍钢、攀钢和石钢等多家企业的烧结烟气SO2 浓度进行实地测量,得出的普遍结论是沿烧结机运行方向SO2 浓度呈现出两头低、中间高的特点。但是随着烧结机规模、原料硫负荷、配比、碱度、操作参数、烟气含氧量等因素不同,SO2 的总排放浓度从300～5 000 mg/ m3 不等,差异很大; SO2 浓度沿烧结机运行方向分布曲线的峰值位置可能发生偏移,各个因素的具体影响程度,需要从应用基础理论上进行研究,辅以相应的实验室模拟试验,从而对烧结烟气SO2 的生成、排放机理进行深入研究,为后续烟气脱硫装置的开发提供依据。
2 烧结烟气脱硫工艺的选择
2. 1 技术风险与运行风险
(1) 技术风险
有些脱硫技术虽然在烧结烟气脱硫领域有成功实例,但是由于企业间的原燃料条件等不同,不能简单照搬;有些脱硫技术虽然在电厂应用获得成功,但是由于烧结烟气与电厂烟气性质差异很大,所以也不能简单地移植;有些脱硫技术理论成熟,尚无工业应用实例,也可能要从发展前景上仔细斟酌。任何一种脱硫技术,企业都应该根据自身的原燃料和工艺条件进行论证。
(2) 运行风险
运行风险主要包括烧结脱硫装置的安全性和可靠性。例如:石灰2石膏法较易腐蚀、磨损,有时甚至导致管路堵塞;氨2硫酸铵法当脱硫剂焦化氨水不足时,需要补充液氨,液氨属于化学危险品,运输、存储要求较高,而且要防范氨气残留溢出的危险;循环流化床法由于烟气量波动常会引起吸收剂的流化状态不稳定,要避免出现堵塞、失流、塌床等现象的发生;海水脱硫法因烧结烟气成分复杂可能有时会污染海域;电子束照射法必须要有严格庞大的放射线防护设施,其产生的臭氧对脱硫装置常有腐蚀。当然,每一技术都存在一定的运行风险,关键在于如何对其进行有效的完善和改进,最大程度地降低运行风险。
2. 2 投资成本与运行成本
(1) 投资成本
湿法烟气脱硫技术,如石灰2石膏法和氨2硫酸铵法,由于工艺比较复杂,投资较大;半干法烟气脱硫技术,如密相塔法和循环流化床法,由于取消了湿法脱硫工艺中的制浆、增稠和脱水等设备,工艺比较简单,投资较少;活性炭法由于设备造价高,活性炭价格贵,尤其硫资源回收处理等外围系统复杂,投资巨大且运行费用很高。
(2) 运行成本
投资成本是一次性的,而运行成本是长期的。考虑这两个因素时,要把运行成本放在第一位。运行成本主要与脱硫剂和副产物有关。
①脱硫剂
脱硫剂的用量和价格与运行成本的高低有很大关系。石灰2石膏法、密相塔法、循环流化床法等使用的脱硫剂为石灰或者石灰石,氨2硫酸铵法使用的脱硫剂为氨水(焦化氨水或者液氨) ,活性炭法使用的是活性炭。
对于使用石灰或者石灰石作为脱硫剂的脱硫系统,钙硫比是影响系统脱硫效率和经济运行的重要参数,它是指加入系统的新脱硫剂中钙的摩尔数与烟气中被脱除的硫的摩尔数的比值。中国石灰石资源丰富,除上海、香港、澳门外,在各省区均有分布。氨2硫酸铵法的脱硫剂可以使用焦化氨水,做到 “以废制废”,但首先要求企业要有焦化厂,而且焦化厂的氨水产量与烧结脱硫所需基本平衡。
活性炭法的活性炭损耗较高,即使循环使用,每脱除1 t SO2 ,活性炭损失在150 kg 左右。因活性炭价格较贵,通过选择特殊的原料和炭化活化工艺制成性能优越、价格低廉的脱硫活性炭是一重要的课题。日本东北大学有山达郎教授与北京科技大学合作,研究开发用废木材、废纸屑和废塑料等有机废弃物加工活性炭工艺,活性炭产品的强度和比表面积均达到使用要求。
②副产物与循环经济
按照循环经济的原则,脱硫副产物的价值高低、能否利用已经成为影响脱硫技术推广应用的关键因素。
石灰2石膏法是目前烧结脱硫最成熟的技术,副产物为纯度90 %以上的石膏,日本20 世纪70 年代建设的烧结脱硫装置广泛采用,中国宝钢目前也已采用。但由于日本缺乏天然石膏,副产物含硫石膏可以得到利用。而中国存在大量廉价天然石膏,除浙江、福建、黑龙江3 省外,所有地区都有非常丰富的天然石膏资源,已探明的天然石膏资源大约为 570 亿t ,脱硫石膏的利用受到影响。
活性炭法和氨2硫酸铵法的脱硫副产物均可回收。其中活性炭法的副产物为硫磺和浓硫酸,应用前景广阔。氨2硫酸铵法的脱硫副产物为硫酸铵化肥,纯度可达96 %以上,进一步研究其微量重金属含量及对农作物的影响,也是一个重要的课题。
2. 3 二次排放
(1) 气体排放
对于以石灰石、石灰和碳酸盐作脱硫剂的湿法和半干法脱硫技术,在生成脱硫剂的前道工序和脱硫过程中都会有CO2 排放。例如: 石灰2石膏法每处理1 t SO2 要排放0.7 t CO2 ,因此烧结烟气脱硫要与控制CO2 排放,需同步考虑。
(2) 固体排放
目前,以石灰石、石灰作脱硫剂的半干法脱硫技术,如密相塔法和循环流化床法等,脱硫副产物也为石膏,可用作干混砂浆主料、水泥缓凝剂、建筑材料和筑路材料等。其中密相塔法脱硫副产物(石膏为主) 用于生产干混砂浆,其中的胶凝材料全部使用冶金生产固体废弃物,不需加入水泥。干混砂浆技术是为改变传统的在建筑工地现场配置砂浆易造成质量不稳定和污染环境的问题而逐渐形成的砂浆生产与使用方法。这项技术不但能够使得砂浆生产的主要环节从建筑工地转向工厂车间,从而形成高效、环保的流水作业方式,而且还有利于大量使用各种固体废弃物。用密相塔法脱硫副产物制造干混砂浆的技术已在石家庄附近得到应用,效果良好。
(3) 废水排放
石灰2石膏法、氨2硫酸铵法等湿法脱硫技术用水量较大,并有污水排放。
2.4 占地要求与烟气处理能力
中国建成较早的烧结厂,大都没有预留烧结脱硫位置(新厂则已预留) 。对于改造空间受限的企业宜选择工艺简单、占地面积小的半干法脱硫技术,如密相塔法和循环流化床法。
密相塔法脱硫技术占地面积较小,目前烟气处理能力一般为50 万m3 / h 以上,而处理120 万m3 / h 及更大能力的装置即将应运而生。目前氨2硫酸铵法烟气处理能力可以达到120 万m3 / h ,活性炭法烟气处理能力可以达到170 万m3 / h 。活性炭法不仅烟气处理能力大,其占地面积也较小,这是活性炭法相对于其它脱硫技术的一大优势。
2. 5 脱硝及二噁英脱除
发达国家对污染物的治理大致可以分为三个阶段:第一阶段是粉尘治理,第二阶段是SO2 、NOx 等污染物治理,第三阶段是CO2 、二噁英、痕量重金属等污染物治理。中国新颁布的《钢铁工业大气污染物排放标准烧结(球团) 》(征求意见稿) 对氮氧化物和二噁英的排放限制已经作出明确规定,这就要求脱硫之后也能够考虑脱硝及二噁英脱除,如活性炭法;当前脱硫系统应该预留脱硝和脱二噁英的节点, 以备日后功能扩展。
3 选择性脱硫与循环富集脱硫
3. 1 选择性脱硫
选择性脱硫的技术思想是根据烧结机头与机尾处SO2 浓度低、中间部分SO2 浓度高的特点,将由风箱抽出的烟气分成2 条烟道,分别进入2 台电除尘器和2 台主抽风机,其中一条烟道为SO2 浓度低的非脱硫系烟道,经过主抽风机后直接排入烟囱;另一条烟道为SO2 浓度高的脱硫系烟道,并在该烟道主抽风机后安装脱硫装置,烟气经脱硫后再由烟囱排放。选择性脱硫技术可以大幅减少脱硫装置需要处理的烟气量,节省投资和运行费用。
选择性脱硫技术的关键之处在于脱硫系烟道与非脱硫系烟道之间的烟气分配。国内大型烧结机大都采用双烟道,但是设计初衷是为了同时使用两个中型风机进行抽风,若采用单烟道则需要大型风机。
根据在许多企业的实测和脱硫装置实际运行经验,可以对双烟道的局部进行改造,将每个风箱与两条烟道都通过支管连通,在每个风箱底部总管段安装阀门来控制烟气流向,并对每个风箱安装烟气成分实时监测设备,随时根据每个风箱的SO2 浓度, 动态调整风箱烟气流向,真正实现脱硫系烟道SO2 浓度高而被脱除,非脱硫系烟道SO2 浓度低而直接排放,达到选择性脱硫的目的。
3. 2 循环富集脱硫
循环富集脱硫的技术思想是从烧结机烟道中取一部分烟气返回到烧结机上部的密封罩内进行循环,同时补充烧结机燃烧所需要的氧气,剩余部分烟气经脱硫处理后排放。由于将烧结过程中的烧结烟气部分返回烧结机的密封台车上,以减少烧结过程中产生的烟气外排量,从而减少外排的烟气总量,同时对烧结过程中产生的SO2 起到富集作用,可提高脱硫效率,减少脱硫装置的烟气处理量。
循环富集脱硫技术的关键难点是如何有效控制氧气的加入量,保证系统的安全性与可靠性,达到最好的烧结效果。
4 烧结工序中脱硫装置的优化配置
烧结烟气脱硫装置一直以来被认为是烧结工序后面的附加设施,所以烧结工序的系统设计与烟气脱硫的系统设计经常是由不同单位完成,设计理念和思路的不同易造成系统间的衔接出现问题。例如,有些烧结烟气脱硫技术(活性炭法等) 也具有除尘的作用,功能与原有的烧结除尘设备相同,应考虑是否取消原有的除尘设备或者减小原有除尘设备的规模。此外,烧结烟气脱硫和废气余热回收也应该协调平衡进行开发。
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