高爐煤氣作為煉鐵過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，具有氣量大、終端用戶多、治理難度大、無機(jī)硫（H2S）、有機(jī)硫（COS）、HCl等污染性氣體含量高、固體粉塵含量大、受高爐生產(chǎn)工況影響波動(dòng)大等特點(diǎn)，這也是高爐煤氣源頭脫氯、脫硫凈化技術(shù)難點(diǎn)。高爐煤氣脫氯工藝可以從源頭上處理煤氣中的氯離子，解決煤氣管道和設(shè)備腐蝕問題，也是當(dāng)前性價(jià)比最高的煤氣管道防腐解決方案。

高爐煤氣末端用戶多（排放點(diǎn)多）、煙氣排放量大、SO排放濃度無法滿足超低排放要求，若采用末端煙氣治理，存在治理點(diǎn)位多、占地面積大、運(yùn)行成本高、設(shè)備腐蝕風(fēng)險(xiǎn)及管理與維護(hù)難度增加等諸多弊端，給企業(yè)的安全生產(chǎn)帶來重大隱患。如何實(shí)現(xiàn)高爐煤氣前端脫氯、脫硫治理，已成為現(xiàn)階段鋼鐵行業(yè)減污降碳的重要攻關(guān)方向。

1.高爐煤氣中氯、硫元素的來源及遷移規(guī)律

1.1高爐煤氣中氯元素的來源及遷移規(guī)律

由于我國煉鐵的主要原料鐵礦石嚴(yán)重依賴進(jìn)口，而進(jìn)口鐵礦石的氯離子含量較高，導(dǎo)致高爐煤氣中HCl含量高，高爐煤氣管網(wǎng)經(jīng)常出現(xiàn)管道腐蝕問題，從而導(dǎo)致高爐煤氣泄露，同時(shí)在TRT發(fā)電機(jī)組葉輪產(chǎn)生積鹽現(xiàn)象。在高爐冶煉過程中，各種原料、熔劑、燃料都將微量氯元素帶入高爐。高爐爐內(nèi)物料由上至下，煤氣由下至上上升，燒結(jié)礦、塊礦、焦炭及各種添加劑中的氯元素以NaCl、KCl、CaCl等形式存在，在高溫還原氣氛下發(fā)生一系列反應(yīng)，最終以HCl的形式進(jìn)入到爐頂煤氣中。首鋼股份2號(hào)高爐冶煉中氯元素的來源及遷移分布見圖1。

1.2高爐煤氣中硫元素的來源及遷移規(guī)律

高爐硫元素主要來源于焦炭、煤粉及含鐵原料等，目前國內(nèi)典型高爐硫元素負(fù)荷為4kg/t左右。首鋼股份2號(hào)高爐硫元素的來源與遷移分布見圖2。

對(duì)首鋼股份2號(hào)高爐（2650m）一天的入爐原燃料及產(chǎn)品、副產(chǎn)品進(jìn)行取樣檢測(cè)分析。具體檢測(cè)結(jié)果如下：入爐原燃料硫含量主要集中在焦炭和煤粉，約占入爐總硫含量的90%。產(chǎn)品、副產(chǎn)品硫含量主要集中在鐵水和爐渣，約占出爐總硫含量的95%，進(jìn)入煤氣中的硫含量占比約6.52%。

高爐煤氣中的硫化物既有無機(jī)硫（H2S），也包含有機(jī)硫，其中有機(jī)硫主要有 COS、CS、硫醇、硫醚、噻吩。高爐煤氣的總含硫量約60-150mg/m之間，其中有機(jī)硫組分主要為COS，有機(jī)硫占比在60%-80%之間；無機(jī)硫（HS）占比在 20%-40%之間。首鋼股份3座高爐煤氣硫含量的檢測(cè)數(shù)據(jù)詳見表3。

2.高爐煤氣脫氯、脫硫工藝技術(shù)研究

通過分析高爐煤氣系統(tǒng)從高爐爐頂至各用戶點(diǎn)之間的煤氣組分、工況條件、末端排放要求等因素，提出了高爐煤氣多污染物深度凈化及硫資源化工藝。

從工藝、材料、裝備及相關(guān)配套控制技術(shù)等方面開展研究攻關(guān)。首次提出高爐煤氣布袋除塵前干法脫氯+TRT前COS水解+TRT后HS脫除+硫資源化轉(zhuǎn)化技術(shù)組合方案，如圖3所示。該方案中干法脫除HCl，消除了影響水解劑壽命的重要因子，實(shí)現(xiàn)了對(duì)荒煤氣之后所有設(shè)備及管道的保護(hù)；TRT前COS水解+TRT后H2S脫除+硫資源化轉(zhuǎn)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高爐煤氣硫污染物的凈化和轉(zhuǎn)化提取，副產(chǎn)品硫磺可實(shí)現(xiàn)資源化利用。

2.1高爐煤氣脫氯技術(shù)研究

高爐煤氣脫氯是高爐煤氣精脫硫工藝至關(guān)重要的第一步，直接決定了整個(gè)工藝能否長周期有效穩(wěn)定運(yùn)行。目前，干法脫氯劑基本以顆粒為主，包括球形、條形、圓柱形等，主要應(yīng)用在固定床脫氯。而固定床脫氯劑受限于氯容，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)反應(yīng)器占地面積大、壓降高、廢劑難以處理等弊端。針對(duì)高爐煤氣含氯特點(diǎn)，結(jié)合水解工藝取點(diǎn)位置，認(rèn)為高爐煤氣脫氯適宜位置應(yīng)放置在高爐煤氣布袋除塵器之前，宜采用干法粉末脫氯劑進(jìn)行脫氯。因此，要求脫氯劑具有高活性、高精度、寬溫域等特點(diǎn)。

2.1.1脫氯劑研究

熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明：常溫至200℃條件下，CuO、CaO、Ca(OH)CaCONaHCO3、NaCO均能夠與氣態(tài)HCl反應(yīng)。通過熱力學(xué)計(jì)算，選用一定粒徑、相同質(zhì)量上述常見氧化物及其鹽作為脫氯劑原材料，在實(shí)驗(yàn)室條件下采用固定床反應(yīng)器，測(cè)定脫氯性能。

實(shí)驗(yàn)室條件下，NaHCO脫氯劑的反應(yīng)活性優(yōu)于其他幾種脫氯劑。在脫氯劑的性能選擇上應(yīng)首先考慮脫氯劑在工況下的反應(yīng)活性。因此，選擇NaHCO脫氯劑作為脫氯劑的主要活性組分。

2.1.2脫氯系統(tǒng)工藝流程研究

綜合傳統(tǒng)固定床、酸堿中和、冷凝除濕等已有技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，重塑脫氯機(jī)制，采用改性適用于高爐煤氣氣氛下的專用脫氯劑，在重力除塵器與高爐煤氣布袋除塵器之間增加脫氯噴吹系統(tǒng)，以簡潔的工藝流程和簡便的操作，實(shí)現(xiàn)高爐煤氣高效脫氯。

2.2高爐煤氣脫硫技術(shù)研究

2.2.1羰基硫（COS）水解工藝技術(shù)研究

羰基硫（COS）呈中性或弱酸性，化學(xué)性能比較穩(wěn)定，難以用常規(guī)的脫硫方法脫除。在化學(xué)吸收中的反應(yīng)性差，甚至使吸收液降解；由于平衡等因素的限制，在物理吸收中羰基硫與CO的溶解度接近，從而會(huì)造成選擇性分離困難。為了精脫羰基硫（COS）并節(jié)省能耗和投資，國內(nèi)外多采用羰基硫水解工藝。

高爐煤氣中S、水蒸氣、COCl-、HCN、SO、粉塵等都會(huì)造成COS水解催化劑的失活，如高爐煤氣中的粉塵會(huì)堵塞催化劑的微孔，從而影響催化劑的表面利用率；ClHCN、SO等酸性成分會(huì)與催化劑的堿性中心反應(yīng)，降低催化劑表面堿性中心的強(qiáng)度和數(shù)量。

2.2.2脫硫催化劑技術(shù)研究

脫硫催化劑的選擇要求吸收反應(yīng)速度快、脫硫精度高；操作溫度范圍大，抗灰塵、油類能力強(qiáng)；能有效控制脫硫過程中的副反應(yīng)，維持副鹽的平衡，無需排液

高硫容抑鹽催化劑是多金屬催化活性中心，其催化劑產(chǎn)品為單一固體產(chǎn)品，運(yùn)輸、添加方便。更換時(shí)一次性用量少，日消耗量低，催化劑易溶于脫硫液中。而且，高硫容抑鹽催化劑的抑鹽效果是同時(shí)抑制硫代硫酸鹽和硫酸鹽的生成，抑制硫代硫酸鹽的同時(shí)也確保硫酸鹽含量穩(wěn)定，不會(huì)將硫代硫酸鹽過度氧化為硫酸鹽，確保硫代硫酸鹽和硫酸鹽含量不再生長，兩鹽同控。

2.3脫氯脫硫裝備研究

針對(duì)高爐煤氣在TRT前后的壓力、溫度、場(chǎng)地等多因素約束條件，研究開發(fā)脫氯劑噴吹裝備、水解裝備、脫硫裝備等。

2.3.1 高精度脫氯噴吹裝置

脫氯劑噴吹裝置為正壓氣力輸送系統(tǒng)，以壓縮氮?dú)鉃閯?dòng)力，將脫氯劑從重力除塵器與布袋除塵器之間的荒煤氣管道噴入，在高溫、強(qiáng)湍流的作用下，脫氯劑迅速與煤氣充分混合，與煤氣中HCl快速反應(yīng)，生成副產(chǎn)物隨煤氣進(jìn)入布袋除塵器，被布袋捕集，與除塵灰一并外排。其工藝流程見圖4。

2.3.2 軸向多單元水解反應(yīng)裝置

高爐煤氣流量大，水解劑對(duì)于運(yùn)行空速及床層線速度有一定要求，如采用單一反應(yīng)裝置，裝置較為龐大、運(yùn)行靈活性較差。如何降低水解系統(tǒng)阻力損失、提高流場(chǎng)的均勻性成為研究重點(diǎn)。通過多模型建立，宜采用多反應(yīng)器并列運(yùn)行，見圖5。為將床層壓降控制在一定范圍內(nèi)，水解反應(yīng)器采用多單元結(jié)構(gòu)，通過垂直多單元布置，降低壓降的同時(shí)，進(jìn)一步減小裝置占地面積。

2.3.3 脫硫再生一體化裝置

高爐煤氣量較大，傳統(tǒng)填料塔的結(jié)構(gòu)填料支撐梁等占用塔內(nèi)空間較大，脫硫塔總高度較高，投資大。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，脫硫塔直徑超過10m后，脫硫液的壁流效應(yīng)導(dǎo)致的脫硫液在填料中的均布問題將成為影響脫硫塔脫硫效率的主要制約因素。針對(duì)此種情況，開發(fā)了脫硫再生一體塔。脫硫再生一體塔是一種將吸收塔、再生槽和富液槽疊合在一起的復(fù)合塔。

該型脫硫塔從上到下，由再生段、吸收段和富液段三個(gè)部分組成，見圖6。其中再生段通過封頭與吸收段隔離，即再生段實(shí)際上是疊放在吸收段外部上方；富液段通過內(nèi)置液封與吸收段有效分隔。三個(gè)部分在空間上相互獨(dú)立，保證了設(shè)備的安全性；液相從上向下，氣相從下向上，符合介質(zhì)流動(dòng)特性，有利于減少能耗。

3.生產(chǎn)實(shí)踐與應(yīng)用

首臺(tái)套示范工程在首鋼股份2號(hào)高爐建成投運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；珰饬?、全工況、全時(shí)段、無廢物生產(chǎn)應(yīng)用，脫氯后氯含量小于10mg/Nm，有機(jī)硫轉(zhuǎn)化率超過90%，HS脫除效果穩(wěn)定在10mg/Nm以下，高爐煤氣總硫含量在15mg/Nm以下，高爐煤氣中硫元素以單質(zhì)硫形式被高效回收，實(shí)現(xiàn)了硫資源化回收利用。

4.結(jié)語

本研究開發(fā)的高爐煤氣脫氯、脫硫技術(shù)屬于煤氣污染物源頭治理技術(shù)，能夠完全取代部分高爐煤氣噴堿脫氯及末端煙氣脫硫，實(shí)現(xiàn)超低排放要求，避免了高爐煤氣下游用戶點(diǎn)多、分散廣，需要配備多套煙氣脫硫設(shè)施問題。與末端煙氣脫硫技術(shù)相比，本研究開發(fā)的高爐煤氣脫氯、脫硫技術(shù)具有一次性投資少、運(yùn)行成本低、工程占地小等優(yōu)點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)了硫資源化回收利用，為鋼鐵行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。

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