180m2燒結機煙氣脫硫除塵改造實例分析

常治鐵

[鞍鋼集團工程技術有限公司鞍鋼（上海）環境工程技術有限公司，上海 201210]

近年來，隨著我國工業產能的不斷增長，能源消耗造成的各類環境問題逐漸暴露出來，尤其是SO2和粉塵的排放給空氣質量造成了嚴重的影響[1]。鋼鐵工業在我國國民經濟中扮演著重要角色，同時也是排污大戶[2]。根據鋼鐵工業協會統計數據顯示，2015 年鋼鐵企業的SO2排放量為173.6 萬t，占全國工業SO2排放總量的12.4%；粉塵排放量為357.2 萬t，占全國工業粉塵排放總量的32.2%。

在鋼鐵企業的生產過程中，燒結工藝是造成污染較為嚴重的環節之一[3,4]。據統計，鋼鐵生產過程中50%的粉塵排放來自燒結工序，同時，燒結工序排放的SO2約占鋼鐵生產總排放量的60%以上。燒結煙氣的主要特點為SO2排放總量大、SO2排放濃度低且波動范圍寬等[5,6]。因此，燒結煙氣脫硫是鋼鐵行業實現SO2減排指標的關鍵，也是鋼鐵企業廢氣污染防治的重中之重。2017 年原環境保護部發布了《鋼鐵燒結球團工業大氣污染物排放標準》（GB 28662—2012），進一步嚴格了燒結煙氣的排放標準。

目前，國內外常用的煙氣脫硫技術有很多種，按照脫硫方式及產物形態的不同主要可分為濕法、半干法、干法三大類。對比分析得出的多種煙氣脫硫技術的優缺點如表1 所示。

某鋼廠的180m2燒結機，煙氣排放量為78×104m3/h。該燒結機在燒結生產過程中會產生大量SO2、粉塵等有害物質，對環境造成污染。為了滿足最新環保要求，采用旋轉噴霧法（SDA）工藝結合布袋除塵技術對該鋼廠的180m2燒結機進行脫硫除塵改造。

表1 幾種典型煙氣脫硫工藝的比較

1 工藝原理及流程

1.1 工藝原理及優點

SDA 脫硫是丹麥Niro 公司在20 世紀70 年代開發的一種噴霧干燥吸收工藝。該工藝采用生石灰消化制成的熟石灰漿液作為脫硫劑。運行過程中，脫硫劑漿液在霧化器的作用下會形成大量霧滴，極大提高了比表面積，因此，只需噴淋較少的脫硫劑即可實現較好的脫硫效果[12]。呈堿性的脫硫劑霧滴與煙氣充分接觸，發生物理、化學反應，能夠吸收煙氣中的SO2等酸性物質以達到煙氣凈化的目的[13]。

SDA 工藝采用與濕法相同的機理，具有較高的脫硫效率，根據原始SO2濃度情況及排放指標要求，其脫硫效率可在90%～97%的范圍內迅速調節。同時，SDA 對SO3、HCl、HF 等酸性物有接近100%的脫除率。

在脫硫塔中完成的主要化學反應見式①、式②、式③:

與其他酸性物質（如HCl、HF 等）的反應見式④、式⑤:

SDA 工藝不需要大量固體循環灰在脫硫塔內循環，也不需要脫硫后煙氣回流來保證塔內固體脫硫灰處于流化狀態（不存在塌床、死床或偏床），因此SDA工藝中脫硫塔的運行阻力低，一般不超過1000Pa。同時，由于SDA 工藝采用Ca(OH)2漿液作為脫硫劑，而不是CaO 粉末，所以不存在CaO 吸水放熱導致設備堵塞的問題[14]。當入口煙氣條件發生變化時，SDA 工藝可以快速調節脫硫劑的用量來適應工況的變化，這種調節不會影響脫硫劑的霧化效果（保證了脫硫劑的利用率），也不會增加后續除塵器的負荷，避免了整套系統的處理效率受到影響。

煙氣脫硫可能會造成的二次污染以及脫硫副產物的利用一直是研究的重點。SDA 工藝的耗水量低，并且可以利用低質量的水（如堿性廢水）作為脫硫用水，達到以廢治廢的目的。同時，整套工藝在脫硫過程中不產生廢水，不會造成二次污染。由于SDA 工藝對脫硫劑的品質要求較低，脫硫除塵后收集的粉塵因含有未完全反應的Ca(OH)2，可以作為脫硫劑回用，滿足循環經濟的要求。另外，SDA 工藝的副產物為干態脫硫灰，可用于生產添加料、生產免燒磚等，實現廢物再利用。

目前SDA 法脫硫是世界上較為成熟的半干法煙氣脫硫技術之一，廣泛應用于電力、冶金、化工、垃圾焚燒、乳制品等行業并取得了較好的效果，具有很高的市場占有率[15]。

1.2 工藝流程

將生石灰定量加入消化罐內并加水配制成反應所需的脫硫劑（熟石灰）漿液，漿液經振動篩篩分后自流入漿液罐。根據原煙氣SO2濃度將脫硫劑漿液由漿液泵定量送入吸收塔頂部的漿液頂罐中。漿液再由漿液罐自流進入吸收塔頂部的霧化器內，經霧化器作用后形成30～80μm 的霧滴。

燒結機煙氣經機頭處的多管除塵器凈化后，由主抽風機出口煙道引出，經原煙氣旁路閥門和入口閥門切換后，送入SDA 吸收塔。被霧化的脫硫劑漿液與吸收塔內的煙氣充分接觸，迅速發生物理、化學反應，吸收煙氣中的SO2等酸性物質。吸收SO2等酸性物質并干燥的含粉料煙氣進入布袋除塵器進行氣固分離，可進一步實現煙塵凈化處理。除塵器所收集的粉塵因含有未完全反應的Ca(OH)2，可以采用斗式提升機輸送至循環灰系統回用。凈煙氣由增壓風機抽引經新建煙囪排入大氣，整套工藝的流程如圖1 所示。

另外，在實際工程應用中，脫硫塔頂部及塔內中央設有煙氣分配裝置，在系統運行過程中可以確保塔內煙氣具有合理、均勻的氣流分布。這樣可以使煙氣和霧化的脫硫劑充分混合，有助于質量和熱量傳遞，使干燥和反應條件達到最佳。同時，該裝置使煙氣與霧滴處于相對合理的接觸時間，可以得到較高的SO2去除率，并且能夠使脫硫劑霧滴得到充分干燥。

2 項目概況及運行效果

2.1 技術參數

某鋼廠180m2燒結機的年產量為120 萬t，該燒結機煙氣的主要工藝條件及參數如表2 所示。燒結煙氣經過凈化處理后要求煙囪出口排放濃度達到SO2≤100mg/Nm3、粉塵濃度≤30mg/Nm3、脫硫效率不低于95%。

2.2 系統設備組成

該套SDA 燒結煙氣脫硫除塵系統主要由脫硫塔、石灰制漿系統、排空系統、布袋除塵器、增壓風機等組成，主要系統的設備組成如表3 所示。

脫硫塔高約40m、碳鋼材質、鋼板厚度≥12mm（局部≥14mm），吸收段規格為Φ14m×15m。脫硫塔的塔體外部設有100mm 厚的巖棉保溫材料。制漿設備主要由生石灰粉倉、消化罐、振動篩等組成，其中生石灰粉倉容積為60m3、消化罐容積為8m3，振動篩（篩網16 目）設有兩臺，處理能力為10t/h。所用生石灰純度≥80%、活性t60≤4min、生石灰粒度＜3mm、比例≥90%。

系統中的布袋除塵器是對煙氣進行除塵處理的重要設備，長袋低壓脈沖除塵器的過濾面積為14 500m2、過濾風速為0.9m/min。所用濾袋材質采用滿足SDA 脫硫工藝工況要求的專用濾料（耐酸堿、抗氧化、拒水）。脫硫布袋除塵箱體內部全部采取防腐措施。

圖1 工藝流程

表2 燒結煙氣條件

表3 系統主要設備

3 燒結煙氣脫硫分析

3.1 單因素影響分析

在燒結煙氣脫硫的過程中，煙氣溫度和脫硫劑用量是影響煙氣脫硫效果的主要因素。特別是煙氣溫度，為保證實現較好的脫硫效果，一般需要對原煙氣進行升溫處理。因此，在系統的調試階段進行了單因素影響分析，分別對不同煙氣溫度和脫硫劑用量對脫硫效果的影響進行了測試。測試階段脫硫系統入口煙氣的SO2濃度均值為420mg/Nm3，升溫前的平均煙氣溫度為130℃。

3.1.1 溫度影響

圖2 單因素影響

測試煙氣溫度對脫硫效率的影響時，控制脫硫劑的使用量為4t/h，并將燒結煙氣進行升溫處理，溫度對SO2去除率的影響如圖2a 所示。當煙氣溫度為140℃～180℃時，煙氣平均脫硫率分別為90.17%、95.02%、96.35%。通過實驗結果可以發現，隨著溫度的升高，系統的脫硫率明顯上升，這是因為高溫可以使脫硫劑被熱激活，使得脫硫劑的比表面積迅速增大，可以更高效地吸收煙氣中的SO2等酸性物質，提高脫硫效率。

3.1.2 脫硫劑用量影響

測試脫硫劑用量對脫硫效率的影響時，將煙氣進行升溫處理至160℃，脫硫劑用量對SO2去除率的影響如圖2b 所示。當脫硫劑用量分別為3t/h、4t/h、5t/h 時，煙氣平均脫硫率分別為90.33%、95.02%、96.69%。說明脫硫劑的用量越大，對煙氣中酸性物質的吸收越徹底，脫硫效率越高。

通過單因素實驗結果可以發現，煙氣溫度和脫硫劑用量的變化能夠直接影響煙氣中SO2的去除率，因此，可以通過響應曲面法建立連續變量曲面模型，進一步評價煙氣溫度和脫硫劑用量對SO2去除率的交互影響。

3.2 響應曲面分析

在上述單因素實驗的基礎上，本文以溫度（A）和脫硫劑用量（B）作為響應因素，應用Design Expert 軟件，以SO2脫除率（u）為檢測指標進行響應曲面優化設計，對工藝參數進行優化。采用經驗模型對變量的響應進行表征，對結果進行回歸分析，得到二次回歸方程：u=95.07+3.42A+3.02B+0.19AB-1.93A2-1.68B2。

該回歸模型的方差分析結果如表4 所示，由方差分析結果可知所得模型P＜0.0001，模型顯著（P＜0.05 即可視為模型顯著），表明A和B對u均有顯著影響，說明溫度和脫硫劑的使用量是影響煙氣脫硫效果的主要因素。模型決定系數R2=0.9968，校正后的復相關系數R2adj=0.9945，模型的信噪比為71.183。由此可見，該回歸模型對脫硫過程的擬合情況較好，可信度和精確度高，能很好地模擬兩個自變量（A、B）對響應值（u）的影響，可應用于u的分析和預測。

表4 回歸模型的方差分析

本文應用Design Expert 軟件得到的溫度（A）和脫硫劑用量（B）交互影響SO2脫除率（u）的響應曲面和等高線如圖3 所示。可通過考察等高線的趨勢和響應曲面的性狀來分析反應溫度和脫硫劑用量對SO2去除率和脫硫成本的交互影響。由圖3a 可以看出，等高線的分布呈典型的橢圓形；由圖3b 可以看出，響應曲面呈典型的馬鞍面，這表明A和B對u影響的交互作用顯著。如圖3 所示，當溫度低于164℃、脫硫劑用量小于4t/h 時，等高線更密集，擬合曲面的坡度更大，這說明在此范圍內兩個因素對SO2去除率的影響更大。

圖3 反應溫度和脫硫劑用量對脫硫效率的交互影響

3.3 能效分析

通過單因素影響分析和響應曲面分析可以發現，提高脫硫反應溫度或者增加脫硫劑用量都有助于更徹底地去除煙氣中的SO2等酸性物質。但是，在煙氣脫硫過程中脫硫劑的使用量以及煙氣升溫過程中燃氣的消耗量是決定脫硫成本的主要因素。為了響應國家節能減排、可持續發展的要求，在保證排放煙氣達標的前提下要最大限度節約成本。因此，有必要對脫硫系統進行效能分析。

SDA 脫硫系統所用脫硫劑的成本約為450 元/t，加熱煙氣所用的高爐煤氣成本約為0.058 元/m3。結合單因素影響分析和響應曲面分析得到脫硫成本（v）回歸方程為：v=2148+232A+450B。由于該燒結機煙氣脫硫除塵改造工程要求脫硫效率不低于95%，所以結合脫硫效率和脫硫成本進行綜合分析得到最優工藝條件：脫硫反應溫度為166.7℃。脫硫劑用量為3.72t/h時，脫硫效率為95.01%，脫硫成本為2099 元/h。此時既能夠滿足工程要求又可以最大限度降低脫硫成本、節約資源。

3.4 連續運行情況

某鋼廠的180m2燒結機自采用SDA 工藝以來，設備運行穩定，燒結煙氣的脫硫除塵效果較好。設備的實際運行效果如圖4 所示。

圖4 實際運行圖

該套工藝系統對燒結煙氣的脫硫處理效果如圖4a 所示，在連續兩個月的運行過程中，系統入口處的SO2濃度平均值為418.02mg/Nm3，出口處SO2濃度可以保證低于30mg/Nm3。兩個月連續運行的SO2平均去除率為95.19%，最高可達97.11%。圖4b 為燒結煙氣中粉塵的處理效果，平均入口濃度為48.97mg/Nm3，平均去除率為93.87%，出口粉塵濃度小于4mg/Nm3，遠低于要求排放濃度。通過運行數據可以表明該180m2燒結機經過脫硫除塵改造后，所排放的燒結煙氣中SO2和粉塵的濃度下降明顯，該套脫硫除塵系統能夠實現預期目標，在結合經濟性的同時可以滿足該鋼廠所在地區的排放標準。

通過圖4 可以看出，在連續運行過程中，燒結煙氣中的粉塵濃度有較大波動，但是排出氣體中的粉塵濃度較為穩定且遠低于排放標準。同時，煙氣中的SO2濃度也出現小范圍的波動，但是排出氣體中的SO2濃度相對穩定且符合相關排放標準。這說明該套脫硫除塵工藝的處理效果好、穩定性高，同時也具有一定的抗沖擊能力。

4 結語

（1）結合脫硫效率和脫硫成本進行綜合分析得到最優工藝條件：脫硫反應溫度為166.7℃、脫硫劑用量為3.72t/h 時，脫硫效率為95.01%，脫硫成本為2099 元/h。

（2）改造后的結果表明，運行過程中SO2和粉塵的平均去除率分別為95.19%和93.87%，出口煙氣中污染物的濃度分別低于30mg/Nm3和4mg/Nm3。

（3）改造工程得到了企業和當地生態環境部門的肯定，為燒結機的脫硫除塵改造提供了可以借鑒的方案和經驗。