焦爐煤氣脫硫系統經濟運行方案探索與實踐

摘要：已實現超低排放要求的鋼鐵企業，如何在保證所有末端設施排放指標達標的前提下，使環保設施的運行成本降到最低，對于鋼鐵企業的生存而言至關重要。通過分析梅鋼煤精分廠和燃氣動力中心現行焦爐煤氣脫硫系統的技術特點和運行情況，對其系統性進行分析研究，制定經濟運行方案并進行運行實踐，為焦爐煤氣脫硫系統節能降耗、降本增效且經濟運行提供了方案與思路。

關鍵詞：焦爐煤氣；脫硫系統；節能降耗；降本增效；經濟運行

2019 年，生態環境部發布《關于推進鋼鐵行業超低排放的意見》，要求鋼鐵因廠制宜地選擇成熟適用的環保改造技術，加強源頭控制，高爐煤氣、焦爐煤氣應實施源頭精脫硫。上海梅山鋼鐵股份有限公司（簡稱“梅鋼”）結合廠情和已有設施，根據尚未達到超低排放的末端設施情況，采用焦爐煤氣源頭脫硫工藝，形成了穩定運行的焦爐煤氣脫硫系統，實現了末端設施的超低排放。在此基礎上，梅鋼進一步開展焦爐煤氣脫硫系統經濟運行方案研究和工程實踐，以期為其他鋼鐵企業實現超低排放、節能降耗、降本增效提供借鑒。

1 系統概況

1.1 設備概況

梅鋼焦爐煤氣脫硫系統主要包括位于煤精分廠的真空碳酸鉀脫硫系統，以及位于燃氣動力中心的焦爐煤氣DDS 生物脫硫系統和制氫站氧化鐵干法脫硫系統。

1.1.1 真空碳酸鉀脫硫系統

真空碳酸鉀脫硫系統處理能力，一期裝置處理量9.5萬Nm3/h，二期裝置處理量5萬Nm3/h，用K2CO3 溶液做脫硫劑，在常壓下洗滌焦爐煤氣，吸收其中的H2S、HCN、CO2 等酸性組分，富液在真空條件下解析得到H2S、 HCN、CO2等酸性氣體，送制酸裝置生產硫酸[1]。真空碳酸鉀脫硫系統的焦爐煤氣實際運行工況為入口H2S 含量6～8 g/m3、 出口﹤200 mg/m3。

1.1.2 DDS 生物脫硫系統

焦爐煤氣DDS 生物脫硫系統采用“DDS生物脫硫技術”，用含親硫耗氧耐熱耐堿菌和DDS 催化劑的堿性水溶液（簡稱“DDS 溶液”）吸收氣體中的H2S、有機硫等組分，富液在DDS 催化劑催化和親硫耗氧耐熱耐堿菌生化的共同作下，用空氣氧化再生，副產物為硫餅，再生后的DDS 貧液循環使用[2]。由于DDS 脫硫液在脫硫系統中循環運行時，要經過吸收反應、再生反應、生化降解3 個過程，因而DDS 生物脫硫系統設計處理能力為13.5萬Nm3/h，設計進口焦爐煤氣總硫含量≤ 550mg/Nm3。煤氣出口指標達到H2S 濃度≤ 10 mg/Nm3，入口有機硫（以SO2 計）＞ 340 mg/Nm3時，有機硫脫除率≥ 50%；入口有機硫（折合SO2）≤ 340 mg/Nm3 時，脫硫后煤氣總硫含量≤ 185 mg/Nm3。

1.1.3 制氫站脫硫系統

制氫站脫硫系統是一套設計處理量為3 萬m3/h 焦爐煤氣的深度凈化裝置，主要包含2 座電捕焦油器、2 臺離心式鼓風機、4 臺脫萘塔及4 臺脫硫塔。

制氫站脫硫系統入口為H2S 含量為200 mg/m3的焦爐煤氣，經電捕焦脫除焦油使其焦油含量≤ 5 mg/m3，再經鼓風機增壓至25 kPa 并冷卻至40 ℃以下后，進入并列運行的4 臺脫萘塔進行脫萘處理并得到萘含量≤ 20 mg/m3 的焦爐煤氣，最后送至4 臺并列運行的脫硫塔中，采用氧化鐵為脫硫劑，以脫除焦爐煤氣中的H2S 使其含量≤ 10 mg/m3，最終送往用戶。

1.2 設計參數與運行情況

目前，焦爐煤氣脫硫系統均處于穩定運行狀態，各脫硫系統均已達到設計指標。結合表1所示的焦爐煤氣各脫硫系統進出口H2S 含量的設計指標及實際運行狀態下出口H2S 含量，焦爐煤氣DDS 生物脫硫系統的運行狀態已完全達到預期。

2 焦爐煤氣脫硫系統的相互關系

依據如圖1 所示的焦爐煤氣使用網絡圖，真空碳酸鉀脫硫系統包括煤精一期、二期脫硫系統，位于焦爐煤氣精脫硫系統（DDS）前，即位于DDS 生物脫硫系統前。煤精二期脫硫的煤氣主要用于1A1B 焦爐、2A2B 焦爐，煙氣經過焦爐煙氣脫硫系統處理，穩定達標；剩余部分煤氣和煤精一期脫硫的煤氣經過DDS生物脫硫系統處理后用于熱軋加熱爐，使得煤氣指標直接影響加熱爐煙囪排放指標。當焦爐煤氣和煤精一期脫硫的煤氣用于電廠鍋爐時，由于電廠鍋爐有末端環保處理設施，雖對電廠鍋爐煙囪排放指標沒有影響，但對成本有影響；當焦爐煤氣和煤精一期脫硫的煤氣用于石灰窯、高爐等設備時，煤氣指標直接影響對應設施的煙囪排放指標。制氫站脫硫系統的煤氣主要用于冷軋退火爐，煤氣指標直接影響冷軋退火爐煙囪排放指標。

3 經濟運行方案及成效

根據目前焦爐煤氣DDS 生物脫硫系統的運行狀況及出口排放指標情況，針對煤精一期真空碳酸鉀脫硫系統、DDS 生物脫硫系統、制氫站脫硫系統的運行特點和對其他工藝設施的影響情況，分別制定節能降耗、降本增效的經濟運行方案并開展應用試驗，均已取得了一定的運行效果。

3.1 煤精一期真空碳酸鉀脫硫系統經濟運行方案

在后端工藝設施環保排放指標滿足超低排放要求的情況下，調整煤精一期真空碳酸鉀脫硫系統出口煤氣排放指標，根據DDS 生物脫硫系統出口煤氣參數，綜合考慮煤氣排放指標對系統運行成本消耗的影響，選擇最優的H2S 控制指標[3]。煤精一期出口H2S 含量控制在300 mg/m3、500 mg/m3、800 mg/m3、1000 mg/m3 的情況下，DDS 生物脫硫系統出口H2S 含量如表2 所示。

從表2 可知，當煤精一期真空碳酸鉀脫硫系統出口H2S 含量為300 mg/m3、500 mg/m3、800 mg/m3、1000 mg/m3 時，DDS 生物脫硫系統出口H2S 含量均可控制在5 mg/m3 以內。如圖2所示，2023 年11 月13—22 日煤精一期真空碳酸鉀脫硫煤氣排放指標提高后，從DDS 生物脫硫系統進出口H2S 含量的變化，能明顯看出期間并未出現出口H2S ≥ 200 mg/m3 的運行工況。

煤精一期真空碳酸鉀脫硫煤氣排放指標的變化直接影響系統運行參數，提高該系統出口的H2S 含量，可明顯減少再生系統的蒸發水量、循環脫硫液的流量和蒸汽再沸器的蒸汽用量，也可以進一步降低電耗，減少低壓蒸汽消耗[4]。經測算，調整煤精一期真空碳酸鉀脫硫系統的負荷，減少蒸汽用量及循環泵負荷，每年可節約成本225 萬元。

3.2 DDS 生物脫硫系統經濟運行方案

為了保障DDS生物脫硫系統的經濟運行，目前主要從降低電耗和降低蒸汽消耗2 個方面控制。

3.2.1 降低DDS 生物脫硫系統電耗

通過DDS 生物脫硫系統的旁通閥調節真空碳酸鉀脫硫系統、DDS 生物脫硫系統、制氫站脫硫系統3 套脫硫系統的煤氣壓力，保證煤氣系統穩定，減少DDS 脫硫系統煤氣風機（450 kWh）的開機時間，降低DDS 生物脫硫系統電耗。根據系統運行狀況及出口指標，調整再生泵、循環泵的循環量，降低DDS 生物脫硫系統電耗。結合試驗期間的運行指標，發現每年約可節約電耗350 萬kWh，按電價1.08元/kWh 計，年節約電耗成本378 萬元。

3.2.2 降低DDS 生物脫硫系統蒸汽消耗

由于DDS 生物脫硫系統的細菌最佳活性溫度在35～45 ℃，因而目前采用蒸汽加熱完成脫硫液的升溫，后期將改為利用200 ℃左右的環冷廢氣或180 ℃左右的燒結脫硫脫硝廢氣來加熱，從而降低蒸汽消耗。該項目改造完成后，預計每年可節約蒸汽消耗1000 t，按282 元/t 蒸汽計算，每年可減少運行成本28.2 萬元。

3.3 制氫站脫硫系統經濟運行方案

在DDS 生物脫硫系統目前的運行指標（H2S ≤ 5 mg/m3，已滿足設計要求H2S ≤ 10mg/m3）的前提下，為了降低制氫站脫硫系統的運行成本，可將制氫站脫硫系統的旁通閥全部打開，部分煤氣從旁通閥通過，其余煤氣則通過脫硫系統進一步脫硫，并調整制氫站脫硫系統內4 座脫硫塔內脫硫劑的更換周期，將脫硫劑更換周期由2 a 延長至4 a，或全部停運切出系統。運行方案調整后，每年可減少協力費約32 萬元、減少脫硫劑費用8 萬元，可每年可減少運行成本40 萬元左右；若可以全部停運，則全年可減少運行成本60 萬元。

在此基礎上，2023 年5 月，其中1 座脫硫塔中脫硫劑到期后，將該塔脫硫劑卸空，不再裝填新脫硫劑，維持該塔空塔運行，作為制氫站脫硫系統旁通，更進一步的節約了成本。

4 結論

基于以上對焦爐煤氣脫硫系統運行狀況的分析，結合運行參數調整后DDS 生物脫硫系統出口指標的變化情況及焦爐煤氣脫硫系統經濟運行方案經運行試驗，得出以下結論。

①充分發揮DDS 生物脫硫裝置的能力，提高進口H2S 濃度，減輕真空碳酸鉀脫硫系統的負擔。可將煤精一期真空碳酸鉀脫硫系統的出口煤氣H2S 濃度由200 mg/Nm3 提至1000 mg/Nm3，DDS 生物脫硫系統出口H2S 含量仍可以控制在5 mg/m3 以內，不影響后端工藝設施環保運行指標。

②煤精一期真空碳酸鉀脫硫系統出口H2S指標提高后，可減少裝置的汽耗（再生系統的蒸發水量、循環脫硫液的流量和蒸汽再沸器的蒸汽用量）與電耗。

③停用制氫站脫硫系統，焦爐煤氣脫硫系統出口H2S 含量可達到5 mg/m3 以內，即達到制氫站脫硫系統出口指標。

④降低DDS 生物脫硫系統運行能耗，通過DDS 生物脫硫系統的旁通閥調節真空碳酸鉀脫硫系統、DDS 生物脫硫系統、制氫站脫硫系統的煤氣壓力，保證煤氣系統的穩定，可減少增壓風機的開機時間。經1a 運行試驗，不開機也能降低DDS 生物脫硫系統電耗。此外，根據實際運行情況及脫硫效果，及時調整再生泵和循環泵的循環量，能夠進一步減少脫硫系統電耗；利用環冷廢氣或燒結脫硫脫硝廢氣代替蒸汽加熱脫硫液，可降低DDS 生物脫硫系統蒸汽消耗。

⑤在保證所有焦爐煤氣用戶的末端裝置達標排放的前提下，對各焦爐煤氣脫硫系統參數按需調控，優化完善各脫硫系統，可大幅降低脫硫系統的運行成本，對脫硫裝置的節能降耗及企業降本增效具有積極意義。

參考文獻

[1] 袁宏偉，趙蘇杭，劉晶敏.焦爐煤氣脫硫技術的發展現狀[J].科技情報開發與經濟，2008，18（22）：106-108.

[2] 魏雄輝，王祥云，劉新起.DDS脫硫技術及其應用[J].化肥工業， 2001，28（6）： 9-14.

[3] 白巧枝，舒世則，白守明.焦爐煤氣用真空碳酸鹽法的脫硫技術[J].燃料與化工，2002，33（3）：135-138.

[4] 孫喜燕.焦爐煤氣脫硫方案及工藝優化[J].山西化工，2022，42（2）：102-104.

作者簡介

王軍（1974—），男，漢族，江蘇南京人，工程師，大學本科，研究方向為環保技術管理。

韓加友（1972—），男，漢族，山東菏澤人，高級工程師 ，大學本科，主要從事環保技術管理工作。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-07-30