高爐煉鐵脫硫機理及技術優化研究

張斌

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214400）

0 引言

本文深入研究了脫硫機理、技術優化、機理現狀、成本效益分析以及實際案例，為煉鐵工業的改進提供了有力支持。通過技術創新，如引入新興脫硫技術和改進工藝參數，脫硫效率得以顯著提高，硫排放減少，成本效益得以改善。實際案例提供了充分的數據支持，顯示了成功的脫硫工程如何在實踐中為高爐項目帶來明顯的性能和經濟效益。這一綜合研究旨在推動高爐煉鐵工藝向更可持續和高效的方向發展。

1 工藝概述

高爐是煉鐵過程中的核心裝置，其基本原理在于高溫下還原鐵礦石中的鐵氧化物，將其轉化為液態鐵，這是通過將爐內加熱至高溫，使焦炭（還原劑）與鐵礦石發生反應，從而釋放出純鐵，并產生廢渣。高爐在這一過程中起到還原和分離的關鍵作用，為鐵的提取提供了基礎。煉鐵的過程通常包括礦石的預處理、高爐冶煉、鐵水的收集以及廢渣的處理。原材料如鐵礦石和焦炭，通過高爐頂部投入，其中鐵礦石在高溫下還原成鐵，而非鐵部分形成廢渣。鐵水流出高爐底部，隨后冷卻和處理成各種鐵和鋼產品[1]。硫是鐵礦石中常見的雜質，當硫含量過高時，其存在會引發多種問題，硫元素環境關系圖如圖1 所示。硫在高爐內會生成硫化氫氣體，不僅損害高爐煉鐵效率，還可能導致脆性鐵，降低產品質量。硫也會污染環境，對人體健康和自然生態系統造成危害。脫硫是確保鐵和鋼產品質量的重要步驟，因為高硫含量會導致產品強度下降、冷脆性增加和焊接性能降低，同時，脫硫也是環保法規的要求，以減少硫排放和維護生態平衡。因此，脫硫在維護產品質量和環保方面都具有關鍵作用。

圖1 硫元素環境關系圖

2 脫硫機理現狀

石灰石法的關鍵反應是石灰石（CaCO3）與硫（S）反應生成硫化鈣（CaS）和二氧化碳（CO2），反應方程式如下：

石灰石法在傳統煉鐵中得到廣泛應用，有效降低了硫含量，但也存在一些限制，如需要大量的石灰石作為原料，導致資源浪費，另外生成的硫化鈣廢渣需要進一步處理和處置，增加了環境壓力，同時需要高溫條件導致能耗相對較高。

熔融渣法利用含堿性和含鐵的渣來吸附和轉化硫，在高溫下，渣中的氧化鐵（Fe2O3）與硫反應生成硫化鐵（FeS）[2]，即：

熔融渣法的工業應用較為有限，但在某些特定情況下能發揮作用，其限制包括：需要含有足夠鐵的渣，以確保足夠的硫轉化；生成的硫化鐵需要進一步處理，以從鐵中分離出來；需要高溫條件，且不適用于所有煉鐵工藝。

生物脫硫依賴硫還原細菌，這些微生物可以在適宜的條件下將硫氣還原為硫化氫（H2S），最終生成硫化物，這個過程是生物學和化學的復雜結合。生物脫硫已在實驗室中取得成功，并在某些實際煉鐵工廠中得到應用，其優點為低能耗、廢物生成少，但需要維護適宜的生物環境。高效吸附劑采用特殊吸附材料，如氧化鐵或錳氧化物，以吸附硫化合物。吸附后，吸附劑可經過再生釋放硫，使其能夠循環使用。高效吸附劑在一些工業應用中表現出良好的潛力，可以高效地捕捉硫，減少廢物生成，且具有較低的能耗。

溫度、壓力和反應時間是影響脫硫反應速率的關鍵因素。在高爐操作中，控制這些參數對實現有效脫硫至關重要。原料的硫含量和化學成分對脫硫效率有重要影響，不同類型的鐵礦石和焦炭可能需要不同的脫硫策略。廢渣或廢水處理對環境管理至關重要，因此脫硫副產品的有效處置和再利用策略也是需要考慮的因素[3]。

3 技術優化前后的對比

3.1 優化前脫硫工藝的性能和問題

在傳統的脫硫工藝中，盡管已經取得了一定的硫去除效果，但仍存在性能以及環境影響等問題。數據顯示，傳統脫硫方法的脫硫效率通常在70%～90%之間，但受到多種因素的制約，如溫度、原料質量和反應時間。在某些情況下，脫硫效率可能不夠高，導致硫殘留在鐵產品中，超出了產品中硫含量的標準，需要額外的處理步驟，增加了生產成本。就成本而言，傳統脫硫方法的運營和維護成本相對較高。以石灰石法為例，數據表明，每噸鋼產量可能需要3～5 t 石灰石，這不僅增加了原材料成本，還引發了廢渣處理的問題。廢渣通常需要在特定場地進行妥善處理，以避免土壤和地下水的污染風險，增加了管理和環保方面的負擔。此外，傳統脫硫方法產生的硫排放對環境造成了污染，硫排放會對空氣質量和周圍居民的健康產生負面影響。根據環保機構的數據，硫氣排放是大氣污染的主要來源之一，數據還顯示，傳統脫硫方法的使用會導致大量資源的浪費。大量的原材料如石灰石用于脫硫，同時產生大量廢渣，不僅浪費了資源，還與可持續性和資源管理原則相悖。因此，傳統脫硫方法在脫硫效率、成本、環境影響和副產品管理方面存在一些問題，迫使煉鐵行業積極研究和實施新興脫硫技術，以提高工藝的可持續性。這將有助于改善產品質量、減少環境污染，降低成本，并更好地管理副產品，符合現代工業的可持續發展目標。傳統脫硫方法和新興脫硫技術工藝對比如表1 所示。

表1 脫硫工藝對比表

3.2 技術優化措施

新興脫硫技術如生物脫硫，通常可以實現超過90% 的脫硫效率，高效吸附劑也能在高溫下實現相似的高脫硫效率。在能耗方面，新興脫硫技術通常能夠降低能耗，數據表明每噸鋼的能耗可從傳統方法的800～1 200 kJ 降至500～800 kJ[3]，這不僅有助于降低生產成本，還能減少能源消耗。新興脫硫技術的成本通常在每噸鋼15～25 美元范圍內，相對于傳統方法的20～30 美元來說更具競爭力。廢渣生成率顯著降低，新興脫硫技術的廢渣生成率通常在0.1～0.3 t/t 鋼之間，相比傳統方法的0.3～0.5 t/t 鋼，有明顯改進。硫排放也大幅減少，數據表明，每噸鋼的硫排放可從傳統方法的1～2 kg 降至新興技術的0.5～1.0 kg，有助于降低對環境的不利影響。新興工藝資源利用效率如表2 所示。

表2 新興工藝資源利用表

3.3 優化后的脫硫性能與效益

通過提高脫硫效率，硫在鐵產品中的含量大幅下降，脫硫效率可達到92%，這不僅提高了產品質量，確保產品滿足質量標準，還降低了后續生產步驟的復雜性。此外，硫氣排放顯著降低，從1.5 kg/t 鋼降至0.8 1.5 kg/t 鋼，這將有助于減輕對大氣環境的硫污染壓力，同時更符合嚴格的環保法規。脫硫效率提高也意味著更多的硫化合物被成功捕獲和回收，硫回收率增至88%，降低了資源浪費，并有望將硫化合物重新應用于其他工藝。脫硫工藝的改進有助于改善環保和資源利用[4]。廢物處理成本從28 美元/t 鋼降至僅14.5 美元/t 鋼，這是由于更低的廢渣和廢水生成率，使廢物管理更加經濟高效。碳排放強度也降低至0.42 kg CO2/kg鋼，有助于減少碳排放，推動煉鐵行業向更低碳和更環保的方向發展。此外，改進的工藝有助于提高資源的利用效率，更多硫化合物得到回收，同時降低了資源浪費，使資源更加可持續地被利用。綜合而言，通過提高脫硫效率和改善資源利用率，脫硫工藝的優化帶來了實實在在的性能和效益改善，有助于實現更可持續、更具競爭力的高爐煉鐵工藝。

3.4 成本效益分析

能源消耗的顯著降低對生產成本的重要性不言而喻。通過引入新興脫硫技術和工藝參數的改進，每噸鋼的能耗降至620 kJ，較優化前的1 100 kJ 低了近50%，這不僅減少了電力和燃料的消耗，還減輕了生產過程中的環境負擔[5]，在具體數據中體現在為煉鐵工業節省了大量能源成本。通過優化的脫硫工藝，副產品的價值增加更為明顯。廢渣的硫含量顯著增加，使其更適合用于其他工業應用，這不僅減少了廢渣處理成本，還創造了額外的收益來源。例如，廢渣的硫含量提高，每噸廢渣中的硫回收增加到了88%，進一步提高了資源的重復利用程度，減少了廢物管理成本。這些數據突顯了副產品在脫硫工藝中的潛在經濟價值，因此，脫硫工藝的優化通過數據支持了成本效益的實際體現。通過降低能源消耗和提高副產品的價值，煉鐵工業不僅降低了生產成本，還實現了額外的收益，促進了可持續生產和資源的有效利用，這一綜合分析提供了技術性的見解，強調了脫硫工藝的成本效益和經濟潛力。成本效益對比如表3 所示。

表3 成本效益對比表

3.5 實際案例分析

通過引入新興脫硫技術，脫硫效率從優化前的75% 提高到了92%，這一技術利用微生物介導的硫還原反應，允許在相對低溫下高效去除硫化合物。在實驗室和實際應用案例中，觀察到了脫硫效率的顯著提高，硫排放從優化前的1.5 kg/t 鋼降至0.8 kg/t 鋼，這些數據不僅證明了新興脫硫技術的可行性，還凸顯了其在硫排放控制中的卓越性能。除了新技術的引入，工藝參數和控制策略的改進也為高爐項目帶來了實際好處。通過更精確地控制溫度、壓力和反應時間等參數，脫硫工藝的效率得到了提高，降低了硫損失率，硫的回收率從65% 增加到了88%。此外，通過對原料特性的詳細管理，實現了工藝的更高穩定性，確保了可持續的脫硫效果，使得高爐項目成為一個成功案例。脫硫效率的提高不僅降低了硫排放，還改善了產品質量。能源消耗效率的提高降低了每噸鋼的能耗，從優化前的1 100 kJ 降至620 kJ；廢物處理成本減少了一半，從28 美元/t 鋼降至14.5 美元/t 鋼；硫排放減少一半，從1.5 kg/t 鋼降至0.8 kg/t 鋼；副產品的價值增加了30 美元/t 廢渣。

4 結語

在高爐煉鐵過程中，脫硫工藝的技術優化是一個關鍵的舉措，帶來了多方面的優勢。通過引入新興脫硫技術和改進工藝參數，脫硫效率得以顯著提高，硫排放減少，同時硫回收率增加，這不僅提高了產品質量，還降低了成本，強化了資源的可持續利用。在經濟層面，能源消耗減少、廢物處理成本下降，硫排放降低，以及廢渣價值的增加，共同構成了強大的成本效益。實際案例的成功經驗表明，脫硫工藝的技術優化是可行的，并帶來了顯著的效益，這一優化不僅滿足了環保法規，還提高了競爭力，同時為可持續發展和資源管理提供了實際示范。高爐煉鐵行業朝著更加環保、經濟和資源可持續的方向發展。