一、前言

2019年4月，生態(tài)環(huán)境部等五部委《關(guān)于推進(jìn)實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》（以下簡稱“意見”）中明確提出鋼鐵企業(yè)超低排放改造要加強(qiáng)源頭控制，高爐煤氣應(yīng)實施精脫硫。在《意見》發(fā)布以來，鋼鐵企業(yè)和科研院所開展了高爐煤氣精脫硫技術(shù)攻關(guān)，并開展了工程應(yīng)用，但由于早期工程案例對高爐煤氣的特性和工程設(shè)計細(xì)節(jié)考慮不周，存在運行效率衰減、運行成本高等問題，導(dǎo)致一些鋼企在超低排放改造過程中顧慮重重，轉(zhuǎn)而采取了傳統(tǒng)末端治理的方式，未按照《意見》要求實施精脫硫改造。雖然末端治理看似可解決當(dāng)前限值濃度達(dá)標(biāo)問題，但實際上增建的大量末端脫硫設(shè)施，既產(chǎn)生了大量難以妥善處置的脫硫副產(chǎn)物，也增加了管理的難度，再加上部分企業(yè)采取了簡易的末端脫硫工藝，形成了潛在的環(huán)境風(fēng)險點；同時大量末端脫硫設(shè)施會導(dǎo)致能耗物耗的增加，也不利于“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和工程經(jīng)驗的不斷積累，高爐煤氣精脫硫技術(shù)逐步成熟，已經(jīng)具備了推廣應(yīng)用的條件，企業(yè)還應(yīng)按照《意見》要求，實施高爐煤氣精脫硫治理，通過源頭控制方式減少下游煤氣用戶二氧化硫排放，實現(xiàn)減污降碳協(xié)同。

二、高爐煤氣特性

1. 高爐煤氣特點

高爐煤氣是鋼鐵工業(yè)煉鐵生產(chǎn)過程中副產(chǎn)的一種可燃?xì)怏w，雖熱值相對較低，但產(chǎn)生量大，是鋼企最為豐富的自產(chǎn)氣體燃料來源。根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，高爐煤氣產(chǎn)生量一般在1500～1930m3/t鐵，一座1080m3高爐煤氣產(chǎn)生量高達(dá)近30萬m3/h。高爐煤氣成分受高爐所用燃料、生鐵品種與生產(chǎn)操作制度影響很大，主要成分為CO、CO2、N2等，除此之外還含有硫化物、氯化物、金屬粉塵等其他物質(zhì)。正是由于高爐煤氣具有產(chǎn)生量大、煤氣成分復(fù)雜等特點，決定了高爐煤氣精脫硫不能照搬焦?fàn)t煤氣、克勞斯氣等其它化工產(chǎn)品尾氣的脫硫方法。

2. 高爐煤氣中硫的來源及組成

高爐系統(tǒng)中的硫份主要是由含鐵原料（燒結(jié)礦、球團(tuán)礦和塊礦）和燃料（焦炭和噴吹煤粉）等爐料帶入的，對某鋼鐵聯(lián)合企業(yè)1080立方米高爐原料帶入硫分配比例進(jìn)行分析可知，入爐硫主要源自燃料，占比高達(dá)90%，其中焦炭所占比例為 78%，煤粉所占比例為12%；含鐵原料占比約10%。高爐系統(tǒng)中帶入的硫份，絕大部分在冶煉過程中被爐渣吸收并帶出高爐，約占80%；高爐煤氣中進(jìn)入的總硫約占15%，并最終由鐵水和爐渣等帶走約5%。高爐煤氣中總硫含量一般在80～240mg/m3，主要是羰基硫（COS）、二硫化碳（CS2）和硫化氫（H2S）。其中羰基硫占比最高，達(dá)70%~80%；其次是二硫化碳，硫化氫占比最低。上述三種硫成分合計占總硫含量的 90%以上，其中COS與CS2等有機(jī)硫的比例高達(dá)75%~85%，其余為硫化氫。因此，高爐煤氣精脫硫的關(guān)鍵是對有機(jī)硫的脫除。

三、高爐煤氣精脫硫技術(shù)路徑及應(yīng)用現(xiàn)狀

1. 高爐煤氣精脫硫技術(shù)路線

目前，高爐煤氣精脫硫主要有兩種主流的技術(shù)路線，一種是水解工藝，一種是吸附工藝。

（1）水解工藝

水解工藝的原理是，在水解催化劑的催化作用下，高爐煤氣中的有機(jī)硫組分與煤氣中的水發(fā)生反應(yīng)，先將有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為硫化氫，再通過堿性物質(zhì)將硫化氫吸收，或采用濕式氧化的方式將硫化氫轉(zhuǎn)化為硫磺。水解的化學(xué)反應(yīng)如下：

COS+H2O=H2S+CO2

CS2+2H2O=2H2S+CO2

根據(jù)硫化氫吸收轉(zhuǎn)化的工藝不同，又可分為水解+干法吸收、水解+濕法（NaOH）吸收、水解+濕法（氧化）吸收三種工藝路線。日前，國內(nèi)首套采用“水解+蘭碳吸附”的高爐煤氣精脫硫工程在安陽鋼鐵建成投運，又提供了一種新的工藝路線。干法吸收以氧化鋅、氧化鐵作為吸收劑，副產(chǎn)物為硫化鋅或硫化鐵，硫化鋅可送至氧化鋅廠作為原料，硫化鐵可回到燒結(jié)車間配料；濕法（NaOH）吸收即目前鋼鐵企業(yè)的洗酸塔，副產(chǎn)物為硫化鈉溶液，需要配套廢水處理設(shè)施；濕法（氧化）吸收即目前焦化廠普遍采用的焦?fàn)t煤氣HPF、ADA、PDS濕式氧化脫除H2S工藝，副產(chǎn)物為硫膏。

水解工藝設(shè)備通產(chǎn)按照兩段式布置，水解段布置在高爐TRT之前，吸收段布置在高爐TRT之后。水解段布置在高爐TRT之前的目的是利用高爐煤氣的頂壓為水解反應(yīng)創(chuàng)造高壓的反應(yīng)條件，加速水解反應(yīng)。由于高爐煤氣中含有粉塵和氯化物，會減少水解催化劑壽命，因此，通常需要在水解段前設(shè)置預(yù)處理塔，去除高爐煤氣中的氯和粉塵。

（2）吸附工藝

吸附工藝的原理是，利用分子篩等對羰基硫有較強(qiáng)吸附能力的材料，對高爐煤氣中的硫化物進(jìn)行吸附，吸附飽和后再通過解吸將含硫化物的煤氣送至燒結(jié)車間利用，燃燒后的二氧化硫通過燒結(jié)煙氣脫硫系統(tǒng)處理。吸附工藝根據(jù)吸附材料的不同，又可分為分子篩吸附法、微晶吸附法、改性活性炭吸附法。目前工業(yè)化應(yīng)用的是微晶吸附法，分子篩吸附法、改性活性炭吸附法還處于實驗室研究階段。

采取吸附工藝的精脫硫設(shè)施一般布置在高爐TRT之后，由吸附塔+煤氣解吸附系統(tǒng)組成。同樣，由于高爐煤氣中含有水、粉塵、氯化物等其他成分，會影響吸附劑的吸附效率和壽命，需要在吸附塔前配套設(shè)置煤氣預(yù)處理裝置，去除高爐煤氣中的水、粉塵、氯化物等。

2. 高爐煤氣精脫硫應(yīng)用情況分析

目前全流程已超低公示的鋼企中有4家建有高爐煤氣精脫硫裝置，除了已超低公示的企業(yè)外，還有10余家鋼鐵企業(yè)也已配套建設(shè)了高爐煤氣精脫硫設(shè)施。下面對具有代表性的三套高爐煤氣精脫硫應(yīng)用情況進(jìn)行分析。

（1）水解+濕法（NaOH）吸收工藝

A企業(yè)高爐煤氣精脫硫設(shè)施建設(shè)時間為2020年12月，目前已運行1年4個月，為水解+濕法（NaOH）吸收工藝。設(shè)施投運初期運行效果良好，但該設(shè)施最大的問題是催化劑壽命遠(yuǎn)低于設(shè)計值，催化劑設(shè)計使用壽命為兩年，實際壽命不足半年；由于催化劑壽命大幅縮短，導(dǎo)致實際使用成本上升至15~16元/噸鐵，遠(yuǎn)高于5~7元/噸鐵的設(shè)計運行成本。

導(dǎo)致催化劑壽命變短的主要原因，一是煤氣溫度與設(shè)計階段不同，存在不足100℃的情況，導(dǎo)致了催化劑一定程度的失效，特別是其中一座小高爐由于煤氣溫度更低，導(dǎo)致催化劑失效問題更為突出。二是由于高爐爐容偏小，爐料結(jié)構(gòu)相對大型高爐不固定，造成爐況不穩(wěn)，煤氣硫含量、煤氣溫度、煤氣含氧量、氯離子濃度存在較大波動，對催化劑的壽命造成了一定影響，其中氯離子的影響最大。三是精脫硫設(shè)施存在設(shè)計能力不足的現(xiàn)象，導(dǎo)致原有設(shè)計能力無法滿足現(xiàn)階段的使用要求，影響了催化劑壽命及脫除效率。

（2）微晶吸附工藝

B企業(yè)高爐煤氣用戶主要包括高爐熱風(fēng)爐、軋鋼加熱爐、煤氣發(fā)電等，其中高爐熱風(fēng)爐、煤氣發(fā)電廢氣采用了SDS干法脫硫末端治理工藝，但軋鋼生產(chǎn)線眾多，每條生產(chǎn)線需建設(shè)2套煙氣脫硫系統(tǒng)，管理難度大、副產(chǎn)物難以處理，因此對軋鋼車間煤氣采用了精脫硫處理，采用微晶吸附工藝。根據(jù)廠區(qū)分布、管道走向等因素，為全廠軋鋼線建設(shè)了2套煤氣精脫硫裝置，處理規(guī)模分別為50萬m3/h，25萬m3/h，于2021年11月建成投運，目前已運行6個月，運行情況良好，軋鋼加熱爐出口二氧化硫濃度從之前的90~150mg/m3降低到50 mg/m3以下。

但由于投產(chǎn)時間僅半年，長期效果還需進(jìn)一步觀察，根據(jù)指標(biāo)估算運行成本約為2~3元/噸鋼材（由于是對送至軋鋼車間的煤氣進(jìn)行精脫硫，沒將運行成本折算到噸鐵）。其存在的問題和經(jīng)驗主要有以下幾個方面：一是吸附脫硫能力基本固定，對煤氣成分變化應(yīng)對能力不足。設(shè)施建設(shè)后其脫硫材質(zhì)、處理能力基本恒定，因此前期建設(shè)時需留有余量，且更適用于原燃料成分及高爐工況相對穩(wěn)定的企業(yè)；二是配套預(yù)處理設(shè)施非常重要，高爐煤氣中的水、塵和氯離子會嚴(yán)重影響吸附材料性能，增加運行維護(hù)成本，降低脫硫效果；三是解吸塔設(shè)計需要重視，從另外一家鋼鐵企業(yè)的微晶吸附精脫硫設(shè)施運行情況看，由于解吸塔設(shè)計能力偏小，解吸熱源溫度不夠，導(dǎo)致難以解吸，影響設(shè)施正常運行。四是對燒結(jié)煙氣脫硫設(shè)施依賴性較強(qiáng)。該設(shè)備解吸后的高硫煙氣需通過燒結(jié)煙氣脫硫設(shè)施凈化，若燒結(jié)系統(tǒng)故障或管控停限產(chǎn)頻繁，對該系統(tǒng)影響較大。

（3）水解+干法吸收工藝

C企業(yè)高爐煤氣精脫硫項目，采用水解+干法吸收工藝，于2021年7月投運，至今已運行10個月，催化劑性能保持正常，系統(tǒng)各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計要求：凈化后的高爐煤氣HCL及HF總濃度小于5mg/m3；有機(jī)硫催化水解轉(zhuǎn)化效率大于98%；系統(tǒng)末端出口煤氣H2S含量小于20mg/m3，對TRT系統(tǒng)影響小于1.5%，燃燒后煤氣中SO2穩(wěn)定小于35mg/m3，運行成本6~8元/噸鐵。

該系統(tǒng)與水解+濕法吸收工藝不同的是，采用了改性氧化鐵作為水解后硫化氫的吸收劑，吸收完硫化氫的氧化鐵可直接用于燒結(jié)生產(chǎn)，硫化物再通過燒結(jié)煙氣脫硫設(shè)施處理，沒有廢水、固廢產(chǎn)生。同時，該系統(tǒng)吸取了其他高爐煤氣精脫硫設(shè)施的教訓(xùn)，在水解塔前設(shè)置了預(yù)處理設(shè)施，保證了水解催化劑的壽命和脫除效率。

四、鋼鐵高爐煤氣精脫硫應(yīng)用前景展望

1. 高爐煤氣精脫硫主流工藝路線已初步形成

根據(jù)對鋼鐵企業(yè)高爐煤氣精脫硫工程案例的調(diào)研分析，雖然如前所述，在一些已建成項目上還存在有待完善的節(jié)點，需要針對高爐煤氣的特點進(jìn)一步提升精脫硫工藝的運行穩(wěn)定性，但在經(jīng)歷了近三年的技術(shù)攻關(guān)和工程實踐之后，高爐煤氣精脫硫的反應(yīng)機(jī)理和影響設(shè)施運行效果的因素已經(jīng)弄清，且積累了大量設(shè)計和施工經(jīng)驗，以水解法和吸附法為代表的煤氣精脫硫工藝已較為成功的從化工行業(yè)向鋼鐵行業(yè)完成了技術(shù)迭代升級，鋼鐵高爐煤氣精脫硫主流工藝路線已基本形成?！笆奈濉逼陂g，兼具減污降碳協(xié)同增效的高爐煤氣精脫硫項目將是今后企業(yè)超低排放改造實施的重點工程。

2. 通過優(yōu)化工藝設(shè)備與高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)預(yù)處理裝置確保工程效果

根據(jù)高爐煤氣精脫硫工程實例反映出的典型問題，建議鋼鐵業(yè)主單位與設(shè)計施工單位均需苦練內(nèi)功，以“四真”要求從工藝優(yōu)化與精脫硫設(shè)備可靠性建設(shè)方面協(xié)同并進(jìn)。一是盡可能提高高爐入爐料成分和高爐運行工況的穩(wěn)定性，減少煤氣成分波動；二是重點強(qiáng)化對高爐煤氣干法除塵設(shè)施的運行維護(hù)，避免連續(xù)高負(fù)荷生產(chǎn)維檢不及時，除塵效果下降，影響煤氣精脫硫設(shè)施正常運行的情況；三是應(yīng)結(jié)合已有工程經(jīng)驗，根據(jù)高爐煤氣成分配套完備的預(yù)處理裝置，防止煤氣中濕氣、氯化物、以及粉塵等雜質(zhì)造成的催化劑和吸附材料失活與堵塞的風(fēng)險，同時采取措施保證精脫硫設(shè)施水解、吸附、脫附等反應(yīng)的溫度、壓力區(qū)間處于水平；四是系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮一定的冗余度，避免小馬拉大車，同時對水解催化劑和吸附材料性能、塔體布置形式等進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，提高煤氣精脫硫設(shè)施使用壽命、降低運行成本，確保下游煤氣用戶燃燒廢氣中二氧化硫排放穩(wěn)定達(dá)到超低限值要求。

3. 因地制宜選擇高爐煤氣精脫硫技術(shù)路線

建議鋼企在選擇高爐煤氣精脫硫技術(shù)路線時，可結(jié)合自身工藝裝備條線數(shù)量與廠區(qū)冶煉、發(fā)電裝備布置情況，同時兼顧已有末端治理設(shè)施工藝可行性、達(dá)標(biāo)能力、副產(chǎn)物合規(guī)處置路徑與投運成本綜合考慮，因地制宜，選擇技術(shù)路線，具體建議如下：

（1）對于已超低改造公示企業(yè)，尤其是軋線條數(shù)較多、加熱爐與熱處理爐窯量大面廣，占地面積不足、副產(chǎn)物合規(guī)處置負(fù)擔(dān)較重的企業(yè)，建議結(jié)合主體生產(chǎn)裝備條件和末端治理設(shè)施建設(shè)情況，根據(jù)《意見》要求開展煤氣精脫硫項目實踐，優(yōu)化煤氣精脫硫裝置的臺套數(shù)與煤氣處理量，同時可保留部分工藝可行的末端治理設(shè)施作為備用。

（2）對于尚處于超低改造階段的未公示企業(yè)，建議盡量不要采取末端治理的方式，而是將煤氣精脫硫設(shè)施建設(shè)作為全流程高質(zhì)量超低排放改造的重點工程，兼顧減污降碳的規(guī)劃戰(zhàn)略思路，實現(xiàn)從末端治理向源頭污染物減量的蛻變。

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