一种钢铁厂轧钢热处理炉超低排治理技术路线.pdf

第 4 期一种钢铁厂轧钢热处理炉超低排治理技术路线杨静1，邓万里2，涂代雄1（1.宝钢工程技术集团有限公司，上海201999；2.宝山钢铁股份有限公司 能源环保部，上海201999）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 4 期2024 年 4 月Vol.44 No.4Apr.2024摘要：为实现多个使用混合煤气的轧钢加热炉超低排放，通过煤气取样检测和烟气推算相结合的方法，确定煤气中含硫量。通过硫平衡分析，确立仅对焦炉煤气进行精脱硫的治理方向。采用分段水解工艺，使焦炉煤气总硫脱除率达到 75%以上，满足超低排限值要求。与传统燃烧后脱硫及燃烧前高、焦炉煤气均深度脱硫相比，具有脱硫装置规模小、投资及占地小、成本低、方便实施的优势，适合主要工序已满足超低排要求，但轧钢加热炉排放不达标的钢厂，使其以较小的经济成本实现所有工序超低排达标。关键词：轧钢加热炉；超低排放；焦炉煤气；精脱硫作者简介：杨静（1992），女，浙江诸暨人，主要从事燃气技术工作。2019 年生态环境部发布 关于推进钢铁行业超低排放的意见，对各工序超低排放指标限值有所收严。近年来，众多钢企通过环保改造已陆续建设了高炉热风炉、焦炉、烧结、锅炉等末端烟气脱硫设施，在钢厂的主要生产工序烧结、炼焦、炼铁、自备电厂已实现了超低排达标。冷轧的加热炉、退火炉因目前超低排标准规定的干烟气基准含氧量为 15%，也大都能达标，仅热轧热处理炉排放不达标问题较为突出，成为瓶颈。传统的环保改造路线是燃烧后脱硫，在炉窑烟气的排放烟道加装脱硫装置，采用钙法、氨法等工艺进行脱硫。然而，燃烧后烟气量倍增，并且大型钢铁企业的轧钢热处理炉往往有几十座，位置分散，若每座加热炉都加装脱硫装置，存在需净化的烟气量大、脱硫装置数量多、投资高、老厂总图位置紧张难实施等问题。近年来在钢铁企业探索应用的燃烧前煤气源头脱硫技术路线，如图 1。在焦炉煤气的发生源头-焦化单元煤气精制系统出口加装精脱硫装置（多为仅脱焦炉煤气中 H2S，不脱或少量脱有机硫）；在高炉煤气发生源头-高炉 TRT 前后加装有机硫水解装置和 H2S 脱除装置，使得送出焦化单元和高炉单元进入全厂煤气管网的焦炉煤气和高炉煤气中硫含量有所降低，这样后端使用这些净化煤气的工序可实现超低排达标。以某产钢 1500 万吨/年的大型钢铁联合企业为例，其高炉煤气平均发生量约 245 万 m3/h，焦炉煤气平均发生量约2832 万 m3/h。若对这些煤气进行源头脱硫，处理气量273277 万 m3/h，而热轧加热炉所用的高、焦炉煤气平均量 21 万 m3/h，仅占高、焦炉煤气总量约 8%。在源头实施高、焦炉煤气精脱硫，同样存在需净化气量大、投资及运行成本高，且脱硫设施重复设置，实现环保目标的代价高等问题。经分析，热轧炉窑所用混合煤气中硫源自焦炉煤气和高炉煤气，转炉煤气基本不含硫，其中焦炉煤气贡献的硫分约占总硫 70%以上，由高炉煤气带来的硫分只占总硫约 30%，仅对高炉煤气实施精脱硫，无法实现超低排，需辅以大量掺混转炉煤气、天然气等不含硫的煤气，降低混合煤气中焦炉煤气的占比，才能达标。此种方式存在转炉煤气供应不稳定、热值波动大、控制难度大，而掺混天然气成本高等弊病。图 1焦炉煤气+高炉煤气源头脱硫示意图91冶金与材料第 44 卷针对以上不足，文章提出了一种治理技术路线，如图 2，即通过对轧钢加热炉所用燃料煤气的构成以及不同种煤气带来的硫含量进行分析，确定混合煤气的硫组成及含量，从而选定硫来源贡献占比最高的一种煤气原焦炉煤气进行深度净化，不仅脱除其中的 H2S，还脱除焦炉煤气中 COS 和 CS2。当脱除率达到一定程度，深度脱硫后的焦炉煤气与不脱硫的高炉煤气/转炉煤气混合，混合后的煤气用于轧钢加热炉作为燃料，使其烟气降低 SO2排放，浓度满足超低排要求。本技术路线不仅可充分利用钢厂副产煤气的热能，相比燃烧后烟气脱硫和燃烧前高、焦煤气源头均脱硫，具有净化装置规模小、投资及运行成本低，方便实施等优点，适合主要工序已达标，但轧钢热处理炉排放不达标的钢厂，使其以较小的经济代价实现所有工序超低排。文章结合某钢厂实施例做进一步说明。某钢厂已建热风炉、焦炉、烧结、电厂烟气脱硫设施，仅余热轧系列 39 座加热炉未能达标需改造。若采用烟气脱硫，烟气量约 260 万 m3/h；若采用燃烧前送热轧的煤气均脱硫，5 座煤气混合站煤气总气量 70 万 m3/h，而采用本技术路线，仅净化焦炉煤气量 20 万 m3/h，以下为其核心过程。1含硫数据及脱硫方向分析1.1煤气含硫数据分析煤气硫含量的确定有两种思路：一是通过对煤气取样后用色谱仪直接检测分析煤气中各种硫的组分和含量，为正向检测法，其优点在于能得到煤气中的各硫分详细组成，但其检测复杂、成本高，数据无法覆盖超低排要求的 95%以上时段；二是通过烟气中的 SO2浓度及炉窑相关燃烧特性计算，推算出煤气中的硫含量，为烟气反向计算法。因目前各钢厂大都设置在线烟气检测系统，能得到连续、大量的烟气数据。该方法缺点是只能计算总硫，无法得知煤气中各种硫分的详细含量。本技术路线确定煤气硫含量结合了以上两种思路，基本思路为：从环保信息系统和煤气监控系统中分别调取烟气数据（烟气中 SO2浓度和含氧量）以及煤气数据（流量、热值）。对所采集的数据需进行预处理，剔除年修等异常点并将煤气和烟气检测数据按时间点对齐。根据煤气数据计算出煤气混气比及混合煤气组分。根据混合煤气组分和烟气含氧量，计算燃烧理论空气量、过剩空气系数，实际烟气量。根据烟气中SO2浓度和实际烟气量推算出混合煤气中总硫浓度。认为转炉煤气不含硫，选取混烧“高+转炉气”的 1 座高炉热风炉烟气数据来计算高炉煤气含硫量；选取混烧“高+焦炉气”的 1 座加热炉烟气数据，代入前述得到的高炉气含硫量，计算得到焦炉气的含硫量；将反算得出的高、焦炉煤气含硫量与同时段取样检测的煤气含硫量数据进行比对。反推值与测量的平均值接近，说明此分析方法合理有效，将之扩展到其余各个用户端，得到各用户端各时刻的煤气含硫量。用直方图、概率图等统计方法对上述海量煤气含硫量数据进行分析，得出煤气含硫量的均值、概率值等。按 95%概率下总硫最大值，结合正向煤气取样分析得出的煤气中各种硫组分比例平均值，得出总硫中每种硫组分的含量，实现煤气含硫量的软测量。采取以上方法，对某钢厂连续 1 年 5 万多条数据进行分析，得出其煤气含硫数据如下：高炉煤气总硫平均值 101.1mg/m3，95%时段覆盖下最大 180mg/m3，设计取值 180mg/m3，其中 H2S 占比 40.72%、COS 占比59.17%；焦炉煤气总硫平均值 478mg/m3，95%时段覆盖下最大893mg/m3，设计取值 900mg/m3，其中 H2S 占比 15.19%、COS 占比 20.49%、CS2占比 57.97%。1.2煤气精脱硫方向某钢厂轧钢工序典型燃料结构为：混合煤气热值图 2本技术路线焦炉煤气精脱硫示意图92第 4 期10000kJ/m3，煤气配比：（53.61%37.66%）高炉煤气+（40.85%46.39%）焦炉煤气+（020%）转炉煤气，其中高炉煤气热值 3260kJ/m3、焦炉煤气热值 17800kJ/m3、转炉煤气热值 7000kJ/m3。按前文高、焦炉煤气中硫组分数据及混气比，计算得出混合煤气总硫为 440.86514.02mg/m3，由焦炉煤气和高炉煤气贡献的硫分别为：83.4%81.2%和 15.4%18.8%，因此选定硫来源贡献占比最高的焦炉煤气进行深度净化。按对混合煤气中的高炉煤气不脱硫，进一步计算得到，当烟气排放 SO2浓度50mg/m3时，以混合煤气含硫最高的工况（不混转炉煤气）514.02mg/m3考虑，焦炉煤气需要达到的总硫脱除率需逸71.23%，焦炉煤气中主要硫组分各自需要达到的脱除率：COS90%，CS280%，H2S29mg/m3。某钢厂焦炉煤气总产量 2832 万 m3/h，在分析其焦炉煤气管网的气流走向后，确定在供往热轧 5 座煤气站的焦炉煤气总管上设脱硫装置，并考虑各用户焦炉煤气用量峰值叠加系数，将最大处理气量定为 20万 m3/h，为焦炉煤气总量 62.5%71%。2两段水解精脱硫工艺路线综合比较脱硫效率、操作条件、初始投资、运行成本、可靠性之后，本技术路线采用水解法工艺咱2暂，并针对钢铁企业焦炉煤气系统特点，对源于煤化工行业煤制合成气净化的水解工艺进行适应性优化：设置预处理工段，先除去焦炉煤气中所含萘、焦油、部分 H2S 等杂质；对水解过程作分段设计，焦炉煤气中所含 COS 和CS2分别在 80120益和 110170益温度区间进行水解反应咱1暂，转化成 H2S，提高了 CS2转化率，比其他工艺高 10%20%；对煤气换热过程采用了热能梯级利用，将二步水解后的热煤气与一步水解前的冷煤气换热，使冷煤气升温后进入一步水解塔，并回收利用闪蒸汽和蒸汽冷凝水，大幅减少蒸汽和冷却水耗量，其主工艺流程见图 3。3实施及效果此技术路线在某钢厂焦炉煤气精脱硫改造项目上得以应用，项目设计参数见前文，投资 1.99 亿，占地8160m2。主要能耗为蒸汽 7t/h、电 1800 万 kWh/a咱2暂。自2022 年 9 月底投运以来，全部 39 座加热炉各烟气排口的 SO2浓度均明显下降，平均下降逸50%，基本低于30mg/m3，远优于超低排限值 50mg/m3。4结语文章为钢铁企业老厂轧钢热处理炉窑超低排环保改造探索了一条可行的治理路线。其中煤气含硫量软测量技术和煤气脱硫介质、脱硫工艺的选择策略，可为钢厂脱硫系统和装置的设计、运行提供指导，具体实施还需根据每个钢厂的燃料结构、煤气品质、已有硫污染治理措施等因厂制宜，确定合理的脱硫介质和脱硫效率。（注：因燃烧后S均以SO2存在，本文煤气中含硫浓度均折算成以SO2计。）参考文献1 邓万里，杨静，陈伟昌，等.分段水解脱除有机硫及制氢尾气再生的方法：202110543538.7P.2021-09-24.2 邓万里，杨静，李霁.焦炉煤气精脱硫工艺分析及设计优化J.冶金动力，2023（3）：15-21+25.图 3本技术路线主要工艺流程框图杨静等：一种钢铁厂轧钢热处理炉超低排治理技术路线93