烧结烟气脱硫技术的研究与发展

活性炭法的原理是烧结机排出的烟气经旋风除尘器简单除尘后, 粉尘浓度从1 000 mg/ m3 降为 250 mg/ m3 ,由主风机排出。烟气经升压鼓风机后送往移动床吸收塔,并在吸收塔入口处添加脱硝所需的氨气。烟气中的SOx 、NOx 在吸收塔内进行反应,生成的硫酸和铵盐被活性炭吸附除去。吸附了硫酸和铵盐的活性炭送入脱离塔,经加热至400 ℃ 左右即可解吸出高浓度SO2 。解吸出的高浓度SO2 可以用来生产高纯度硫磺(99.95 %以上) 或浓硫酸 (98 %以上) ,再生后的活性炭经冷却筛去除杂质后送回吸收塔进行循环使用。活性炭法在进行烟气处理过程中烟气温度并没有下降,故无需再对处理后的烟气加热来进行排放,这有别于其它脱硫技术。

活性炭法具有脱除污染物功能强、占地面积小、副产物可利用、不产生二次污染等许多优点。

4 　中国烧结烟气脱硫的发展

4. 1 　应用基础理论研究促进技术开发

对首钢、鞍钢、攀钢和石钢等多家企业的烧结烟气SO2 浓度进行实地测量,得出的普遍结论是沿烧结机运行方向SO2 浓度呈现出两头低、中间高的特点。但是随着烧结机规模、原料硫负荷、配比、碱度、操作参数、烟气含氧量等因素不同[6 ] ,SO2 的总排放浓度从300～5 000 mg/ m3 不等,差异很大; SO2 浓度沿烧结机运行方向分布曲线的峰值位置可能发生偏移,各个因素的具体影响程度,需要从应用基础理论上进行研究,辅以相应的实验室模拟试验,从而对烧结烟气SO2 的生成、排放机理进行深入研究,为后续烟气脱硫装置的开发提供依据。

4. 2 　烧结烟气脱硫工艺的选择

4. 2. 1 　技术风险与运行风险

(1) 技术风险

有些脱硫技术虽然在烧结烟气脱硫领域有成功实例,但是由于企业间的原燃料条件等不同,不能简单照搬;有些脱硫技术虽然在电厂应用获得成功,但是由于烧结烟气与电厂烟气性质差异很大,所以也不能简单地移植;有些脱硫技术理论成熟,尚无工业应用实例,也可能要从发展前景上仔细斟酌。任何一种脱硫技术,企业都应该根据自身的原燃料和工艺条件进行论证。

(2) 运行风险

运行风险主要包括烧结脱硫装置的安全性和可靠性。例如:石灰2石膏法较易腐蚀、磨损,有时甚至导致管路堵塞;氨2硫酸铵法当脱硫剂焦化氨水不足时,需要补充液氨,液氨属于化学危险品,运输、存储要求较高,而且要防范氨气残留溢出的危险;循环流化床法由于烟气量波动常会引起吸收剂的流化状态不稳定,要避免出现堵塞、失流、塌床等现象的发生[7 ] ;海水脱硫法因烧结烟气成分复杂可能有时会污染海域;电子束照射法必须要有严格庞大的放射线防护设施,其产生的臭氧对脱硫装置常有腐蚀。当然,每一技术都存在一定的运行风险,关键在于如何对其进行有效的完善和改进,最大程度地降低运行风险。

4. 2. 2 　投资成本与运行成本

(1) 投资成本

湿法烟气脱硫技术,如石灰2石膏法和氨2硫酸铵法,由于工艺比较复杂,投资较大;半干法烟气脱硫技术,如密相塔法和循环流化床法,由于取消了湿法脱硫工艺中的制浆、增稠和脱水等设备,工艺比较简单,投资较少;活性炭法由于设备造价高,活性炭价格贵,尤其硫资源回收处理等外围系统复杂,投资巨大且运行费用很高。

(2) 运行成本

投资成本是一次性的,而运行成本是长期的。考虑这两个因素时,要把运行成本放在第一位。运行成本主要与脱硫剂和副产物有关。

①脱硫剂

脱硫剂的用量和价格与运行成本的高低有很大关系。石灰2石膏法、密相塔法、循环流化床法等使用的脱硫剂为石灰或者石灰石,氨2硫酸铵法使用的脱硫剂为氨水(焦化氨水或者液氨) ,活性炭法使用的是活性炭。

对于使用石灰或者石灰石作为脱硫剂的脱硫系统,钙硫比是影响系统脱硫效率和经济运行的重要参数,它是指加入系统的新脱硫剂中钙的摩尔数与烟气中被脱除的硫的摩尔数的比值。中国石灰石资源丰富,除上海、香港、澳门外,在各省区均有分布。氨2硫酸铵法的脱硫剂可以使用焦化氨水,做到 “以废制废”,但首先要求企业要有焦化厂,而且焦化厂的氨水产量与烧结脱硫所需基本平衡。

活性炭法的活性炭损耗较高,即使循环使用,每脱除1 t SO2 ,活性炭损失在150 kg 左右。因活性炭价格较贵,通过选择特殊的原料和炭化活化工艺制成性能优越、价格低廉的脱硫活性炭是一重要的课题。日本东北大学有山达郎教授与北京科技大学合作,研究开发用废木材、废纸屑和废塑料等有机废弃物加工活性炭工艺,活性炭产品的强度和比表面积均达到使用要求[8 ] 。

②副产物与循环经济

按照循环经济的原则,脱硫副产物的价值高低、能否利用已经成为影响脱硫技术推广应用的关键因素。

石灰2石膏法是目前烧结脱硫最成熟的技术,副产物为纯度90 %以上的石膏,日本20 世纪70 年代建设的烧结脱硫装置广泛采用,中国宝钢目前也已采用。但由于日本缺乏天然石膏,副产物含硫石膏可以得到利用。而中国存在大量廉价天然石膏,除浙江、福建、黑龙江3 省外,所有地区都有非常丰富的天然石膏资源,已探明的天然石膏资源大约为 570 亿t ,脱硫石膏的利用受到影响。

活性炭法和氨2硫酸铵法的脱硫副产物均可回收。其中活性炭法的副产物为硫磺和浓硫酸,应用前景广阔。氨2硫酸铵法的脱硫副产物为硫酸铵化肥,纯度可达96 %以上,进一步研究其微量重金属含量及对农作物的影响,也是一个重要的课题。

4. 2. 3 　二次排放

(1) 气体排放

对于以石灰石、石灰和碳酸盐作脱硫剂的湿法和半干法脱硫技术,在生成脱硫剂的前道工序和脱硫过程中都会有CO2 排放。例如: 石灰2石膏法每处理1 t SO2 要排放017 t CO2 ,因此烧结烟气脱硫要与控制CO2 排放,需同步考虑。

(2) 固体排放

目前,以石灰石、石灰作脱硫剂的半干法脱硫技术,如密相塔法和循环流化床法等,脱硫副产物也为石膏,可用作干混砂浆主料、水泥缓凝剂、建筑材料和筑路材料等。其中密相塔法脱硫副产物(石膏为主) 用于生产干混砂浆,其中的胶凝材料全部使用冶金生产固体废弃物,不需加入水泥。干混砂浆技术是为改变传统的在建筑工地现场配置砂浆易造成质量不稳定和污染环境的问题而逐渐形成的砂浆生产与使用方法。这项技术不但能够使得砂浆生产的主要环节从建筑工地转向工厂车间,从而形成高效、环保的流水作业方式,而且还有利于大量使用各种固体废弃物。用密相塔法脱硫副产物制造干混砂浆的技术已在石家庄附近得到应用,效果良好。