高爐熱風爐煙氣SO2超低排放源頭和過程控制研究

摘要：結合鋼鐵超低排放改造和國家“雙碳”目標，對高爐熱風爐煙氣SO2源頭和過程控制的減排措施進行研究。通過高爐硫平衡計算，對硫來源及去向的分布進行分析；對SO2源頭及過程減排的影響因素進行擬合，并對影響程度相關性進行分析，綜合考慮企業生產實際，按照源頭治理、過程凈化的思路，提出煙氣SO2可行性的減排措施。結果表明，以福建三鋼6號高爐為例，焦炭是硫收入的最大來源，占到總硫收入的73%；爐渣是硫的最大去向，占到總硫支出的84.6%。煙氣SO2源頭減排協同降碳的首要措施是降低焦比，當焦比控制在305kg/t以下，煙氣SO2排放濃度在55mg/m3上下波動；當焦比降低10kg/t，噸鐵SO2可減少排放量約為0.03t。控制爐缸區溫度較控制爐渣組分對爐渣脫硫能力的影響程度相關性更強，且更具有可操作性，當鐵水溫度控制在1420℃以上，煙氣SO2排放濃度在55mg/m3上下波動。

關鍵詞：SO2；硫負荷；硫支出；焦比；爐渣

引言

隨著我國不斷深入推進鋼鐵行業超低排放改造，鋼鐵行業有組織廢氣污染物顆粒物、二氧化硫和氮氧化物的排放控制水平處于國際領先，并充分帶動了環保產業發展及技術革新和進步。鋼鐵行業污染物排放量大幅下降，大氣環境質量得到明顯改善[1]。同時，鋼鐵行業為高碳排放行業，是實現國家“雙碳”目標的重點行業[2]。因此，應在鋼鐵超低排放和“雙碳”背景下，按照“協同推進降碳減污”的政策方向，系統性推進超低排放改造，統籌協調源頭減污、過程控制、末端治理的關系，更好的實現鋼鐵行業綠色低碳轉型發展。

高爐熱風爐煙氣SO2來源于高爐煤氣中的硫化物，高爐煤氣硫份濃度的高低主要受入爐原燃料含硫量的源頭因素及生產參數變化的過程因素影響[3]。入爐原燃料中，硫份最大來源為燃料焦炭。冶煉過程中，提高爐內溫度，有助于提升高爐爐渣的脫硫能力，鐵水和煤氣中的硫將會更多的向爐渣中轉移[4]。因此，在結合企業生產實際及綜合效益基礎上，探討入爐原燃料的含硫量、消耗量及生產過程參數的控制對高爐熱風爐煙氣SO2的影響，無論是對于前端的高爐煤氣精脫硫，還是對末端的煙氣SO2治理，在環保治理設施實際運行過程中，均可為其降低污染物初始濃度和運行能源消耗提供數據參考，以期實現精準科學治污，落實超低排放和降碳協同推進。

1高爐硫負荷分析

1.1 原燃料硫含量分析

調取福建省三鋼（集團）有限責任公司（簡稱“福建三鋼”）6號高爐入爐原料燒結礦、球團、塊礦及燃料焦炭、煤炭組分化驗數據，原燃料硫含量化驗結果如表1所示。根據化驗結果，燃料焦炭、煤炭硫含量均遠高于原料燒結礦、球團、塊礦。其中，焦炭硫含量最高，是球團硫含量的160倍，原料硫含量均較低。

1.2 高爐硫負荷計算

調取和統計在上述入爐原燃料生產周期內的生產報表相關數據，確定噸鐵產量所需的各物料用量，計算各物料帶入的硫質量，得出噸鐵硫負荷，高爐噸鐵硫負荷計算結果如表2所示。根據計算結果，在高爐冶煉過程中，硫收入主要來源為燃料，焦炭和煤炭占到總硫收入的85%以上，其中焦炭是硫收入的最大來源，占到總硫收入的73%。原料對于噸鐵硫負荷占比較小，合計占總硫收入僅為13.2%，對于硫收入的影響較小。因此，對于高爐熱風爐煙氣SO2超低排放改造的源頭控制方面，應著重考慮焦炭的硫含量，以及焦比（焦炭的消耗量/鐵水產量，單位：kg/t）的控制。

2焦比對SO2排放濃度的影響分析

通過上述分析，總硫收入的最大來源為焦炭。關于焦炭硫含量源頭控制方面，由于福建三鋼配套設有焦化生產工序，焦炭質量控制穩定。經統計，福建三鋼自產焦炭硫含量基本維持在0.70%～0.74%之間，三鋼自產焦炭硫含量的變化，對于噸鐵硫負荷影響較小。

關于焦比控制方面，為了解冶煉時焦比對高爐熱風爐煙氣SO2排放濃度的影響，跟蹤和選取入爐原料結構配比穩定（入爐原料由75%的燒結礦＋17%的球團礦＋8%的塊礦構成）、原燃料控制質量相近、爐缸區溫度相似及其它冶煉參數類似的多組高爐冶煉焦比與高爐熱風爐煙氣SO2排放數據，并對焦比和SO2排放數據進行線性分析，結果如圖1所示。

根據分析結果，隨著焦比的提高，煙氣SO2排放濃度呈上升趨勢。當焦比控制在305kg/t以下，煙氣SO2排放濃度在55mg/m3上下波動；當焦比在350kg/t以上時，大部分煙氣SO2排放數據在60mg/m3以上。結合企業生產實際需要，適當降低焦比有利于減少煙氣SO2的排放。

根據張琦等[5]對全流程鋼鐵企業碳排放核算的研究，焦炭碳排放量按式（1）計算。

式中 ECO焦炭—CO2排放量，t；E焦炭—焦炭消耗量，t；EF焦炭—焦炭碳排放因子，取3.043tCO2/t。

通過計算，當焦比降低10kg/t，即噸鐵焦炭消耗量減少0.01t，噸鐵CO2可減少排放量約為0.03t。高爐熱風爐煙氣SO2源頭減排并協同降碳效果較為明顯。

3高爐冶煉硫支出平衡分析

在高爐冶煉過程中，硫的支出主要有3個方面，分別存在于高爐爐渣、鐵水及煤氣之中，硫支出可用式（2）表示[6]。隨著爐內生產反應的進行，最終硫化物大部分存在于爐渣中，主要為CaS；然后是鐵水，主要為FeS；另外的少部分進入煤氣，主要以COS（有機硫）為主，占總硫量70%～80%，H2S（無機硫）為輔[7][8]。

式中 S總硫—總硫量；S爐渣—爐渣含硫量；

S鐵水—鐵水含硫量。

通過調取同冶煉周期內的爐渣、鐵水等產物組分化驗數據，爐渣、鐵水硫含量分別為0.7219%、0.0254%，爐渣硫含量遠高于鐵水。表2中已核算噸鐵總硫量為3.027kg，根據式（2）進行煤氣噸鐵含硫量及硫支出平衡計算，計算結果如表3所示。根據計算結果，爐渣含硫量最高，占到總硫支出的84.6%。這是由于爐渣中含有較多CaO等堿性氧化物，易和硫發生化學反應，生成CaS等，同時存在在渣鐵界面、氣液接觸面，進一步促使鐵水、煤氣中的硫轉移到了渣中。為減少煤氣中的硫含量，應增加爐渣中的含硫量[9]。

4 爐渣脫硫能力影響因素分析

影響爐渣脫硫能力主要有爐渣組分（CaO〈堿性物質〉、Al2O3〈酸性物質〉含量等）及爐缸區溫度等因素[10]。

4.1 爐渣組分的影響

在爐缸區溫度、焦比及其它冶煉參數相近條件下，跟蹤和統計多組爐渣組分化驗數據，并對CaO/Al2O3和硫含量進行線性分析，結果如圖2所示。根據分析結果，隨著CaO/Al2O3的增加，即CaO含量增加或Al2O3含量減少，爐渣硫含量有所提高，但影響程度的相關性較不明顯。這是由于在冶煉過程中，為保證生產順暢穩定，入爐原料質量、配比均較為穩定，冶煉生成的爐渣組分較為穩定，CaO/Al2O3基本維持在2.73～3.16之間。因此，在生產過程中，通過控制爐渣組分提高爐渣脫硫能力的實際操作性較小。

4.2 爐缸區溫度的影響

爐缸區溫度與鐵水溫度具有較強相關性，為便于統計和分析，取鐵水溫度進行分析。在焦比及其它冶煉參數相近條件下，跟蹤和統計多組鐵水溫度和爐渣硫含量數據，并進行線性分析，結果如圖3所示。

根據分析結果，隨著鐵水溫度的升高，爐渣硫含量呈現上升趨勢，且影響程度的相關性較爐渣組分更為明顯，一是爐缸區溫度變化幅度相對較大，受高爐本體溫度場、煤氣流及送風量等因素的波動，爐缸區溫度變化幅度在50℃左右；二是爐渣脫硫屬于吸熱反應，隨著溫度的升高，硫在“爐渣—鐵水—煤氣”三相條件下，會進一步向爐渣中轉移。

5鐵水溫度對SO2排放濃度的影響分析

在跟蹤鐵水溫度和爐渣硫含量數據的過程中，同步跟蹤高爐熱風爐煙氣SO2排放數據，并對鐵水溫度和SO2排放濃度進行線性分析，結果如圖4所示。根據分析結果，隨著鐵水溫度的升高，爐渣脫硫能力逐步提高，煤氣含硫量進一步降低，高爐熱風爐煙氣SO2排放濃度呈下降趨勢。當鐵水溫度控制在1420℃以上，煙氣SO2排放濃度在55mg/m3上下波動。適當提高爐缸區溫度，有利于降低煙氣SO2排放濃度。

在高爐冶煉實際操作過程中，由于鐵水硅含量與高爐生產的穩定性、鐵水質量具有較強相關性，并能直接反映爐內持續的熱狀態，因而鐵水硅含量常作為高爐爐溫的標志。在現代冶煉技術下，通過控制鐵水硅含量可有效控制爐缸區溫度。因此，通過控制爐缸區溫度來降低高爐熱風爐煙氣SO2排放濃度，在生產過程中，具有一定的可操作性。

結論

通過高爐硫負荷及硫支出的平衡分析，在入爐原燃料中，焦炭是硫收入的最大來源，占到總硫收入的73%。在煉鐵產物中，爐渣含硫量最高，占到總硫支出的84.6%。

由于硫收入的最大來源是焦炭，在焦炭質量控制穩定的條件下，高爐熱風爐煙氣SO2源頭減排協同降碳的首要措施是降低焦比。當焦比控制在305kg/t以下，煙氣SO2排放濃度在55mg/m3上下波動；當焦比降低10kg/t，噸鐵CO2可減少排放量約為0.03t。

在實際生產過程中，控制爐缸區溫度較控制爐渣組分對爐渣脫硫能力的影響程度相關性更強，且更具有可操作性。隨著爐缸區溫度的升高，爐渣脫硫能力逐步提高，煙氣SO2排放濃度呈下降趨勢，當鐵水溫度控制在1420℃以上，煙氣SO2排放濃度在55mg/m3上下波動。

參考文獻

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作者簡介

王文明（1991—），男，漢族，福建三明人，工程師，碩士，研究方向為鋼鐵環保管理和治理。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-01-31