烧结烟气脱硫净化工程的最适宜技术选择

杨 飏，裴 冰，凌索菲

(1.上海宝钢设计研究院，上海 201900；2.上海市环境监测中心，上海 200030；3.上海立谊环境工程公司，上海 201900)

烧结烟气脱硫净化工程的最适宜技术选择

杨 飏1，裴 冰2，凌索菲3

(1.上海宝钢设计研究院，上海 201900；2.上海市环境监测中心，上海 200030；3.上海立谊环境工程公司，上海 201900)

对冶金企业带式烧结机烟气净化工程所采用的技术路线进行了全面论述。根据烧结烟气有别于锅炉烟气的特点，强调贯彻“一机多效，协同减排”的原则，不可能照搬火电厂传统湿式脱硫和干式脱硝工艺，从当前的技术和经济发展水平出发，烧结烟气净化工程的最适用技术应当首选新型干法和半干法流程，如CFB（循环流化床法）、SDA（旋喷干燥法）和NID（新型一体化），此外，AC（活性炭/焦吸附法）和EBA（电子束-氨法）工艺也值得重视。对于大型带式烧结机，有必要采用烟气分割技术，有选择地实施部分烟气净化处理，既经济高效又可实现协同净化。

烧结;烟气净化;烟气分割法;选择性脱硫;适用技术

1 概述

近20年，特别是最近10年，我国的钢铁工业发展迅猛，已经成为全球第一的生产、消费大国。无论产量、质量或技术装备水平，广受世人瞩目。然而，在经济、社会高速进步的同时，形形色色的环境问题伴随而生，其中大气污染控制凸显重要和紧迫。以SO2论，我国的年排放总量早已超过美国，2000年为1995万t，2005年为2549万t，2008年为2321万t，而NOx的排放总量也可能正在逼近美国，2000年为1177万t，2005年为1395万t，2008年为2300万t。因此我国不仅是一个GDP总量和钢铁产能大国，而且也是一个大气污染物排放大国。

表1 我国现阶段主要大气污染物的行业贡献率

根据SO2排放量的行业贡献率排序（见表1），火电居首，约占50%，其他工业企业占30%以上，这里的主要排放源是冶金工业。在钢铁企业中，烧结（含球团）生产排放的SO2占本企业总量的60%～75%。由此可见，实施节能减排国策，推进全社会的SO2削减，烧结烟气脱硫净化必将受到重视。

在我国，目前拥有各式烧结机1000台以上，其中大中型烧结机500余台，总容量47,300m2，年产烧结矿51,800万t，对优化炼铁原料，改善高炉生产工艺发挥了巨大的作用。不过，我国烧结设备的分布特点是小而散，平均单机容量仅110m2。近年虽经大力调整和淘汰小烧结机，使烧结生产的集中度有所提高，但与国外先进水平相比，差距仍然较大，这是不利于节能减排的，必须迅速加以改变，详见表2。

表2 2007年我国重点钢铁企业的烧结机装备情况

目前我国300m2以上的大型烧结机数量不到总数的10%，其容量和产能均未达到总值的30%。与此相反，179m2以下的小型烧结机数量约占总数的80%，容量和产能均占总值的一半左右。

为了提高节能减排的有效性，当前首要的目标应该将工作的重心放在大型烧结机的新、改、扩建工程上，同时必须强力推进淘汰小型甚至中型落后机，最大限度地提高钢铁烧结生产的集中度，积极选择和实施最适用的烧结烟气脱硫净化工程技术。

2 烧结生产和烧结烟气的特点

烧结生产，实质上是高炉炉料的预处理过程。铁矿石经过烧结，冶炼性能改善，有害元素减少，从而可大大提高铁水的产量和质量。

烧结生产过程包括配料、焙烧、分选和成品四个阶段。烧结生产所用的原、辅、燃料分别是铁矿粉、熔剂和煤（焦）粉，按照一定的粒度和配比要求，遵循一定的工艺流程和控制条件，在烧结机内焙制成可供高炉炼铁用的烧结矿熟料，铁矿粉的粒度小于6mm，熔剂和燃料粒度小于3mm，燃料配比6%～7%，原辅料配比按碱度CaO/SiO2为1.55～1.75计算确定。烧结熟料含Fe品位要求58%～60%以上，粒度5～6mm。生产工艺流程参阅图1，烧结机工作原理见图2。

烧结设备分为抽风式和鼓风式两大类。现代化大型烧结厂都采用抽风式带式烧结机。用布料器先将底料布放于台车上，底料厚度10～20mm，然后布放生料于底料之上，料层厚度600～800mm，用焦炉煤气预热至1300℃左右即可点火，台车一面以2.4～7.2m/min的速度向前移动，一面完成动态焙烧，从而形成渐进式带状焙烧环境。点燃的火焰呈倒置形态，向下穿行于生料层的缝隙而达到烧结目的。由于台车下部两侧设有与焙烧带平行的系列风箱，藉助风机强力抽引将风箱内的烟气通过排烟支管-干管-总管，最终由烟囱排放。

图1 烧结生产工艺流程

图2 烧结机的工作原理图

上列描述表明，烧结烟气的产生、形态和污染物的来源均不同于火电锅炉烟气。锅炉燃料的燃烧呈点式，火焰自下而上，排出的烟气温度和成分上下大体一致。而烧结燃料的燃烧呈带状，火焰自上而下，排出的烟气温度和其他参数沿着焙烧带的长度方向变化很大。锅炉烟气中的硫、氮污染物源于燃料中的S、N含量和燃烧过程的工况条件。烧结烟气中的硫、氮污染物不仅源于燃料的S、N含量和燃烧过程的工况条件，而且还与原辅料的质量有关。正是因为原辅料的复杂性，必将使烧结烟气的各项参数迥异于火电烟气。这些就是烧结烟气的主要特点。在烧结烟气净化工程的设计实践时，要重视如下内容：

（1）烧结烟气中SOx的浓度只相当于燃用低硫煤的锅炉烟气水平；

（2）烧结烟气中的NOx浓度比锅炉烟气低1/2左右；

（3）烧结烟气中的卤化物浓度比锅炉烟气高3～6倍；

（4）烟气中氧和水分含量比锅炉烟气高1倍左右；

（5）颗粒物中的Fe含量比锅炉烟气的高，而Ca、Si、Mg和Al等元素含量比锅炉烟气低很多，因而烧结烟尘的比电阻要比锅炉粉尘的比电阻高一个数量级；

综上所述，由于烧结生产工艺的特殊性，决定了它的烟气具有不同于一般火电锅炉烟气的特点，不过其净化治理办法是可借鉴的。总的来说，对于颗粒物治理已有成熟的技术，NOx浓度甚低，只需适当采取措施，基本可控，当前迫切需要解决的是SO2的高效减排，同时要高度关注二英的有效去除。

在设计该净化工程时，要对烧结机烟气排放的另一个重要特点加以深入研究，以求取得对污染物经济而有效的控制效果。

目前广泛使用的现代带式烧结机，沿着烧结带的长度方向，排出的烟气温度和浓度是不同的，总的趋势是，近机头一端的烟气属于低温低硫系，近机尾一端的烟气属于高温高硫系，低硫系的NOx浓度相对较高，高硫系的二英浓度相对较高。

烧结烟气的这一特点意味着：若按照以往传统的排烟方式，烟气不分高硫、低硫、高NOx、低NOx全部合流引排处理，在设计、施工上是简单一些，可是从技术经济上考虑，却是十分不合理。因为处理装置的投资和运行费用与装置的容量密切相关，以烟气脱硫装置来说，处理容量增大1倍，装置的工程费用和运行成本均将增大40%左右。所以完全可以利用烧结烟气的可分割性，仅需在排烟设计时略加改进，将高硫系与低硫系尽可能精确分开引排和分别处理，即可大大节省一次投资和降低运行费用。

采用“烟气分割”技术，除了可以获取环境和经济效益外，还有不少优点是锅炉烟气净化处理无法达到的。1）由于大容量烧结机的大烟气量变成中等烟气量，很适宜采用（干）半干法脱硫工艺，从而一次投资和运行费用比传统湿式工艺至少可能降低30%；2）高硫系烟气恰好是二英的高浓度侧，处理二英的费用同样可大大降低，脱硫采用（干）半干法工艺又恰好为处理二英提供了必要条件；3）由于低硫系烟气正是高NOx浓度侧，为净化处理NOx而设置的脱硝系统因烟气量相对较小，便于采用多种方法，设备和工程费用也大为减少。

现代钢铁企业绝大多数采用的烧结机为带式烧结机。通常带式烧结机的高硫系和低硫系烟气的参数如表3所列。

表3 带式烧结机的烟气基本参数

由表3可看到，在设计排烟管线时，倘若在沿烧结带的长度上按A、B两个分割点，将近机头端和近机尾端的两股烟气合二为一，是低硫系，A、B两点之间的烟气则为高硫系。低硫系和高硫系的温度、SO2、NOx和二英的浓度差别较大，而水分和氧含量相差不多。这就说明，仅对高硫系烟气实施脱硫和除二英就能满足达标要求，仅对低硫系烟气实施脱硝也同样可以完全达标。

根据我国的实际情况，烟气不加分割，SO2浓度一般在300～1000mg/m3，NOx在200～500mg/m3，二英的数据尚无报导，国外研究资料称在30～60ng-TEQ/m3。

以DL-450烧结机为例，如果采用110万m3/h全量烟气处理方案，将不得不采用传统湿式FGD工艺，一次投资约需1亿元，SCR脱硝工程的一次投资约需4000万元。而将烟气分割成高、低硫系分别设置脱硫脱硝装置，由于分别处理的烟气量减少，只有60万m3/h左右，完全适用半干式FGD技术，脱硫工程一次投资将降低到6000万元以下，脱硝工程可以采用干式或湿式工艺，一次投资将不会超过2500万元。与此相应，运行成本也将大幅度降低。

所谓半干式FGD工艺是指CFB（循环流化床法）、SDA（旋转喷雾干燥法）和NID（新型脱硫除尘一体化）一类的技术。在该技术中，气固分离设备使用袋式除尘器给系统下游带来的好处，不仅可大大减轻腐蚀，提升净化效率和减排效果，同时还能去除SO3、汞及其它重金属，为该系统增加净化处理二英的功能创造条件。这些优越性都是湿式脱硫工艺无法协同实现的。

另外，上述烟气分成两个系统分别实施脱硫和脱硝以后汇合排出，基本无须外加热源就可达到80℃左右通过烟囱排放，有利于节能和稀释扩散。

3 烧结烟气脱硫净化最佳技术选择

烧结烟气脱硫工艺的基本原理、运行方式和工程实践等多方面的内容都可以借鉴火电烟气处理，因为它们之间有不少共同之处，但也存在差异。这是由烧结生产及其烟气的特点所决定的。

根据烧结生产和烧结烟气的特点，在选择脱硫净化适用技术时，既要遵循常规的技术经济法则，又可以借鉴火电烟气的治理路线。

锅炉烟气脱硫净化的适用工艺按照处理烟气量的大小可分成三类情况。大型火电，机组容量在300MW以上，烟气量超过100万m3/h，采用的FGD工艺基本上都是湿式石灰石-石膏法，这是世界上公认的通用主流技术。对于300MW以下的中型锅炉，烟气量在30万～80万m3/h，适宜采用半干（干）法技术，这已是历经半个世纪的技术经济验证的结果，它主要包括改进型循环流化床法（CFB）和旋转喷雾干燥法（SDA），此外，活性焦吸附法（AC）和电子束氨法（EBA）也是未来的选择之一。烟气量在30万m3/h以下的小型锅炉，一般宜采用各式各样的湿/干式一体化脱硫除尘装置，如NID、双碱法、悬浮吸收法GSA等。技术路线的考虑主要基于技术、经济和国情相统一的原则，而且须在长期的工程实践中总结归纳得出。实践证明，采用半干（干）法FGD，要比传统湿法的工程投资和运行成本降低40%左右，因此，在中小气量烟气处理工程中应尽可能避免采用传统湿式工艺。

几十年来，烟气脱硫技术主要围绕着火电锅炉烟气的净化处理不断改进、优化和发展，现已提升到了第四代、第五代技术装备水平，大型火电行业广泛应用传统湿式FGD工艺，减排效果明显，运营管理逐渐走上与主体设备同步的轨道。例如，至2008年底，全国煤电机组5.74亿kW，其中66%已配套建设FGD装置，机组总容量已达3.79亿kW。与2000年相比，FGD增加了75倍，火电SO2排放增长势头自2007年开始扭转，2008年持续下降，使排放总量从占全国总量的53%降为49.7%，SO2排放绩效迅速接近美国水平。然而，在火电锅炉以外，全国还有数十万台中小锅炉和工业炉窑的SO2减排问题尚未妥善解决，它们与火电厂的情况有同有异，同样不允许也不可能在脱硫净化技术上照搬照套，必须根据自身特点，借鉴火电实践经验，择取最适用技术。

据报道，到2010年，我国现有工业锅炉48万台，其中4t/h以下的低压小炉34万台，约占70%，其主要特征是低空排放污染重，布局分散不便管控，燃料煤质差，变化大。此外，还有数以千计的工业炉窑，也包括冶金烧结机（炉）在内。

我国现有的各种烧结机的分布特征也是小而散，根据 “上大压小，淘汰落后” 的国家战略，预计180m2的烧结机将被逐步淘汰。目前，小于180m2的烧结机在数量上约占80%，容量与产能约占50%左右，所以技术改造的任务相当繁重，但也需要一个过渡期。“十一五”期间我国烧结烟气脱硫工作已经起步，预计“十二五”将大规模实施SO2减排工程。就目前的进展状况看，基本取得的共识是以半干（干）法为主流技术发展方向，其中主要是CFB、SDA、NID和AC吸附工艺，并可能成为最适用技术，当然也不应排斥其他工艺的发展，诸如氨法、镁法和双碱法等。

确定最适宜的脱硫净化技术路线时，往往需要考虑多方面的因素，其中最主要的是综合技术经济因素，这是最基本的，也是决定性的。在火电FGD工程中，人们常将处理烟气量作为首选依据，把机组容量分为大中小三类，不同的容量即不同的处理烟气量，适当考虑其他具体条 件，相应选用最适宜的FGD技术。自然，烧结烟气脱硫净化应当也不会例外，详见表4。

由表4可见，小蒸吨的锅炉FGD适用湿/干式一体化装置，小型烧结机则宜采用干式一体化装置，对于中等规模的锅炉和烧结机均适用半干法技术及其他工艺，只有大型锅炉和烧结机，处理烟气量在80万～100万m3/h以上，适用技术必须是传统湿式石灰石－石膏法，但烧结烟气由于含二英，须另外附加干式去除装置，为了降低工程费用和运行成本，最好设计上将此烟气量一分为二，由此引出分割烟气——选择性脱硫技术。只有带式烧结机给该项技术的实施提供了可行的条件。

表4 火电锅炉和烧结烟气脱硫工艺的适用性

前文已描述过烧结烟气的特点，在带式烧结机中，烟气是通过台车下部的一系列风箱和支管强力抽出汇入主管排出的。沿着台车移动的方向从各个风箱抽出烟气的温度和浓度均遵循一定的变化规律。这种规律使烧结烟气具备“可分割性”，完全有可能和有必要将烟气分成高硫系和低硫系两个部分，分割处理后汇合排放。这便为大容量烧结烟气采用半干（干）法工艺提供了可能性，为一机多放、协同减排和大幅度降低投资、运行成本提供了优越的条件。

烟气分割，可以通过三个途径实现，即几何法、温度法和浓度法。温度分割法，仅属宏观指南性；浓度分割法，是“分割”的基础和依据，须预先完成一系列工程检测，集纳大量数据后加以综合归纳，确定“分割”的几何位置；几何分割法，在众多的烧结机中，不同型号和工况，当然分割点位有所不同，但只要工况基本相同，分割点的位置是比例相关的，通常不妨把烧结带的总长度设定为L，分割点有A和B。如图3所示。

图3 烧结烟气分割点示意

在一般情况下，180m2的带式烧结机烟气总量为50万m3/h，把近机头、机尾的两端烟气合在一处就是低硫系，中间部位的烟气就是高硫系。低硫、高硫系烟气的主要特征如表5所示。

表5 低、高硫系烟气的主要特征

低硫系烟气仅通过除尘处理，高硫系烟气则经除尘和脱硫双重处理，然后二者合一排入烟囱。由于低硫系烟气未经FGD处理，温度基本无变化，而高硫系烟气在经FGD装置后，温度有所降低。高硫系烟气经FGD处理，脱硫率一般在90%以上，与低硫系混合后SO2浓度一般都能达标。如此设计，FGD系统的规模缩小至全烟气量的56%，估计一次投资约可降低至全量烟气脱硫的40%。运行成本也可同样大幅度减少，约为全量烟气处理的2/3。加上某些优化配套和节能措施，使烧结矿产量提高，余热得到回收利用。该工程一次投资2600万元，年运行费用约1300万元，吨矿平均运行成本6.65元。

采用烟气分割技术，实施选择性脱硫的优越性不仅限于上述内容。如果分割得当，高硫系恰好是高SO2和高二英同侧，而低硫系正是高NOx侧，便为脱硝和去除二英提供了优越的条件，处理设备分别置于低硫侧和高硫侧，设备容量压缩至全量烟气的一半左右，工程投资和运行成本将大幅减少，协同减排的效益将大大提高。

附带说明：1）根据宝钢和沙钢的实测结果，我国现有大型烧结机烟气的NOx浓度一般在300～450mg/m3，处于标准限值附近，烟气不分割时基本可以不必脱硝，即使要求脱硝也只需简易实施即可，但二英仍应严加关注。从源头上要尽量控制原料的含氯和含铜成分；第二削弱生成二英的条件；第三采用半干法FGD在脱硫系统中增加去除二英的功能是轻而易举的，对于传统湿法FGD，则完全成为不可能，除非分设干式装置。所以烟气分割技术的实施，将大容量烧结机的烟气一分为二，高硫系烟气量削减至100万m3/h，甚至80万m3/h以下，这样的气量正是半干法FGD工艺的适用范围，实际上为去除二英创造了必要的条件。2）在修订设计规范时，应增加一项内容，即在风箱和排烟支管设计时应充分考虑分割烟气和选择性脱硫、脱硝及去除二英的需要。

综上概言之，适用于大型火电烟气脱硫净化的工艺是传统湿式石灰石－石膏法，适用于烧结烟气脱硫净化的工艺是半干（干）法，这已成为业内的共识。然而半干法最适宜的烟气条件是中等烟气量和中低SO2浓度水平，这就凸显了烟气分割技术的必要性。

上述三种半干法技术共同的不足是脱硫灰的出路尚待研发突破。它们彼此也有差异，SDA系统相对复杂，控制系统严密，主体设备对外依存度大，投资和运行成本相对较高，大型化的适应能力受限。CFB在这里严格讲是属于改进型的CFB，即增设烟气增湿或循环料加湿设施，是从干法优化而成的技术，设备系统不复杂，操作简便，除控制系统外几乎可以全套实现国产化，因此一次投资和运行成本相对较低，而且可以适当扩大容量。SDA、CFB与W-FGD的比较见表6。NID也属于半干式悬浮反应系统，将反应器与分离器构成一个整体，适用于中低偏小容量的烟气处理，一般投资和运行费用比CFB更小些。

表6 SDA、CFB与W-FGD的比较

除了以上三种主要的FGD装置以外，还有其他多种烧结烟气脱硫净化设备，例如AC吸附法（活性焦法）、氨法、镁法、密相干塔法、MEROS法、CEC法、有机胺法等等。任何技术都有它的适用范围和条件，因此必须审慎选定和实施本地区本行业最适宜和最有效的技术。

4 结语

（1）目前，我国火电锅炉将由FGD转向脱硝，但要有选择有步骤地进行。至于烟气脱硫工作，将可能向中小锅炉和工业炉窑全面展开，钢铁行业的烧结机必将成为工业炉窑的重点之一。

（2）由于烧结烟气的性质和特点，决定它最适宜的脱硫净化工艺应是半干（干）法，这是业界的共识，而半干（干）法工艺中目前最有应用价值的是CFB、SDA和NID三种技术。它们可以将脱硫、脱硝、除尘、去除重金属和二英等多种功能有效地集于一体。与此应运而生的“烟气分割技术”，提升了它们的性价比和适用范围。根据低碳经营的原则，烧结烟气的净化减排处理，应当是烟气分割—半干法处理的技术路线，唯此才有可能大幅度降低投资成本，实现低投入高效能协同减排的目标。

（3）半干法技术具干式工艺和湿式工艺之所长而避其所短，技术上并无“瓶颈”难题，目前主要课题在于脱硫灰的处置和资源化出路亟待研发突破，建议尽快将烧结烟气的分割排烟技术纳入DL型带式烧结机的设计规范。

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Optimum Technical Choice for Cleaning Engineering of Sintering FGD

YANG Yang, PEI Bing, LING Suo-fei

X701

A

1006-5377（2011）06-0045-06