以烟气含硫量推算煤气含硫量的实践

周 扬

(宝钢工程技术集团有限公司)

全国环境保护工作会议提出“制订实施打赢蓝天保卫战三年行动计划，积极推动钢铁等行业超低排放改造”的要求后，钢铁企业逐步开展了超低排放研究及改造工作[1-4]。前期钢铁企业的超低排放改造主要集中在各窑炉的末端烟气治理，而在2019年环大气〔2019〕35 号发布后[5]，对于有组织排放物的限值进一步收严，文件要求超低排放的钢铁企业每月至少95%以上时段排放浓度满足要求，并且提出了加强源头控制，高炉煤气、焦炉煤气应实施深度脱硫的要求。基于此，钢铁企业开始研究源头煤气治理措施。

源头煤气的成分会随煤品与炼化工艺等因素的波动而产生相应的波动，故在确定源头煤气的治理方案前，首先需要明确源头煤气的具体成分[6]。只有确定了源头煤气成分后，才能有针对性地制定煤气脱硫方案。文章以某钢厂实施的煤气精脱硫项目为载体，探讨高炉煤气硫含量的分析与确定方法。

1 源头煤气含硫量历年检测数据

实施该项目钢厂的下属能源中心每半个月使用硫化学发光检测仪(SCD)对各个高炉产生的高炉煤气硫化物进行测定，其中得到的总硫数据以SO2计(折算以各硫化物燃烧后完全反应生成SO2为前提，按各成分占比加权)见表1。

表1 各高炉煤气含硫量 mg/m3

因该钢厂没有总硫或有机硫在线检测设施，并数据样本为每半个月检测一次，不足以覆盖到超低排放要求的钢铁企业每月至少95%以上时段。因此如果仅以煤气检测数据样本作为该项目脱硫装置的设计依据，可能会有煤气含硫量高的时段未检测到的情况发生，造成脱硫装置设计方案规模偏小，从而导致项目投产后不能达到超低排放要求。考虑到硫元素在钢厂正常生产过程中基本不会被消耗，同时在该钢厂烟气在线检测设施比较完善、系统数据齐全的基础背景下，设计人员选择用高炉煤气燃烧后的烟气含硫量反推高炉煤气含硫量。

2 烟气含硫量反推煤气含硫量

基本方法是根据烟气中O2含量推算空气系数，结合烟气SO2数据得到燃烧前混合煤气总含硫量，再根据同时段混合煤气中各煤气比例推算出高炉煤气总含硫量，并将两种方法得到的总含硫量进行对比。技术人员从烟气检测系统调取2020年以来五千多条小时数据，并从能源调度系统调取上千条煤气小时流量数据，经过数据对齐(对齐时间、剔除检测数据异常点、剔除非正常工况等)，开展大数据分析。

2.1 热轧系列炉窑烟气排放SO2浓度

以热轧1、2号加热炉的烟气为例，取得大量统计数据得到SO2排放浓度平均值为56.65 mg/m3。以出现概率为纵轴，浓度值为横轴，作出数据曲线，在95%概率情况下，烟气SO2浓度数值为90 mg/m3。以同样的方法对热轧系列其余各加热炉烟气排放SO2浓度数据进行统计整理，经分析汇总列于表2。

由表2计算可知，目前热轧系列各炉窑烟气排放SO2浓度平均值为53.42 mg/m3，但按超低排放要求的95%时段合格，需考虑选用95%概率峰值98.7 mg/m3，取整后得到烟气排放SO2浓度数值为100 mg/m3。

表2 加热炉烟气排放SO2浓度 mg/m3

2.2 烟气排放SO2浓度反推得到煤气含硫量

因热轧炉窑燃烧混合煤气，故在取得SO2排放浓度数值曲线后需剔除其余燃气(如焦炉煤气、转炉煤气等)引入的硫含量，方可得出高炉煤气引入的硫含量。具体方法是分别选取同时段仅消耗焦炉煤气、转炉煤气及其他单一燃气的用户所产生的SO2浓度数据进行交叉对比，得到煤气与烟气硫含量偏差率较小的数值作为其余燃气SO2引入值。在剔除该部分SO2数值后，得到实际仅由高炉煤气燃烧所产生的烟气SO2排放值。根据该烟气排放SO2浓度反推各高炉煤气中硫含量平均值与出现概率95%数值，见表3。

由表3可知，高炉煤气中总硫含量平均值为104.81 mg/m3，但按超低排放要求的95%时段合格，需考虑选用95%概率峰值180 mg/m3作为烟气排放SO2浓度数值。

表3 反推高炉煤气中总硫含量 mg/m3

2.3 取样检测煤气含硫量

对比表1与表3，发现取样检测煤气含硫量历史数据与实测烟气反推的煤气含硫量有一定偏差。为验证偏差情况，技术人员于2021年4月16日和2021年5月13日对煤气组分再次取样，用色谱分析仪进行正向分析，得出表4的数据。

表4 煤气取样数据

将根据取样得到的煤气硫组分计算出的烟气SO2浓度与同时段监测到的实际烟气SO2浓度进行对比；同时，将监测到的实际烟气SO2浓度反推出的煤气中含硫量与检测的煤气含硫量进行对比，得出表5。可以看出计算数据与实际检测数据都比较接近，说明利用烟气排放SO2含量反推煤气含硫量的计算分析方法合理有效。

表5 高炉煤气含硫量数据复核对照

通过表4亦可以发现，仪器的精密度以及时间段不同，会造成检测数据有较大的偏差，因此若直接采用正向检测数据作为源头煤气硫含量数据有一定的限制性。

3 煤气脱硫装置入口含硫量数据确定

考虑到仅以煤气检测数据样本作为设计脱硫装置的依据，可能会有煤气含硫量高的时段未检测到或受限于检测设备的精密度问题；同时，环保超低排放是否达标是以上传环保局的烟气数据为依据，故文中介绍的“以烟气含硫量反推煤气含硫量”方法合理有效，并且更适用于烟气排放环保监测要求。

基于上述原因，在设计该项目煤气脱硫装置时将高炉煤气总含硫量取值为烟气SO2反推得到的数据即180 mg/m3(以SO2计)。并根据取样大数据中高炉煤气的各组分比例取平均值进一步推算出高炉煤气中的硫组分，见表6。

因为海量的烟气数据已构成了一个足够大的样本区间，所以以表6中的数据作为源头煤气的含硫参数，开展后续脱硫装置方案设计，可以科学地覆盖环保要求的95%时段。

表6 高炉煤气中有机硫组成 mg/m3

4 结语

关于印发《重污染天气重点行业应急减排措施制定技术指南(2020年修订版)》的函[7]规定：按环保绩效水平，开展绩效分级，在满足当地应急减排比例需求的同时，制定差异化减排措施。钢铁行业属于该文件重点关注行业之一，因此，推进实施钢铁行业超低排放改造是推动行业高质量发展、淘汰落后产能、促进产业转型升级、 助力打赢蓝天保卫战的重要举措。

源头煤气脱硫处理方案除了可以满足国家文件的要求，相比较各用户点末端分散烟气脱硫治理方案，其在总投资额与管理便捷性上是有一定优势的。虽然目前钢铁企业源头煤气脱硫研究尚处于初步阶段，但其中煤气硫含量的取值是源头煤气脱硫方案装置规模及治理效果的关键参数与必要条件。利用色谱分析仪的正向检测虽然可以直观的显示出煤气中的组分及含量，但该方法受限于分析仪的经济成本与设备精密度。而文中介绍的“以烟气含硫量反向推算煤气含硫量”方法，可以不用新增检测设备，即可经济有效地明确煤气中的含硫量，进而确定匹配的脱硫装置。