高炉原料硫含量与煤气硫含量相关性分析

易祥 付本全 林永辉 林钰全

（1.武汉钢铁有限公司，湖北武汉 430080；2.武汉钢铁有限公司技术中心，湖北武汉 430086）

0 引言

高炉煤气是高炉炼铁生产过程中副产可燃气体，其中可燃成分CO质量分数约为26.0%，H2质量分数约为3.0%，高炉煤气热值约为3 400 kJ/m3。高炉煤气是钢铁冶炼工艺中产量最高的燃气，吨铁产高炉煤气量约为1 700 m3。在钢铁冶炼各加热炉加热时，高炉煤气是重要的调压能源，在其作用下，加热炉所用的混合煤气压力波动范围控制在±1.5 kPa 以内，保证燃烧火焰长度。2019 年4 月，我国生态环境部等五部委《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》（环大气［2019］35 号），标志着我国钢铁行业正式步入超低排管控周期。由于高炉煤气含有一定的硫，其下游用户使用后排放烟气中SO2浓度不满足超低排。

国内高炉煤气硫含量控制技术主要是高炉煤气精脱硫技术。煤气精脱硫技术又分为5 种［1］：①碱洗脱硫，煤气中喷入碱液洗涤掉煤气中的硫化氢，剩下有机硫；②水解+碱洗，煤气先水解，将有机硫转换为硫化氢，之后采用碱液喷淋的方式脱硫；③水解+湿式氧化，煤气先水解，碱性吸收液中添加催化剂，催化转化硫化钠为元素硫，吸收液再生后循环使用；④吸附法脱硫，采用分子筛吸附剂，选择性吸附硫化氢、有机硫等，吸附剂加热再生循环使用；⑤水解+干法脱硫，煤气先水解成硫化氢，再利用活性炭吸附硫化氢。由于投资和运行稳定性等问题，上述技术大多处于中试或示范阶段。通过高炉原料硫含量与煤气羰基硫含量相关性研究，找出控制规律，降低高炉煤气硫含量逐渐成为行业新的研究热点。

1 试验与分析方法

连续20 d，充分考虑高炉上料周期与产煤气时间对应关系，每天上午9 时—10 时分别取高炉用焦炭、煤粉、烧结矿等主要含硫原料，焦炭、烧结矿分别从高炉对应的料槽下随机取样，煤粉粉仓定时取样，每个样品1 kg。每天下午14 时—15 时取高炉煤气样品，高炉煤气取样采用氟化物材质1 L 取样袋。

分析用仪器主要有 KS-12-16 高温电阻炉（YUDIAN）、EMIA-20E 碳硫分析仪（日本堀场）、EMIA 820V 碳硫联测仪（Horiba）、GC-SCD 7890 气相色谱-硫发光检测仪（安捷伦）。

分析项目及分析方法见表1。

表1 分析项目及方法

利用数据工具Jmp 分析软件，分别分析高炉焦炭S 含量、喷吹煤S 含量、烧结矿S 含量、高炉煤硫化氢含量、羰基硫含量分布规律。利用散点图分析高炉原燃料硫含量与高炉煤气硫含量的相关性，进一步分析高炉各原料中硫含量控制模型。

2 结果与讨论

2.1 高炉原料S 含量分布规律

高炉煤气原料S 含量分析结果如表2 所示。将分析的数据导入Jmp 分析软件，通过分析→分布的分析命令，分别得出焦炭S 含量分布图、喷吹煤S 含量分布图、烧结矿S 含量分布图，进一步执行全部拟合命令后，得到各含量的分布曲线，结果如图1 所示。

图1 高炉原料S 含量分布图和拟合曲线

表2 高炉主要原料中S质量分数分析结果（部分）单位：%

从图1 中可以看出，焦炭S 质量分数均值为0.86%，标准差为0.07，最小值为0.73%，最大值为1.01%。执行全部拟合命令后，发现焦炭S 质量分数拟合曲线符合Johnson Sb 分布，形状参数，形状参数分别为-0.51、0.67，位置参数为48.60，尺度参数为9.06。喷吹煤S 质量分数均值为0.45%，标准差为0.06，最小值为0.26%，最大值为0.6%。拟合符合曲线正态分布。烧结矿S 质量分数均值为0.017%，标准差为0.005，最小值为0.007%，最大值为0.027%。拟合曲线符合正态分布。

高炉原料中焦炭不符合正态分布规律，表明焦炉生产具有调节焦炭硫含量的能力。

2.2 高炉煤气硫含量分布规律

高炉煤气硫含量分析结果如表3 所示。

表3 高炉煤气硫质量分数分析结果（部分） 单位：mg/m3

将分析的数据导入Jmp 分析软件，通过分析→分布的分析命令，分别分析了高炉煤气中硫化氢、羰基硫的分布情况和拟合情况，结果如图2 所示。

图2 高炉煤气硫含量分布和拟合曲线

由图2 可以看出，高炉煤气硫化氢质量分数均值为30.71 mg/m3，标准差为25.63，最小值为3.9 mg/m3，最大值为132.2 mg/m3，拟合曲线符合对数正态分布，尺度参数和形状参数分别为3.16、0.71。高炉煤气羰基硫含量均值为63.23 mg/m3，标准差为12.28，最小值为25.5 mg/m3，最大值为84.2 mg/m3，拟合曲线符合Johnson Sb 分布，形状参数，形状参数分别为-1.34、1.72，位置参数为-6.67，尺度参数 为103.24。

高炉煤气中硫化氢、羰基硫均不符合正态分布规律，表明高炉生产具有调节煤气中硫含量的能力。

2.3 高炉原料硫质量分数与高炉煤气硫质量分数相关性分析

在Jmp软件中，使用图形→散点矩阵图命令，将硫化氢作为Y，焦炭S、喷吹煤S 和烧结矿硫为X，进一步采用密度椭圆和拟合线命令分析高炉煤气硫化氢与高炉原料S 含量的相关性，结果如图3 所示。

图3 高炉煤气硫化氢与各高炉原料散点矩阵

在散点矩阵图分析中，一般以拟合曲线的斜率判断2 种变量的相关性，斜率为正表示正相关，斜率为负表示为负相关。由图3 可以看出，高炉煤气硫化氢质量分数与焦炭S 质量分数、烧结矿S 质量分数呈正比例关系，与喷吹煤S 质量分数呈反比例关系。

采用上述同样的方法，分析了高炉煤气羰基硫和原料S 的相关性，结果如图4 所示。

图4 高炉煤气羰基硫与各高炉原料散点矩阵

由图4 可以看出，高炉煤气羰基硫质量分数与焦炭S 质量分数相关性不大，与烧结矿S 质量分数呈正比例关系，与喷吹煤S 质量分数呈反比例关系。

高炉煤气硫质量分数与高炉煤气中硫化氢、羰基硫均为正比例关系。因此高炉煤气中硫质量分数与焦炭S 质量分数、烧结矿S 质量分数呈正比例关系，与喷吹煤硫质量分数呈反比例关系。高炉煤气要降低硫质量分数从原料端需要降低焦炭、烧结矿中硫质量分数，提高喷吹煤的硫质量分数。

2.4 喷吹煤硫含量与高炉煤气硫质量分数呈反比例关系原因分析

高炉中硫参与的主要有以下反应：

喷吹煤从高炉风口喷入后，在富氧、高温条件下，煤中硫元素迅速转化为SO2，上升的SO2分别与高炉环境中的CO 和CaO 发生反应，生成不同的产物。反应式（2）生成物进入煤气系统，反应式（3）生成物进入高炉渣系统。其中反应式（2）的生成条件是以木炭为催化剂，反应温度为760～980 ℃。

高炉煤气硫含量与喷吹煤硫含量呈反比例的可能原因是：喷吹煤硫质量分数升高造成高炉气体环境中SO2含量升高，受COS 生成条件制约，高浓度的SO2气体抑制了焦炭中硫生成SO2，造成焦炭孔隙中发生反应式（2）降低，从而造成高炉煤气总硫质量分数降低。

3 结论

（1）高炉煤气是钢铁流程重要的燃气之一，煤气中含有一定量的硫，造成高炉煤气用户超低排困难，高炉煤气硫质量分数控制技术研究正成为行业的热点，高炉原料控硫可以实现源头减排，符合最新的国家环保政策要求。

（2）高炉主要原料硫质量分数分布规律分析表明：烧结矿、喷吹煤中硫质量分数符合正态分布规律，焦炭中硫质量分数不符合正态分布规律，表明焦炉生产具有调节焦炭硫质量分数的能力。

（3）高炉煤气硫质量分数分布规律分析表明：高炉煤气硫化氢质量分数拟合曲线符合对数正态分布。高炉煤气羰基硫质量分数拟合曲线符合Johnson Sb分布。表明高炉生产具有调节煤气中硫质量分数的能力。

（4）高炉原料和高炉煤气相关性分析表明：高炉煤气中硫质量分数与焦炭S 含量、烧结矿S 含量呈正比例关系，与喷吹煤硫质量分数呈反比例关系。高炉煤气要降低硫质量分数从原料端需要降低焦炭、烧结矿中硫含量，提高喷吹煤的硫质量分数。

（5）高炉煤气硫含量与喷吹煤硫质量分数呈反比例的可能原因是，喷吹煤硫含量升高造成高炉气体环境中SO2含量升高，受COS 生成条件制约，高浓度的SO2气体抑制了焦炭中硫生成SO2反应，造成焦炭孔隙中发生COS 生成反应降低，从而造成高炉煤气中总硫质量分数降低。