一、研究的背景与问题

为了推进实施钢铁行业超低排放推动行业高质量发展、促进产业转型升级、助力打赢蓝天保卫战。2019年4月，生态环境部等五部委联合发布了《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》（环大气【2019】35号），明确提出了加强源头控制，高炉煤气、焦炉煤气应实施精脱硫。要求使用高炉煤气用户烟气SO₂排放：热风炉≤50mg/m³，加热炉≤50mg/m³，煤气发电锅炉≤35mg/m³。

高炉煤气作为炼铁生产副产的二次能源介质，是钢铁企业中重要的气体燃料，用于高炉热风炉、焦炉加热、轧钢加热炉、剩余煤气发电等工序。其燃烧后产生的烟气中富含二氧化硫，对周边环境污染较严重。传统净化方法对末端烟气进行治理，但由于煤气燃烧后的烟气具有体积大、温度高、压力低、排放点分散等特点，导致净化装置体积大、处理点位分散、运行成本高、二次污染严重，且很难满足超低排放要求。

目前，国内进行高炉煤气脱硫的工程应用较少，在超低排放的要求下，钢铁企业迫切需要经济、易行的脱硫工艺。高炉煤气因其特殊性，不能直接套用现有传统脱硫技术，高炉煤气源头脱硫存在以下技术难点：

（1）高炉煤气中的有机硫组分占比高且难以直接有效脱除。高炉煤气中的总硫含量约在60-160mg/Nm³之间，其中硫化氢占比在20%-40%之间，COS、CS₂等有机硫占比在60%-80%之间，有机硫中COS占90%，其它有机硫组分占比较少。

（2）高炉煤气气量大、压力低。例如：1000m³级高炉产生的煤气量大约在220000 Nm³/h -350000 Nm³/h。高炉煤气经过TRT后压力＜20kpa。

（3）高炉煤气含水、含尘和Cl^-离子。高炉煤气饱和温度较高，管输过程中随着温度下降会冷凝出大量水；在煤气布袋除尘运行状况较好的情况下含尘量仍有~10mg/m³；煤气中的Cl^-离子对金属管道及设备具有较强腐蚀性，甚至会造成煤气脱硫所采用的催化剂中毒。

（4）高炉煤气脱硫装置对TRT发电效率的影响。无论高炉煤气脱硫装置布置在TRT前或者之后，若脱硫装置阻损过大将会直接导致TRT发电效率降低，从而间接导致脱硫装置的运行成本提高。

针对上述问题，中冶京诚工程技术有限公司在超低排放政策出台之前就预判到脱硫的技术发展方向，于2017年就开始对煤气脱硫技术路线进行研究和甄选，通过整合内外资源，历经两年多的研究，相继攻克了吸附材料、疏水抗尘、煤气温度调控、高效再生、解吸气处理、设备耐腐蚀等一系列技术难题，最终形成了系统性的高炉煤气源头脱除含硫、含氯杂质的成套技术和装备。

二、技术创新性成果

1、合作开发了高效吸附无机硫及COS、CS₂等有机硫的微晶材料

微晶吸附材料是人工水热合成的硅铝酸盐晶体，其硅铝比不同生成各种不同型号微晶材料，依据晶体内部孔穴大小吸附或排斥不同的物质分子，同时根据不同物质分子极性或可极化度而决定吸附的次序，达到分离的效果，该材料是目前业内唯一工业化验证了能同时高效吸附无机硫及COS、CS₂等有机硫的固体吸附剂，具有以下特点：

多规格微孔：微孔选择吸附，通径≤2nm，能在常温下高效吸附煤气中的有机硫，同时实现了硫、焦油、萘等杂质的一体化脱除。。

疏水性：采用特殊方法在高温条件下培育晶体结构，确保微孔的同时，使材料具有疏水性，解决了高炉煤气水分多影响吸附效率的难题。

规整蜂窝型：可根据塔径合理定制材料的形状，在大风量情况下，采用规整蜂窝型，材料具有高通量，低阻损，同时也可解决高炉煤气含尘较多的难题。

变温吸附：采用常温吸附、高温解吸，解吸气量小，能耗低，无结晶隐患。

2、优化了吸附结构，降低了阻损更低

首先，为最大限度降低系统平均阻损，将常规球状或条状吸附剂，根据阻损和工艺以及材料成型要求，将微晶材料做成规整蜂窝状，大大降低了阻损，为微晶材料在大气量领域的工业化运用创造了条件。

其次，结合高炉煤气物性特点、微晶材料性质以及多塔变温吸附技术，通过模拟软件对塔体结构强度、塔内件结构形式、内部气流传质分布效果进行了反复详细的模拟计算，选择了合适的塔体高径比例，并对塔内件结构进行了优化设计。

优化后的设备阻损仅为传统方法的20%-30%，极大降低了因系统阻力降给TRT发电带来的影响，经济效益显著。

3、系统无外排废水

基于微晶吸附的煤气源头治理技术为干法工艺，在高炉煤气净化和微晶材料再生过程中均不产生新的废水。由于材料结构稳定，可反复再生使用，在再生过程中可根据后续处理设施的需要采用高炉煤气、焦炉煤气或混合煤气作为解吸气均可，再生后富含硫化物的气体可送往末端已设有脱硫净化装置的用户作为燃料气使用，整个系统无新的外排废气，不增加新的污染物排放点、不新增副产物品种。同时，失效微晶材料属于固废，7年以上更换一次，由供方免费回收，用户无需处理。

图1 脱硫装置布置示意图

三、应用情况与效果

该成果于2020年10月在中新钢铁集团有限公司成功投入运行，截止目前装置各项运行指标均达到设计要求。脱硫装置基本参数见如下表1。

表1 脱硫装置基本参数

脱硫装置主要设备有吸附塔、再生风机、煤气电加热器、喷雾降温装置等。脱硫工艺流程见图2。

图2 微晶材料吸附工艺流程示意图

图3  中新项目现场实景

本脱硫装置投入运行前，由于煤气发电末端未配套脱硫设施，导致燃烧后烟气中SO₂在检修、停启或负荷波动等状态下小时均值存在超标风险，详见图4电厂烟囱排放检测数据。脱硫装置投入运行后，高炉煤气燃气发电厂烟囱SO₂排放数值显著降低：SO₂小时最大值7.7mg/m³，日平均值3.1mg/m³，远低于国家要求的超低排放标准。详见图5发电厂烟囱排放检测数据。