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高炉煤气脱硫设备CFD流场优化|第1篇•源头/末端烟气处理主流工艺技术路线

热血仿真

4月前浏览4779

‍本次内容为开篇介绍：源头/末端烟气处理主流技术路线，以工艺为主，后面的几篇聚焦设备CFD流场优化。还是那句话，不懂工艺，就不会成为一个在行业深耕的CFD专家，而只是一个CFD工具人。‍

预知区别：高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气

铁厂常见三种煤气：焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气。其中，高炉煤气气产量最高，焦炉煤气次之。咱这个系列介绍的是高炉煤气脱硫。

必知要点：高炉煤气的生成、成分及煤气用途

高炉煤气是热风吹入高炉，煤粉、焦炭燃烧与铁氧化物反应后排出高炉的混合气体，其生成路径见下图。(来源参考[华建明，孙国军，郭敏雷.宝钢高炉热风炉烟气超低排放治理工艺技术选择及应用示范[宝钢技术].2024])

高炉煤气的生成路径及分布图

在高炉炼铁生产中，硫主要由焦炭、煤粉，烧结矿及球团矿带入，输出硫大部分随高炉渣和铁水排出，少部分硫进入高炉煤气。

高炉煤气其主要成分及含量见下表。

化学成分	比例/%	硫化物	含量/(mg·m－3)
CO	23-24	H2S	20-60
CO2	22.5-23.5	COS	86-118
H2	3.0-4.0	CH3SCH3 乙硫醚	0.3
N2	53-54	CS2	0.06-0.10
CH4	0.2-0.4	二甲二硫	0.2-0.4

其中，炉煤气中的硫化物主要以羟基硫COS和硫化氢H2S形式存在，并且COS的含量高于H2S。羰基硫为弱酸性，同H2S、CS2相比，不易离解及液化，较难脱除。

高炉煤气主要用于热风炉、加热炉及煤气发电。

高炉煤气发热值（3200kJ/Nm3、约700-800kcal/m3）及理论燃烧温度（约1300℃）在副产煤气中最低，一般主要供给热值要求较低的用户，如高炉热风炉、轧钢加热炉及自备电厂燃气锅炉。

某钢企某次监督性监测数据显示，燃用未精脱硫高炉煤气下游用户的烟气排放特征如下。(来源参考[任海霞，王志荃，文浩锦.钢企高炉煤气前端脱硫与煤气用户末端脱硫的技术经济比较[第十四届中国钢铁年会论文集]中冶南方工程技术有限公司])

技术汇总一：高炉煤气脱硫源头控制/精脱硫

水解+吸收工艺技术路线

水解催化转化法是在催化剂（钴、铝、钛、铜基等）的作用下，将煤气中的有机硫转化为无机硫，水解的化学反应如下：

COS+H2O=H2S+CO2

CS2+2H2O=2H2S+CO2

再通过干法吸收（吸收剂为氧化锌、氧化铁，副产物为硫化锌、硫化铁，硫化锌可送至氧化锌厂作为原料，硫化铁可送烧结车间配料）、湿法（碱性物质NaOH，副产物为硫化钠废液，需要配套废水处理设施或用做高炉冲渣水）、湿法氧化吸收（目前焦化厂普遍采用焦炉煤气HPF、ADA、PDS湿式氧化脱除H2S工艺，副产物为石膏）等方式脱除H2S。

在自然状态下，有机硫水解反应很慢，必须添加催化剂。催化剂分为中温（100~350℃）和低温（20~80℃），采用两种不同的工艺流程和布置方案。中温催化剂水解+吸收工艺设备通常按照两段式布置，为了利用除尘系统后高炉煤气的温压，加速水解反应，水解段、吸收段分别布置在高炉TRT/BPRT装置前、后。通过在水解段前设预处理塔，去除高炉煤气中粉尘、氯化物杂质，延长催化剂寿命。工艺系统流程见下图

低温催化剂水解+吸收工艺设备通常按照一段式布置在高炉TRT/BPRT装置之后，TRT/BPRT装置出口煤气压力约10kPa，温度约20~80℃。工艺系统流程见下图。

水解+吸收法能有效脱除硫化物，使其进入副产物中进行综合利用或最终处置。低温催化剂水解+吸收工艺可以有效避免对TRT/BPRT装置余热余压能转化效率的影响，但由于反应条件限制，转化效率低于中温催化剂水解工艺。

吸附法工艺技术路线

吸附法工艺是利用有较强吸附性能的材料，对高炉煤气中的硫化物进行吸附，饱和后再利用热煤气将硫化物脱附出来，将解析气送至烧结机利用。可实现有机硫和无机硫共同吸附，吸附介质主要有改性活性炭、微晶材料、分子筛、纳米材料等。目前工业化应用的仅为微晶，其余三种还处于实验室研究阶段。

吸附法由吸附塔+煤气解吸系统组成，一般布置在高炉TRT/BPRT之后。以微晶吸附法为例，工艺系统流程见下图。

两种工艺投资经济性比较。

技术汇总二：高炉煤气脱硫末端治理

SDS干法烟气脱硫+布袋除尘器工艺

本工艺流程为：将NaHCO3（小苏打）送入磨机研磨成超细粉，颗粒粒径控制在＜25μm（最佳粒径范围存疑），烟气从原烟道（换热器前需降温，换热器后需升温）引出后进入NaHCO3（小苏打）干法脱硫反应器（烟道也可以，但保证烟气/颗粒充分接触反应时间不低于2 s，最佳反应温度为140～250℃），脱硫后的烟气进入布袋除尘器捕集其中的烟尘，净化后烟气进入原烟囱排放。

主要反应如下：

2NaHCO3=Na2CO3+H2O+CO2

SO2+Na2CO3+1/2O2=Na2SO4+CO2

逆流式活性炭吸附法

本工艺流程：换热器后热风炉烟气通过风机送入净化塔，净化后的烟气送入烟囱排放。活性炭由塔顶加入到净化塔中，在重力作用下向下移动，并由塔底出料装置控制出料量。净化塔排出的活性炭通过物料输送设备送至再生塔解析再生，再生后通过物料输送设备送至净化塔循环使用，活性炭解析释放的SO2制备硫铵溶液。

钙基固定床脱硫技术

钙基脱硫工艺以钙基固定床干法脱硫为例，技术路线为：烟气逆流通过脱硫剂床层，在钙基脱硫剂[Ca(OH)2]的催化作用下将SO2氧化成SO3，并与Ca(OH)2反应生成CaSO4。本工艺已广泛应用于燃气锅炉烟气脱硫，且运行稳定。

主要反应如下：

SO2+1/2O2=SO3SO3+Ca(OH)2=CaSO4+H2O

参考文章：

周霞,周纪平,韩加友.梅钢2#高炉热风炉烟气脱硫超低排放升级改造方案分析[科技]2022.上海梅山钢铁股份有限公司。

任海霞,王志荃,文浩锦.钢企高炉煤气前端脱硫与煤气用户末端脱硫的技术经济比较[第十四届中国钢铁年会论文集.中冶南方工程技术有限公司]

[华建明，孙国军，郭敏雷.宝钢高炉热风炉烟气超低排放治理工艺技术选择及应用示范[宝钢技术].2024]

本文内容只是根据以往项目积累的一些经验，存在认知局限性，如有不当之处，还请大佬私信指正。

来源：工业界CFD

燃烧化学理论材料控制

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首次发布时间：2024-06-16