高爐煤氣作為煉鐵過程中產生的副產品，具有氣量大、終端用戶多、治理難度大、無機硫（H2S）、有機硫（COS）、HCl等污染性氣體含量高、固體粉塵含量大、受高爐生產工況影響波動大等特點，這也是高爐煤氣源頭脫氯、脫硫凈化技術難點。高爐煤氣脫氯工藝可以從源頭上處理煤氣中的氯離子，解決煤氣管道和設備腐蝕問題，也是當前性價比最高的煤氣管道防腐解決方案。

高爐煤氣末端用戶多（排放點多）、煙氣排放量大、SO排放濃度無法滿足超低排放要求，若采用末端煙氣治理，存在治理點位多、占地面積大、運行成本高、設備腐蝕風險及管理與維護難度增加等諸多弊端，給企業的安全生產帶來重大隱患。如何實現高爐煤氣前端脫氯、脫硫治理，已成為現階段鋼鐵行業減污降碳的重要攻關方向。

1.高爐煤氣中氯、硫元素的來源及遷移規律

1.1高爐煤氣中氯元素的來源及遷移規律

由于我國煉鐵的主要原料鐵礦石嚴重依賴進口，而進口鐵礦石的氯離子含量較高，導致高爐煤氣中HCl含量高，高爐煤氣管網經常出現管道腐蝕問題，從而導致高爐煤氣泄露，同時在TRT發電機組葉輪產生積鹽現象。在高爐冶煉過程中，各種原料、熔劑、燃料都將微量氯元素帶入高爐。高爐爐內物料由上至下，煤氣由下至上上升，燒結礦、塊礦、焦炭及各種添加劑中的氯元素以NaCl、KCl、CaCl等形式存在，在高溫還原氣氛下發生一系列反應，最終以HCl的形式進入到爐頂煤氣中。首鋼股份2號高爐冶煉中氯元素的來源及遷移分布見圖1。

1.2高爐煤氣中硫元素的來源及遷移規律

高爐硫元素主要來源于焦炭、煤粉及含鐵原料等，目前國內典型高爐硫元素負荷為4kg/t左右。首鋼股份2號高爐硫元素的來源與遷移分布見圖2。

對首鋼股份2號高爐（2650m）一天的入爐原燃料及產品、副產品進行取樣檢測分析。具體檢測結果如下：入爐原燃料硫含量主要集中在焦炭和煤粉，約占入爐總硫含量的90%。產品、副產品硫含量主要集中在鐵水和爐渣，約占出爐總硫含量的95%，進入煤氣中的硫含量占比約6.52%。

高爐煤氣中的硫化物既有無機硫（H2S），也包含有機硫，其中有機硫主要有 COS、CS、硫醇、硫醚、噻吩。高爐煤氣的總含硫量約60-150mg/m之間，其中有機硫組分主要為COS，有機硫占比在60%-80%之間；無機硫（HS）占比在 20%-40%之間。首鋼股份3座高爐煤氣硫含量的檢測數據詳見表3。

2.高爐煤氣脫氯、脫硫工藝技術研究

通過分析高爐煤氣系統從高爐爐頂至各用戶點之間的煤氣組分、工況條件、末端排放要求等因素，提出了高爐煤氣多污染物深度凈化及硫資源化工藝。

從工藝、材料、裝備及相關配套控制技術等方面開展研究攻關。首次提出高爐煤氣布袋除塵前干法脫氯+TRT前COS水解+TRT后HS脫除+硫資源化轉化技術組合方案，如圖3所示。該方案中干法脫除HCl，消除了影響水解劑壽命的重要因子，實現了對荒煤氣之后所有設備及管道的保護；TRT前COS水解+TRT后H2S脫除+硫資源化轉化技術實現了高爐煤氣硫污染物的凈化和轉化提取，副產品硫磺可實現資源化利用。

2.1高爐煤氣脫氯技術研究

高爐煤氣脫氯是高爐煤氣精脫硫工藝至關重要的第一步，直接決定了整個工藝能否長周期有效穩定運行。目前，干法脫氯劑基本以顆粒為主，包括球形、條形、圓柱形等，主要應用在固定床脫氯。而固定床脫氯劑受限于氯容，會導致出現反應器占地面積大、壓降高、廢劑難以處理等弊端。針對高爐煤氣含氯特點，結合水解工藝取點位置，認為高爐煤氣脫氯適宜位置應放置在高爐煤氣布袋除塵器之前，宜采用干法粉末脫氯劑進行脫氯。因此，要求脫氯劑具有高活性、高精度、寬溫域等特點。

2.1.1脫氯劑研究

熱力學計算結果表明：常溫至200℃條件下，CuO、CaO、Ca(OH)CaCONaHCO3、NaCO均能夠與氣態HCl反應。通過熱力學計算，選用一定粒徑、相同質量上述常見氧化物及其鹽作為脫氯劑原材料，在實驗室條件下采用固定床反應器，測定脫氯性能。

實驗室條件下，NaHCO脫氯劑的反應活性優于其他幾種脫氯劑。在脫氯劑的性能選擇上應首先考慮脫氯劑在工況下的反應活性。因此，選擇NaHCO脫氯劑作為脫氯劑的主要活性組分。

2.1.2脫氯系統工藝流程研究

綜合傳統固定床、酸堿中和、冷凝除濕等已有技術優點，重塑脫氯機制，采用改性適用于高爐煤氣氣氛下的專用脫氯劑，在重力除塵器與高爐煤氣布袋除塵器之間增加脫氯噴吹系統，以簡潔的工藝流程和簡便的操作，實現高爐煤氣高效脫氯。

2.2高爐煤氣脫硫技術研究

2.2.1羰基硫（COS）水解工藝技術研究

羰基硫（COS）呈中性或弱酸性，化學性能比較穩定，難以用常規的脫硫方法脫除。在化學吸收中的反應性差，甚至使吸收液降解；由于平衡等因素的限制，在物理吸收中羰基硫與CO的溶解度接近，從而會造成選擇性分離困難。為了精脫羰基硫（COS）并節省能耗和投資，國內外多采用羰基硫水解工藝。

高爐煤氣中S、水蒸氣、COCl-、HCN、SO、粉塵等都會造成COS水解催化劑的失活，如高爐煤氣中的粉塵會堵塞催化劑的微孔，從而影響催化劑的表面利用率；ClHCN、SO等酸性成分會與催化劑的堿性中心反應，降低催化劑表面堿性中心的強度和數量。

2.2.2脫硫催化劑技術研究

脫硫催化劑的選擇要求吸收反應速度快、脫硫精度高；操作溫度范圍大，抗灰塵、油類能力強；能有效控制脫硫過程中的副反應，維持副鹽的平衡，無需排液

高硫容抑鹽催化劑是多金屬催化活性中心，其催化劑產品為單一固體產品，運輸、添加方便。更換時一次性用量少，日消耗量低，催化劑易溶于脫硫液中。而且，高硫容抑鹽催化劑的抑鹽效果是同時抑制硫代硫酸鹽和硫酸鹽的生成，抑制硫代硫酸鹽的同時也確保硫酸鹽含量穩定，不會將硫代硫酸鹽過度氧化為硫酸鹽，確保硫代硫酸鹽和硫酸鹽含量不再生長，兩鹽同控。

2.3脫氯脫硫裝備研究

針對高爐煤氣在TRT前后的壓力、溫度、場地等多因素約束條件，研究開發脫氯劑噴吹裝備、水解裝備、脫硫裝備等。

2.3.1 高精度脫氯噴吹裝置

脫氯劑噴吹裝置為正壓氣力輸送系統，以壓縮氮氣為動力，將脫氯劑從重力除塵器與布袋除塵器之間的荒煤氣管道噴入，在高溫、強湍流的作用下，脫氯劑迅速與煤氣充分混合，與煤氣中HCl快速反應，生成副產物隨煤氣進入布袋除塵器，被布袋捕集，與除塵灰一并外排。其工藝流程見圖4。

2.3.2 軸向多單元水解反應裝置

高爐煤氣流量大，水解劑對于運行空速及床層線速度有一定要求，如采用單一反應裝置，裝置較為龐大、運行靈活性較差。如何降低水解系統阻力損失、提高流場的均勻性成為研究重點。通過多模型建立，宜采用多反應器并列運行，見圖5。為將床層壓降控制在一定范圍內，水解反應器采用多單元結構，通過垂直多單元布置，降低壓降的同時，進一步減小裝置占地面積。

2.3.3 脫硫再生一體化裝置

高爐煤氣量較大，傳統填料塔的結構填料支撐梁等占用塔內空間較大，脫硫塔總高度較高，投資大。根據工程經驗，脫硫塔直徑超過10m后，脫硫液的壁流效應導致的脫硫液在填料中的均布問題將成為影響脫硫塔脫硫效率的主要制約因素。針對此種情況，開發了脫硫再生一體塔。脫硫再生一體塔是一種將吸收塔、再生槽和富液槽疊合在一起的復合塔。

該型脫硫塔從上到下，由再生段、吸收段和富液段三個部分組成，見圖6。其中再生段通過封頭與吸收段隔離，即再生段實際上是疊放在吸收段外部上方；富液段通過內置液封與吸收段有效分隔。三個部分在空間上相互獨立，保證了設備的安全性；液相從上向下，氣相從下向上，符合介質流動特性，有利于減少能耗。

3.生產實踐與應用

首臺套示范工程在首鋼股份2號高爐建成投運，實現了規模化全氣量、全工況、全時段、無廢物生產應用，脫氯后氯含量小于10mg/Nm，有機硫轉化率超過90%，HS脫除效果穩定在10mg/Nm以下，高爐煤氣總硫含量在15mg/Nm以下，高爐煤氣中硫元素以單質硫形式被高效回收，實現了硫資源化回收利用。

4.結語

本研究開發的高爐煤氣脫氯、脫硫技術屬于煤氣污染物源頭治理技術，能夠完全取代部分高爐煤氣噴堿脫氯及末端煙氣脫硫，實現超低排放要求，避免了高爐煤氣下游用戶點多、分散廣，需要配備多套煙氣脫硫設施問題。與末端煙氣脫硫技術相比，本研究開發的高爐煤氣脫氯、脫硫技術具有一次性投資少、運行成本低、工程占地小等優點，并且實現了硫資源化回收利用，為鋼鐵行業綠色可持續發展提供了有力的技術支撐。

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