常治铁

[ 鞍钢集团工程技术有限公司鞍钢（上海）环境工程技术有限公司，上海 201210]

摘要：文章结合某钢厂 180 m² 烧结机烟气脱硫除尘改造实际工程，介绍了旋转喷雾法（SDA）及其工艺特点。该工艺效率高、抗冲击能力强、副产品少，是目前应用较多也较为先进的烧结烟气净化处理技术。改造后的实际运行结果表明，当设备入口烟气中 SO₂ 和粉尘的平均浓度分别为 418.02mg/Nm³ 和 48.97mg/Nm³ 时，出口烟气中污染物的浓度分别低于 30mg/Nm³ 和 4mg/Nm³，能够满足预期的排放要求。

关键词 ：烧结烟气 ；旋转喷雾干燥法 ；脱硫 ；粉尘

近年来，随着我国工业产能的不断增长，能源消耗造成的各类环境问题逐渐暴露出来，尤其是 SO₂ 和粉尘的排放给空气质量造成了严重的影响 ^[1]。钢铁工业在我国国民经济中扮演着重要角色，同时也是排污大户 ^[2]。根据钢铁工业协会统计数据显示，2015 年钢铁企业的 SO₂ 排放量为 173.6 万 t，占全国工业 SO₂ 排放总量的 12.4%；粉尘排放量为 357.2 万 t，占全国工业粉尘排放总量的 32.2%。

在钢铁企业的生产过程中，烧结工艺是造成污染较为严重的环节之一 ^{[3, 4]}。据统计，钢铁生产过程中50% 的粉尘排放来自烧结工序，同时，烧结工序排放的 SO₂ 约占钢铁生产总排放量的 60％以上。烧结烟气的主要特点为 SO₂ 排放总量大、SO₂ 排放浓度低且波动范围宽等 ^{[5, 6]}。因此，烧结烟气脱硫是钢铁行业实现SO₂ 减排指标的关键，也是钢铁企业废气污染防治的重中之重。2017 年原环境保护部发布了《钢铁烧结球团工业大气污染物排放标准》（GB 28662—2012），进一步严格了烧结烟气的排放标准。

目前，国内外常用的烟气脱硫技术有很多种，按照脱硫方式及产物形态的不同主要可分为湿法、半干法、干法三大类。对比分析得出的多种烟气脱硫技术的优缺点如表 1 所示。

某钢厂的 180m² 烧结机，烟气排放量为 78×104m³/h。该烧结机在烧结生产过程中会产生大量 SO₂、粉尘等有害物质，对环境造成污染。为了满足最新环保要求，采用旋转喷雾法（SDA）工艺结合布袋除尘技术对该钢厂的 180m² 烧结机进行脱硫除尘改造。

1 工艺原理及流程

1.1 工艺原理及优点

SDA 脱硫是丹麦 Niro 公司在 20 世纪 70 年代开发的一种喷雾干燥吸收工艺。该工艺采用生石灰消化制成的熟石灰浆液作为脱硫剂。运行过程中，脱硫剂浆液在雾化器的作用下会形成大量雾滴，极大提高了比表面积，因此，只需喷淋较少的脱硫剂即可实现较好的脱硫效果 ^[12]。呈碱性的脱硫剂雾滴与烟气充分接触，发生物理、化学反应，能够吸收烟气中的 SO₂ 等酸性物质以达到烟气净化的目的 ^[13]。

SDA 工艺采用与湿法相同的机理，具有较高的脱硫效率，根据原始 SO₂ 浓度情况及排放指标要求，其脱硫效率可在 90% ～ 97% 的范围内迅速调节。同时，SDA 对 SO₃、HCl、HF 等酸性物有接近 100% 的脱除率。

在脱硫塔中完成的主要化学反应见式①、式②、式③ :

Ca(OH)₂ + SO₂ → CaSO₃ + H₂O ①

Ca(OH)₂ + SO₂ + 1/2O₂ → CaSO₄ + H₂O ②

Ca(OH)₂ + SO₃ → CaSO₄ + H₂O ③与其他酸性物质（如 HCl、HF 等）的反应见式④、式⑤ :

Ca(OH)₂ + 2HCl → CaCl₂ + 2H₂O ④

Ca(OH)₂ + 2HF → CaF₂ + 2H₂O ⑤

SDA 工艺不需要大量固体循环灰在脱硫塔内循环，也不需要脱硫后烟气回流来保证塔内固体脱硫灰处于流化状态（不存在塌床、死床或偏床），因此 SDA工艺中脱硫塔的运行阻力低，一般不超过 1000Pa。同 时，由于 SDA 工艺采用 Ca(OH)₂ 浆液作为脱硫剂，而不是 CaO 粉末，所以不存在 CaO 吸水放热导致设备堵塞的问题 ^[14]。当入口烟气条件发生变化时，SDA 工艺可以快速调节脱硫剂的用量来适应工况的变化，这种调节不会影响脱硫剂的雾化效果（保证了脱硫剂的利用率），也不会增加后续除尘器的负荷，避免了整套系统的处理效率受到影响。

烟气脱硫可能会造成的二次污染以及脱硫副产物的利用一直是研究的重点。SDA 工艺的耗水量低，并且可以利用低质量的水（如碱性废水）作为脱硫用水，达到以废治废的目的。同时，整套工艺在脱硫过程中不产生废水，不会造成二次污染。由于 SDA 工艺对脱硫剂的品质要求较低，脱硫除尘后收集的粉尘因含有未完全反应的 Ca(OH)₂，可以作为脱硫剂回用，满足循环经济的要求。另外，SDA 工艺的副产物为干态脱硫灰，可用于生产添加料、生产免烧砖等，实现废物再利用。

目前 SDA 法脱硫是世界上较为成熟的半干法烟气脱硫技术之一，广泛应用于电力、冶金、化工、垃圾焚烧、乳制品等行业并取得了较好的效果，具有很高的市场占有率 ^[15]。

1.2 工艺流程

将生石灰定量加入消化罐内并加水配制成反应所需的脱硫剂（熟石灰）浆液，浆液经振动筛筛分后自流入浆液罐。根据原烟气 SO₂ 浓度将脱硫剂浆液由浆液泵定量送入吸收塔顶部的浆液顶罐中。浆液再由浆液罐自流进入吸收塔顶部的雾化器内，经雾化器作用后形成 30 ～ 80μm 的雾滴。

烧结机烟气经机头处的多管除尘器净化后，由主抽风机出口烟道引出，经原烟气旁路阀门和入口阀门切换后，送入 SDA 吸收塔。被雾化的脱硫剂浆液与吸收塔内的烟气充分接触，迅速发生物理、化学反应，吸收烟气中的 SO₂ 等酸性物质。吸收 SO₂ 等酸性物质并干燥的含粉料烟气进入布袋除尘器进行气固分离，可进一步实现烟尘净化处理。除尘器所收集的粉尘因含有未完全反应的 Ca(OH)₂，可以采用斗式提升机输送至循环灰系统回用。净烟气由增压风机抽引经新建烟囱排入大气，整套工艺的流程如图 1 所示。

另外，在实际工程应用中，脱硫塔顶部及塔内中央设有烟气分配装置，在系统运行过程中可以确保塔内烟气具有合理、均匀的气流分布。这样可以使烟气和雾化的脱硫剂充分混合，有助于质量和热量传递，使干燥和反应条件达到最佳。同时，该装置使烟气与雾滴处于相对合理的接触时间，可以得到较高的 SO₂去除率，并且能够使脱硫剂雾滴得到充分干燥。

2 项目概况及运行效果

2.1 技术参数

某钢厂 180m² 烧结机的年产量为 120 万 t，该烧结机烟气的主要工艺条件及参数如表 2 所示。烧结烟气经过净化处理后要求烟囱出口排放浓度达到SO₂ ≤ 100mg/Nm³、粉尘浓度≤ 30mg/Nm³、脱硫效率不低于 95%。

2.2 系统设备组成

该套 SDA 烧结烟气脱硫除尘系统主要由脱硫塔、石灰制浆系统、排空系统、布袋除尘器、增压风机等组成，主要系统的设备组成如表 3 所示。 脱硫塔高约 40m、碳钢材质、钢板厚度≥ 12mm（局部≥ 14mm），吸收段规格为 Φ14m×15m。脱硫塔的塔体外部设有 100mm 厚的岩棉保温材料。制浆设备主要由生石灰粉仓、消化罐、振动筛等组成，其中生石灰粉仓容积为 60m³、消化罐容积为 8m³，振动筛（筛网 16 目）设有两台，处理能力为 10t/h。所用生石灰纯度≥ 80%、活性 t60 ≤ 4min、生石灰粒度＜ 3mm、比例≥ 90%。

系统中的布袋除尘器是对烟气进行除尘处理的重要设备，长袋低压脉冲除尘器的过滤面积为 14 500m²、过滤风速为 0.9m/min。所用滤袋材质采用满足 SDA 脱硫工艺工况要求的专用滤料（耐酸碱、抗氧化、拒水）。脱硫布袋除尘箱体内部全部采取防腐措施。

3 烧结烟气脱硫分析

3.1 单因素影响分析

在烧结烟气脱硫的过程中，烟气温度和脱硫剂用量是影响烟气脱硫效果的主要因素。特别是烟气温度，为保证实现较好的脱硫效果，一般需要对原烟气进行升温处理。因此，在系统的调试阶段进行了单因素影响分析，分别对不同烟气温度和脱硫剂用量对脱硫效果的影响进行了测试。测试阶段脱硫系统入口烟气的SO₂ 浓度均值为 420mg/Nm³，升温前的平均烟气温度为 130℃。

3.1.1  温度影响

测试烟气温度对脱硫效率的影响时，控制脱硫剂的使用量为 4t/h，并将烧结烟气进行升温处理，温度对 SO₂ 去除率的影响如图 2a 所示。当烟气温度为140℃～ 180℃时，烟气平均脱硫率分别为 90.17%、95.02%、96.35%。通过实验结果可以发现，随着温度的升高，系统的脱硫率明显上升，这是因为高温可以使脱硫剂被热激活，使得脱硫剂的比表面积迅速增大，可以更高效地吸收烟气中的 SO₂ 等酸性物质，提高脱硫效率。

3.1.2  脱硫剂用量影响

测试脱硫剂用量对脱硫效率的影响时，将烟气进行升温处理至 160℃，脱硫剂用量对 SO₂ 去除率的影响如图 2b 所示。当脱硫剂用量分别为 3t/h、4t/h、5t/h 时，烟气平均脱硫率分别为 90.33%、95.02%、96.69%。说明脱硫剂的用量越大，对烟气中酸性物质的吸收越彻底，脱硫效率越高。

通过单因素实验结果可以发现，烟气温度和脱硫剂用量的变化能够直接影响烟气中 SO₂ 的去除率，因 此，可以通过响应曲面法建立连续变量曲面模型，进一步评价烟气温度和脱硫剂用量对 SO₂ 去除率的交互影响。

3.2 响应曲面分析

在上述单因素实验的基础上，本文以温度（A）和脱硫剂用量（B）作为响应因素，应用 Design Expert 软 件，以 SO₂ 脱除率（u）为检测指标进行响应曲面优化设计，对工艺参数进行优化。采用经验模型对变量的响应进行表征，对结果进行回归分析，得到二次回归方程：u = 95.07 + 3.42A +3.02B + 0.19AB - 1.93A2 - 1.68B2。

该回归模型的方差分析结果如表 4 所示，由方差分析结果可知所得模型 P ＜ 0.0001，模型显著（P ＜ 0.05 即可视为模型显著），表明 A 和 B 对 u 均有显著影响，说明温度和脱硫剂的使用量是影响烟气脱硫效果的主要因素。模型决定系数 R2= 0.9968，校正后的复相关系数 R2adj = 0.9945，模型的信噪比为 71.183。

由此可见，该回归模型对脱硫过程的拟合情况较好，可信度和精确度高，能很好地模拟两个自变量（A、B）对响应值（u）的影响，可应用于 u 的分析和预测。

本文应用 Design Expert 软件得到的温度（A）和脱硫剂用量（B）交互影响 SO₂ 脱除率（u）的响应曲面和等高线如图 3 所示。可通过考察等高线的趋势和响应曲面的性状来分析反应温度和脱硫剂用量对 SO₂去除率和脱硫成本的交互影响。由图 3a 可以看出，等高线的分布呈典型的椭圆形；由图 3b 可以看出，响应曲面呈典型的马鞍面，这表明 A 和 B 对 u 影响的交互作用显著。如图 3 所示，当温度低于 164℃、脱硫剂用量小于 4t/h 时，等高线更密集，拟合曲面的坡度更大，这说明在此范围内两个因素对 SO₂ 去除率的影响更大。

3.3 能效分析

通过单因素影响分析和响应曲面分析可以发现，提高脱硫反应温度或者增加脱硫剂用量都有助于更彻底地去除烟气中的 SO₂ 等酸性物质。但是，在烟气脱硫过程中脱硫剂的使用量以及烟气升温过程中燃气的消耗量是决定脱硫成本的主要因素。为了响应国家节能减排、可持续发展的要求，在保证排放烟气达标的前提下要最大限度节约成本。因此，有必要对脱硫系统进行效能分析。

SDA 脱硫系统所用脱硫剂的成本约为 450 元 /t，加热烟气所用的高炉煤气成本约为 0.058 元 /m³。结合单因素影响分析和响应曲面分析得到脱硫成本（v）回归方程为：v = 2148 + 232A + 450B。由于该烧结机烟气脱硫除尘改造工程要求脱硫效率不低于 95%，所以结合脱硫效率和脱硫成本进行综合分析得到最优工艺条件 ：脱硫反应温度为 166.7℃。脱硫剂用量为 3.72t/h时，脱硫效率为 95.01%，脱硫成本为 2099 元 /h。此时既能够满足工程要求又可以最大限度降低脱硫成本、节约资源。

3.4 连续运行情况

某钢厂的 180m² 烧结机自采用 SDA 工艺以来，设备运行稳定，烧结烟气的脱硫除尘效果较好。设备的实际运行效果如图 4 所示。

该套工艺系统对烧结烟气的脱硫处理效果如图4a 所示，在连续两个月的运行过程中，系统入口处的 SO₂ 浓度平均值为 418.02mg/Nm³，出口处 SO₂浓度可以保证低于 30mg/Nm³。两个月连续运行的SO₂ 平均去除率为 95.19%，最高可达 97.11%。图 4b 为烧结烟气中粉尘的处理效果，平均入口浓度为48.97mg/Nm3，平均去除率为 93.87%，出口粉尘浓度小于 4mg/Nm³，远低于要求排放浓度。通过运行数据可以表明该 180m² 烧结机经过脱硫除尘改造后，所排放的烧结烟气中 SO₂ 和粉尘的浓度下降明显，该套脱硫除尘系统能够实现预期目标，在结合经济性的同时可以满足该钢厂所在地区的排放标准。

通过图 4 可以看出，在连续运行过程中，烧结烟气中的粉尘浓度有较大波动，但是排出气体中的粉尘浓度较为稳定且远低于排放标准。同时，烟气中的 SO₂浓度也出现小范围的波动，但是排出气体中的 SO₂ 浓度相对稳定且符合相关排放标准。这说明该套脱硫除尘工艺的处理效果好、稳定性高，同时也具有一定的抗冲击能力。

4 结语

（1）结合脱硫效率和脱硫成本进行综合分析得到最优工艺条件 ：脱硫反应温度为 166.7℃、脱硫剂用量为 3.72t/h 时，脱硫效率为 95.01%，脱硫成本为2099 元 /h。

（2）改造后的结果表明，运行过程中 SO₂ 和粉尘的平均去除率分别为 95.19% 和 93.87%，出口烟气中污染物的浓度分别低于 30mg/Nm³ 和 4mg/Nm³。

（3）改造工程得到了企业和当地生态环境部门的肯定，为烧结机的脱硫除尘改造提供了可以借鉴的方案和经验。

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