高爐煤氣余熱發(fā)電鍋爐煙氣SO2濃度異常分析

徐紅超 廖巨華 詹道平 廖國平 陳云超

(武昆股份公司環(huán)保能源部)

1 前言

高爐煤氣是鋼鐵企業(yè)在煉鐵過程中副產(chǎn)的可燃?xì)怏w，主要成分包括N2、CO和CO2等氣體，發(fā)熱值為3000～3800kJ/m3，平均產(chǎn)氣1400～1800 m3/t(鐵)，是一種發(fā)熱值很低的煤氣［1］。它的大致成分含量為CO26～12%、CO28～33%、H21～4%、N255～60%、烴類0.2～0.5%及少量的SO2，它的含塵濃度10～50g/m3。粉塵粒徑在500μm以下，主要是鐵、氧化亞鐵、氧化鋁、氧化硅、氧化鎂和焦炭粉末，還有少量的氯化物和硫酸鹽、碳酸鹽。高爐煤氣目前主要有兩種利用方式，一是用于熱風(fēng)爐、燒結(jié)、球團、軋鋼加熱爐等中直接燃燒加熱，二是用于鍋爐燃燒發(fā)電。無論是燃燒加熱還是鍋爐發(fā)電，高爐煤氣燃燒后均會產(chǎn)生不同濃度的SO2、NOx和顆粒物。

富余高爐煤氣用于余熱發(fā)電時在鍋爐內(nèi)的具體遷移和轉(zhuǎn)化過程為高爐煤氣通過高爐煤氣管道送至燃燒器與空氣混合噴入爐膛燃燒產(chǎn)生理論燃燒溫度為1342℃高溫?zé)煔猓邷責(zé)煔怆x開爐膛后，橫向沖刷凝渣管、過熱器，這時煙氣溫度降到625℃左右，并進入尾部煙道，自上而下流經(jīng)省煤器和空氣預(yù)熱器，最后由引風(fēng)機注入煙囪進入大氣。

2 鍋爐煙氣SO2異常情況

動力能源分公司玉鋼2×18MW高爐煤氣余熱發(fā)電站由云南火電公司自2010年9月開始建設(shè)，于2011年7月并網(wǎng)發(fā)電，項目總投資約1.8億元，配套2臺85t/h(JG85/3.82-Q型)高爐煤氣鍋爐和兩臺18MW(N18-3.43型)的中溫中壓凝汽式汽輪機組。按照國家生態(tài)環(huán)境部辦公廳下發(fā)的《關(guān)于加快重點行業(yè)重點地區(qū)的重點排污單位自動監(jiān)控工作的通知》 (環(huán)辦環(huán)監(jiān)［2017］61號)要求，動力能源分公司玉鋼2×18MW高爐煤氣余熱發(fā)電站于2018年5月安裝在線監(jiān)測并上傳政府環(huán)保部門，之后鍋爐煙氣中SO2不定期出現(xiàn)濃度異常情況，具體分為三個級段：

(1)2018年6月至2018年12月期間，鍋爐煙氣SO2濃度主要是階段性波動變化，偶有異常(SO2折算濃度＞100mg/Nm3)。

(2)2019年1月到2月中旬期間，鍋爐煙氣SO2濃度持續(xù)異常，特別是1月21日玉鋼年計劃檢修復(fù)產(chǎn)后，SO2折算濃度持續(xù)保持在100～150 mg/Nm3之間，已無法正常開機進行生產(chǎn)。

(3)2019年3月，鍋爐煙氣SO2濃度于3月12日8：12異常，鍋爐停機，后于3月18日重啟1#發(fā)電機組，并保持低負(fù)荷運行，煙氣中SO2濃度保持在70～100mg/Nm3。

以上期間，由于鍋爐煙氣SO2濃度異常，導(dǎo)致余熱發(fā)電機組多次停機，大量高爐煤氣放散，給公司帶來了巨大的能源浪費和環(huán)保風(fēng)險。本文通過從不同角度對鍋爐煙氣SO2濃度異常原因進行分析，為后續(xù)采取控制措施提供依據(jù)。

3 原因分析

3.1 分析思路

針對動力能源分公司玉鋼2×18MW高爐煤氣余熱發(fā)電鍋爐煙氣SO2濃度異常的問題，制定如下分析思路：

(1)對在線監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性進行判斷，主要通過對比不同在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的一致性進行判斷。

(2)對鍋爐煙氣SO2濃度與高爐煤氣的相關(guān)性進行判斷，主要通過對比分析采用高爐煤氣為燃料的不同排口的SO2濃度來進行判斷。

(3)委托第三方檢測分析機構(gòu)對高爐煤氣里硫的主要成分進行分析，為高爐煤氣脫硫提供理論依據(jù)。

(4)探索高爐冶煉過程對高爐煤氣含硫量的影響，主要包括高爐冶煉過程中的硫平衡和高爐用料情況兩部分。

(5)探索鍋爐工況對煙氣SO2濃度的影響，主要包括鍋爐負(fù)荷、氧含量、流量、溫度等的影響。

通過以上分析，查找出余熱發(fā)電鍋爐煙氣中SO2濃度異常的原因，為后續(xù)采取控制措施提供理論依據(jù)，有效的降低環(huán)保風(fēng)險，并大大地減少煤氣放散。

3.2 分析過程和結(jié)果

3.2.1 以高爐煤氣為燃料的各排口煙氣中SO2濃度對比分析

針對動力能源分公司玉鋼2×18MW高爐煤氣余熱發(fā)電鍋爐煙氣SO2濃度異常的問題，對玉鋼公司以高爐煤氣為燃料的不同排放口煙氣中SO2濃度進行了監(jiān)測，并與余熱發(fā)電鍋爐在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，具體監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 玉鋼以高爐煤氣為燃料的各排口煙氣中SO2濃度

從表1中可以看出：

(1)在15：10～15：20時，余熱發(fā)電鍋爐煙氣排口SO2濃度為61mg/Nm3，余熱發(fā)電鍋爐在線監(jiān)測SO2濃度68mg/Nm3，兩者的差距在誤差允許范圍內(nèi)，說明余熱鍋爐煙氣排口在線監(jiān)測設(shè)備運行正常，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和真實性可靠。

(2)在16：10～16：20時，3#高爐熱風(fēng)爐煙氣排口和余熱發(fā)電鍋爐在線監(jiān)測的SO2濃度在誤差允許范圍內(nèi)基本一致；17：35～17：45時，棒材加熱爐煙氣排口和余熱發(fā)電鍋爐在線監(jiān)測的SO2濃度在誤差允許范圍內(nèi)基本一致。說明煙氣里的SO2濃度高低與高爐煤氣存在很大的相關(guān)性，也就是說當(dāng)發(fā)電鍋爐煙氣SO2濃度異常時，3#高爐熱風(fēng)爐煙氣和棒材加熱爐煙氣的SO2濃度也可能異常。

3.2.2 高爐/轉(zhuǎn)爐煤氣含硫成分分析

高爐煤氣中含硫成分復(fù)雜，主要分為有機硫和無機硫兩類，有機硫主要成分有羰基硫、二硫化碳(CS2)、硫醚硫醇、噻吩等，無機硫主要成分有硫化氫(H2S)、二氧化硫(SO2)等。

高爐煤氣中硫檢測技術(shù)也較為復(fù)雜，目前認(rèn)可度和準(zhǔn)確度較高的方法為FPD(火焰光度檢測器，屬氣相色譜檢測器)。經(jīng)與具有此檢測儀器的第三方聯(lián)系，分別于不同時間段對玉鋼高爐煤氣或轉(zhuǎn)爐煤氣取樣進行分析，分析數(shù)據(jù)見表2和圖1。

表2 玉鋼高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣含硫成分分析數(shù)據(jù)

從表2中可以看出：

(1)高爐煤氣中的總硫遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)爐煤氣中的總硫。

(2)在同一時間點，玉鋼余熱發(fā)電鍋爐煙氣中SO2濃度和高爐煤氣中的總硫濃度有很強的對應(yīng)關(guān)系，兩者的相除得到的商接近于1(從理論上來說，在忽略體積不變的情況下，S變成SO2只需乘以2，而1m3煤氣燃燒時需加入0.7～0.8m3空氣)，說明余熱發(fā)電鍋爐煙氣中的SO2基本來源于高爐煤氣。

通過對表2中的所有數(shù)據(jù)進行匯總轉(zhuǎn)化為圖1，以便清晰分析煤氣中各種硫含量所占比例，具體見圖1。

圖1 高爐煤氣(轉(zhuǎn)爐煤氣)中各種硫含量情況

從圖1可以看出：

(1)轉(zhuǎn)爐煤氣中的硫主要是二氧化硫(44.68%)和羰基硫(43.67%)，其次是硫化氫(8.11%)。

(2)高爐煤氣中的硫主要是二氧化硫(62.22%)，其次是羰基硫(10.63%)和硫化氫(8.70%)。

(3)根據(jù)分析結(jié)果，若之后考慮對煤氣進行脫硫可以此為參考針對性的選擇脫硫工藝。

3.2.3 煉鐵工序硫平衡和物料含硫量分析

根據(jù)前面的分析結(jié)果，已經(jīng)明確高爐煤氣是影響鍋爐發(fā)電煙氣中SO2濃度異常的主要原因，而高爐煤氣中硫的來源，取決于煉鐵工序中進入高爐的燒結(jié)礦、球團礦、噴吹煤和焦炭等物料的含硫量以及硫在整個煉鐵過程中的平衡關(guān)系。本文選取了2019年1月下旬至4月底玉鋼公司3#高爐每日進出物料的含硫量進行統(tǒng)計分析，在統(tǒng)計過程中為了盡量消除數(shù)據(jù)檢測誤差和各種物料進出高爐時間差帶來的誤差選擇月累計疊加的方式進行，具體見表3。

表3 玉鋼公司3#高爐進出物料含硫情況統(tǒng)計

根據(jù)表3中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來分析高爐煤氣硫含量等，具體如下：

(1)1月份(21～31日)進高爐總硫為158.470t，出高爐(不含煤氣)總硫為140.815t，則高爐煤氣帶走硫約18.000t，平均每噸鐵水產(chǎn)生的煤氣含4.308kg硫。

(2)2月份(1～28日)進高爐總硫為416.916t，出高爐(不含煤氣)總硫為448.289t，很明顯進出硫不平衡，可能由于數(shù)據(jù)統(tǒng)計誤差等原因造成。

(3)3月份(1～31日)進高爐總硫為449.697t，出高爐(不含煤氣)總硫為414.670t，則高爐煤氣帶走硫35.027t，平均每噸鐵水產(chǎn)生的煤氣含4.283kg硫。

(4)4月份(1～28日)進高爐總硫為444.239t，出高爐(不含煤氣)總硫為388.926t，則高爐煤氣帶走硫55.313t，平均每噸鐵水產(chǎn)生的煤氣含3.729kg硫。

綜上所述，1月、3月、4月平均每噸鐵水產(chǎn)生的煤氣含硫分別為4.308kg、4.283kg、3.729kg。

按照表3的數(shù)據(jù)整理匯總轉(zhuǎn)化為圖2，以便清晰分析高爐進出物料對總硫的貢獻率(也就是各進出物料含硫占進出總硫的比例)。

圖2 各原燃料所含硫占進入高爐的總硫比例/高爐各產(chǎn)物所含硫占高爐出來的總硫比例

從圖2中可以看出：

(1)在高爐輸入端，焦炭、噴吹煤、燒結(jié)礦、球團礦對總硫的貢獻率分別是66.39%、16.42%、13.04%、3.44%。

(2)在高爐輸出端，爐渣、鐵水、除塵灰?guī)ё呖偭虻谋壤謩e為84.41%、7.80%、2.58%，而高爐煤氣帶走的硫占5.21%。(在統(tǒng)計過程中，除塵灰的數(shù)據(jù)因沒有全部進行檢驗，部分采用估算，所以在除塵灰和煤氣中硫的具體比例有待進一步確定。)

(3)要控制高爐煤氣中的硫含量，在高爐輸入端可以通過降低焦炭和噴吹煤的硫含量，在高爐輸出端可以通過增加爐渣的硫含量。

3.2.4 紅、玉鋼公司高爐用料和燃料比對比分析

選取紅鋼公司和玉鋼公司高爐用料和燃料比進行對比分析，主要基于以下原因：

(1)動力能源分公司玉鋼18MW高爐煤氣余熱發(fā)電站的鍋爐設(shè)計單位、施工單位、結(jié)構(gòu)、布置形式均與紅鋼25MW高爐煤氣余熱發(fā)電站一致。

(2)在2018年6月到10月動力能源分公司玉鋼18MW高爐煤氣余熱發(fā)電鍋爐煙氣SO2階段性異常時，紅鋼余熱鍋爐發(fā)電煙氣SO2長期保持在50mg/Nm3左右。

(3)據(jù)當(dāng)時與紅鋼公司和玉鋼公司交流時反映，兩地高爐使用的燒結(jié)礦和球團礦含硫基本一樣。

余熱發(fā)電鍋爐燃燒的高爐煤氣來自于高爐煉鐵過程，而高爐煤氣里含有的硫取決于高爐用料情況和燃料比。文中分析時，選取的影響因素為焦炭、噴吹煤和爐渣中的S含量以及焦比、煤比和渣比。(因鐵水硫含量有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，所以認(rèn)為基本一致)，具體情況見圖3。

圖3 玉鋼公司和紅鋼公司高爐用料和產(chǎn)出物含硫?qū)Ρ?/p>

從圖3中可看出：

(1)玉鋼公司的焦炭和爐渣含硫量比紅鋼公司高，但噴煤含硫量低于紅鋼公司。

(2)玉鋼公司的渣比、焦比和煤比與紅鋼公司相比基本差不多。

(3)結(jié)合前面分析(高爐輸入端的硫主要來源焦炭和噴吹煤)，在焦比和煤比差不多的情況下，因玉鋼公司的焦炭含硫量高于紅鋼公司，噴煤含硫量低于紅鋼公司，所以焦炭對高爐中硫的貢獻率玉鋼公司高于紅鋼公司。

(4)結(jié)合前面分析(高爐輸出端的硫主要由爐渣帶走)，在渣比差不多的情況下，因玉鋼公司的爐渣含硫量高于紅鋼公司，所以爐渣對高爐中硫的帶走率玉鋼公司高于紅鋼公司。

3.2.5 動力能源分公司玉鋼公18MW發(fā)電鍋爐工況分析

(1)鍋爐參數(shù)對鍋爐煙氣中SO2折算濃度的影響

分析鍋爐參數(shù)對鍋爐煙氣中SO2濃度的影響，主要選取了排煙溫度、爐膛溫度、煙氣流速和機組負(fù)荷，具體見圖4。

圖4 排煙溫度、爐膛溫度、煙氣流量及機組負(fù)荷對SO2折算濃度的影響

從圖4，可以看出：①排煙溫度、爐膛溫度、煙氣流量及機組負(fù)荷的對鍋爐煙氣中SO2折算濃度影響不明顯。②排煙溫度、爐膛溫度、煙氣流量及機組負(fù)荷之間存在很強的一致性，排煙溫度、爐膛溫度、煙氣流量的變化主要取決于機組負(fù)荷的調(diào)整。

(2)鍋爐負(fù)荷和氧含量對鍋爐煙氣中SO2折算濃度的影響

根據(jù)GB/T16157規(guī)定，鍋爐發(fā)電煙氣中的SO2濃度必須按基準(zhǔn)氧含量進行折算，具體折算公式為：

式中：

c——大氣污染物基準(zhǔn)氧含量排放濃度，mg/m3；

c′——實測的大氣污染物排放濃度，mg/m3；

O′2——實測的氧含量，%；

O2——基準(zhǔn)氧含量，%。

為了驗證氧含量和負(fù)荷在一定范圍內(nèi)調(diào)整對煙氣中SO2折算濃度的影響，對18MW鍋爐的氧含量和機組負(fù)荷進行了調(diào)整，具體情況見表4和圖5。

表4 氧含量對各污染物折算濃度的影響

圖5 鍋爐負(fù)荷和氧含量對鍋爐煙氣中SO2折算濃度的影響

從現(xiàn)場試驗結(jié)果(表4和圖5)分析，最大限度降低負(fù)荷及控制氧含量在3.5～5.5%之間，最多能將煙氣中SO2折算濃度稀釋降低約10%，即生產(chǎn)時SO2折算濃度在100～110mg/m3之間時，可通過降負(fù)荷和調(diào)整氧含量將SO2折算濃度控制到100mg/m3以下，如SO2折算濃度超過120mg/m3，鍋爐所有調(diào)整手段均難以實現(xiàn)將SO2折算濃度控制到100mg/m3以下。

4 總結(jié)

通過對高爐煤氣為燃料的各排口煙氣中SO2濃度對比分析、鍋爐煙氣SO2濃度與高爐煤氣的相關(guān)性分析、高爐煤氣里硫的主要成分檢測、高爐冶煉過程對高爐煤氣含硫量的影響分析、鍋爐工況對煙氣SO2濃度的影響分析等進行研究，得到如下結(jié)論：

(1)余熱鍋爐煙氣排口在線監(jiān)測設(shè)備運行正常，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和真實性可靠。

(2)高爐煤氣中的總硫遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)爐煤氣中的總硫。高爐煤氣中的硫主要是二氧化硫(62.22%)，其次是羰基硫(10.63%)和硫化氫(8.70%)；轉(zhuǎn)爐煤氣中的硫主要是二氧化硫(44.68%)和羰基硫(43.67%)，其次是硫化氫(8.11%)；若之后考慮對煤氣進行脫硫可以此為參考針對性的選擇脫硫工藝。

(3)平均每噸鐵水產(chǎn)生的煤氣含硫約為4.11 kg。在高爐輸入端，焦炭、噴吹煤、燒結(jié)礦、球團礦對總硫的貢獻率分別是66.39%、16.42%、13.04%、3.44%；在高爐輸出端，爐渣、鐵水、除塵灰?guī)ё呖偭虻谋壤謩e為84.41%、7.80%、2.58%，而高爐煤氣帶走的硫占5.21%。要控制高爐煤氣中的硫含量，在高爐輸入端可以通過降低焦炭和噴吹煤的硫含量，在高爐輸出端可以通過增加爐渣的硫含量。

(4)最大限度降低鍋爐負(fù)荷和控制氧含量在3.5～5.5%，最多能將鍋爐煙氣中SO2折算濃度稀釋降低約10%。

(5)合理的控制入爐焦炭、噴吹煤和爐渣含硫量可以有效降低高爐煤氣含硫量，再結(jié)合鍋爐負(fù)荷和氧含量調(diào)整，最終可控制鍋爐煙氣SO2折算濃度在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。