1 概述
对于钢铁企业而言，二氧化硫主要由烧结球团烟气产生，烧结球团烟气产生的二氧化硫占钢铁企业排放总量的70%。由于受到烧结生产工艺的影响，烧结机的燃烧烟气具有烟气量大且波动大、SO2含量稀薄且波动大(约500～2000mg/m3)、温度波动大(约100~200℃)、运行负荷变化幅度大特点，而且具有工况差异性大、各地方含铁原料成分不一样，含有重金属和二恶英、含氧量高等特殊性，对比相对稳定的电厂锅炉烟气脱硫工况而言，烧结烟气工况对脱硫装置的稳定性要求更高，钢铁企业烧结脱硫并不能完全套用电厂或化工已有的脱硫技术和成功经验。
烧结烟气脱硫目前已是钢铁行业环保工作的重点和难点，面对各式各样的烧结烟气脱硫工艺，如目前已投入运行的有石灰石一石膏法、氨一硫铵法、循环流化床法、旋转喷雾干燥法(SDA)、密相干塔法、氧化镁法、离子液等数十种，其中有一部分技术逐步趋于成熟，还有一些创新技术正在发展之中。但是由于我国烧结烟气脱硫目前仍处于初步阶段，国内烧结脱硫真正成功实例不多，而且投资、运行费用高，日常运行维护问题多，可供借鉴的同类工程较少。烧结脱硫是工业化运行，任何不成熟的工艺都将带来运行的不稳定性，甚至给烧结生产带来严重的影响，同时还应坚持循环经济路线，争取在脱硫过程中尽量不产生废水、废气、固体废弃物等二次污染，脱硫副产物能够实现较好的利用。
因此，加快创新开发实施烧结烟气脱硫，有效解决烧结烟气脱硫存在的技术风险和高额的投资、运行费用等行业难题，是钢铁工业环境治理急需解决的重要问题。
2 现状及存在问题
2.1 宁钢现状
宁波钢铁有两座430m2烧结机，设计考虑采用烟气循环减排技术，排放烟气量将减少35%，SO2浓度则因富集有所提高。面对行业脱硫存在的问题，宁波钢铁积极响应国家环保政策，从2010年开始决定在炼铁厂烧结机主排风机现有位置上增设2台430m2烧结机烟气脱硫系统，启动了烧结烟气脱硫的相关工作。
项目团队相关人员与国内多家设计院所、环保公司进行了多次技术交流，实地考察了烧结、电厂、化工等多个脱硫项目的实际运行情况，从近十个脱硫技术方案中筛选出石灰石-石膏湿法、氨一硫铵法、循环流化床法三个技术方案做项目对比分析，力求选择研发出比较适合宁钢低成本的两台烧结在线生产烟气脱硫工艺，满足国家污染物排放浓度规定、以及宁波市政府对宁钢SO2排放总量的要求。确定了项目建设最低目标，实现脱硫效率≥90%，且脱硫后SO2排放浓度≤100mg/Nm3，粉尘排放浓度≤50mg/Nm3，脱硫装置与烧结机的同步运转率应≥95%。
由于烧结区域总图布置问题，两台烧结机对应布局2套脱硫设施困难，在项目可研阶段经综合论证、分析，大胆提出了创新的“两机一塔”烧结脱硫工艺，即要用一套脱硫系统处理两台430㎡烧结机的烟气量。该项目列入宁波北仑区生态文明建设十大行动之一“清洁空气行动”的重要项目，浙江省也将此项目列入浙江省“十二五”省、市、区重点污染减排工程。
2.2 烧结烟气的特点
烧结烟气是在将置于烧结台车上的各种粉状含铁原料、燃料和熔剂点火熔化、高温烧结成型过程中所产生的含有多种污染成分的气体。烧结烟气自身固有的复杂性和特殊性，烧结烟气与其它含尘气体相比，有着明显的区别，在一定程度上增加了烧结烟气SO2治理的难度。
1)烟气量大、变化大。烧结工艺是在完全开放及富氧环境下工作，由于漏风率高(30%～50%)和固体料循环率高，有相当一部分空气没有通过烧结料层，使烧结烟气量大大增加，每生产一吨烧结矿大约产生4000～6000m3烟气，变化幅度最高可达40%。
2)SO2浓度低、波动范围大。随着原料来源的不同、烧结工艺参数的变化，使得烧结生产最终产生的二氧化硫的浓度变化范围较大，含量大约为400～3000mg/m3;
3)含湿量大且不稳定。为了提高烧结混合料的透气性，混合料在烧结前必须加适量的水制成小球，因此烧结烟气的含湿量较大。
4)温度变化大，在90～150℃，而电厂的烟气温度基本保持在150℃左右。
5)烟气携带粉尘多。粉尘主要由金属、金属氧化物或不完全燃烧物质组成。
6)含有多种污染成分。包括二恶英类、重金属污染物及氯化氢、硫氧化物、氮氧化物、氟化氢等腐蚀性气体。
2.3 烧结烟气脱硫存在的主要问题：
针对目前通用石灰石-石膏湿法、氨一硫铵法、循环流化床法的脱硫技术为原则，在方案讨论、对比分析时，发现存在以下问题：
1)缺少稳定而适合国情的烧结烟气脱硫技术。目前脱硫工艺方案，国内均采用“一机一塔”方式建设，工艺技术各有其优缺点，技术方案选择存在问题;
2)脱硫副产物处置难度大、用途少。彻底解决烧结烟气污染问题，不但要实现烟气高效脱硫，还要解决副产物的有效利用问题。由于烧结烟气脱硫产生的副产物成分复杂，处理难度大，目前还缺乏有效的利用途径，所以烟气脱硫技术以“抛弃法”为主，烟气脱硫在取得控制SO2污染的环境效益的同时，往往伴随硫资源的严重浪费和固体废弃物的二次污染。
3)湿法脱硫存在烟囱长烟羽问题及低温饱和蒸汽烟雨问题;
4)烧结烟气总量波动较大时(考虑烟气循环)与生产适应性、脱硫效率问题;
5)烧结区域总图位置紧张。烧结机设计和建设时都没有预留烧结脱硫项目建设以及处理脱硫产生的废弃物的场地，造成现在即使想建脱硫装置也无足够的总图可建局面。
6)脱硫装置投资大、运行费用高。烧结脱硫装置投资约占烧结机投资的20%～40%(如430m2系列烧结机配置一套上述三种方案脱硫装置，单台单套均需投资近亿元，2台烧结机则需要近2亿元左右的投资)。吨烧结矿脱硫运行成本5～l4元。同时国内缺少相应的奖励扶持政策，巨大的投资、较高的运行费用制约着企业烧结脱硫的实施。
2.4 烧结烟气工况：
采用烟气循环减排技术的1号、2号烧结烟气参数(烟气循环按35%考虑)及烟气成分详见表1。
表1 单台烧结烟气参数及烟气成分表
*标识的参数为类似参考国内设备的相应参数。
两台430m2烧结机设置一套吸收塔系统，扣除烟气循环的35%烟气量，脱硫装置的烟气处理能力达108×2万Nm³/h，这么大的烟气处理量采用一套脱硫装置处理在国内外尚没有先例，需要设计一个足够大、高的脱硫塔满足烟气通过量、烟气反应时间、实现脱硫率和SO2排放目标，同时要考虑项目建设一次性工程投资和运行维护成本。
3 烟气脱硫方案调研分析
宁波钢铁基于脱硫法工艺的成熟性、经济性、运行可靠性、总图布置以及脱硫剂原料来源、副产物综合利用等方面考虑，将烟气脱硫工艺从十几种脱硫方案选择范围缩小到“石灰石-石膏湿法”、“氨一硫铵法”、“循环流化床法”三种进行详细调研分析。
3.1 石灰石-石膏法
石灰石-石膏法是目前国内外应用最广泛和最成熟的湿法脱硫技术,市场占有率最高，脱硫效率高，处理能力大，技术比较成熟。石灰石-石膏法是以石灰石浆液作为吸收剂，通过石灰石浆液在吸收塔内对烟气进行洗涤，发生反应，以去除二氧化硫，反应产生的亚硫酸钙通过强制氧化生成石膏，脱硫后的烟气从烟囱排放。该脱硫系统主要包括：吸收剂制备系统、烟气系统、二氧化硫吸收系统、石膏脱水及储存系统、公辅系统等。
1)石灰石/石膏法的优点：对烧结烟气温度、流量、SO2含量波动大的问题适应性更好，操作上较简便。吸收塔也从旋喷塔发展到喷淋塔，简化了操作和系统压力损失，技术成熟;系统稳定可靠;为气液反应，反应速度快;脱硫效率高;脱硫剂价格较低，副产物石膏在我国有一定市场;适应面广等。
2)石灰石/石膏法的缺点：系统复杂，设备庞大;占地面积大;单套比较一次性投资和运行费用较高;耗水量大且废水处理难度高，而且脱硫塔上部形成的低烟囱(60-90米)进行排放，大量白烟(低温饱和蒸汽，45-55度)排放影响周边居民观感，随白烟落下还有小水滴和硫酸钙颗粒(飘出距离受风力影响)，对周边环境有一定影响。
3.2 循环流化床
循环流化床法是一种典型的干法技术，采用干熟石灰Ca(OH)2作为脱硫剂。其以循环流化床原理为基础，通过对吸收剂的多次再循环，延长吸收剂与烟气的接触时间，提高吸收剂的利用率和脱硫效率。循环流化床脱硫系统主要包括吸收剂注入系统、吸收塔系统、物料再循环系统、工艺水系统、脱硫后除尘器系统等。
1)循环流化床法的优点：占地面积小、操作方对周边环境影响很小，没有异味。便、耗水量小、无腐蚀、不需要废水处理、脱硫剂容易获得、投资和运行成本相对较低等。
2)循环流化床法的缺点：为气固反应，反应速度慢;要求烟气量相对稳定，对烟气流量和温度波动适应性不强，烧结烟气量的不稳定时，会引起流化床工作不稳定，严重时还可能出现堵塞现象，导致脱硫效率和运行的不稳定;脱硫效率与湿法相比稍低，且副产品为亚硫酸钙为主的混合物，目前各厂矿都在堆存，除填坑铺路外没有使用价值，脱硫副产物资源化综合利用有待研究解决，而且现场设计布局难度比湿法大，总图位置紧张，难以满足现有场地需求。
3.3 氨-硫铵法
氨法在我国应用较早，其吸收液为氨水(液氨)，吸收液通过循环泵从塔的吸收段进入脱硫塔，烟气从下部进入脱硫塔，与喷淋出的吸收液反应后，再经除雾器除雾后进入烟囱排空。吸收液循环吸收到一定浓度，经过强制氧化，制得脱硫副产物--硫酸铵。氨法脱硫系统主要包括：氨水制备及贮存系统、烟气系统、二氧化硫吸收系统、硫铵分离及储运系统、公用工程系统等。
1)氨法的优点：脱硫效率高;适合周围有氨水的生产企业，也可以利用焦化、化工氨源“以废治废”;氨的碱性强，为气——气反应(其它湿法为气——固反应)，故液气比低，节约电力消耗;无石灰石法的结垢、堵塞、磨损问题;对烧结中的NO2有脱除作用，NOx脱除率可达35%，一定程度上实现脱硫脱硝一体化(石灰石法碱性不足无法脱硝)，副产物硫酸氨可作化肥，但对于不同物料而言，有可能含有重金属，没有副产品处理问题。
2)氨法的缺点：脱硫剂为高纯度氨水，价格昂贵，运输储存不方便;脱硫剂消耗大，运行成本高;而且与石灰石法一样，氨法也需要建设矮烟囱，有大量白烟冒出，有小水滴无硫酸钙颗粒下落;同时氨法管道中流动基本都是氨水或亚硫酸铵溶液，其挥发性很强，一旦管路系统出现跑冒滴漏现象，除会造成管道腐蚀和厂区严重异味(特别是设备老化以后)。也容易引起周围居民投诉(特别是脱硫塔离居民区近的企业);工艺过程复杂;副产物硫酸铵品质不稳定,而且可能含有重金属等;
3.4 烧结烟气湿法脱硫技术选择确定:
结合宁波钢铁区域总图布置，综合考虑“烧结系统特性、烟气脱硫特性和脱硫副产物再处理特性”三方面因素;烧结烟气量波动较大时，生产适应性、脱硫效率问题;脱硫系统不影响烧结主系统运行，与主工艺匹配合理，同步作业率问题;对烟气流量、温度及S02浓度适应能力等，并且能保证不同工况条件下脱硫系统的稳定运行和S02的达标排放，经综合比较、讨论分析，认为循环流化床法对上述条件适应性相对较差，对现有两台430m2烧结烟气流量和温度波动适应性不强，固体废弃物无法处理应用，因此选择采用湿法脱硫工艺，“石灰石一石膏法”或“氨一硫铵法”更适合“两机一塔”烧结生产废气脱硫。
3.5 脱硫最终方案选择考虑的因素
烧结脱硫是一个一次性投资及运行费用都很高昂的工艺,同时系统运行稳定,保证烟气脱硫稳定在90%以上，如选择不好，不但达不到脱硫效果,而且企业将长期背上一个沉重的包袱。针对两种湿法脱硫工艺，主要从环境要求、经济合理性和技术先进成熟等方面综合考虑，特别是一次工程投资和运行成本进行对比选择：
1)总图布置合理。所选技术，占地面积应尽可能少，能灵活地布置在现有场地上，能够在有限的空间内布置好脱硫装置，对烧结机正常运行影响较小，设备阻力损失小，尽量不增加或少增加烧结机主抽风机负荷。系统便于维护，不因脱硫系统检修、维护而影响生产。
2)“循环经济”原则。脱硫剂、副产物处置原料以及能源介质等，能比较稳定或便捷地获取，性价比高且成本低，争取在脱硫过程中尽量不产生废水、废气以及其它固体废弃物等二次污染，副产物应具有较高的综合利用价值且便于循环利用或合理处置，有良好的消化渠道和市场，不产生或少产生难以处理的副产物。
3)“高效、成熟、稳定”原则。相对稳定高效的脱硫效果及能满足今后的更严格的排放要求。首先SO2排放必须满足有关的环保标准要求，否则就没有意义，脱硫效率至少应在90%以上。其次烧结脱硫是工业化运行，任何不成熟的工艺都将带来运行的不稳定性，甚至给烧结生产带来严重的影响。所选技术应有较高的成熟度，运行安全可靠，具备一定的工况适应性和操作弹性。
4)“低成本、高效率”原则。包括投资合理性、工艺扩展性和原料的易获取性等。所选工艺一次性投资和运行成本要低，或者说工程全寿命周期运营成本要低，投资省，设备性价比高，在保证脱硫效率的前提下运行成本低，各方面的消耗少，易于操作、维护和管理。其中一次性投资最好控制在烧结机投资的10%～20%。
5)烟囱长烟羽问题及低温饱和蒸汽烟雨问题;通过采取有效措施，避免或减少烟囱雨现象，减少对周围居民、环境的影响。
通过对“石灰石一石膏法”、“氨一硫铵法”两种工艺对比分析，结合上述原则，特别是项目投资、运行稳定性、运营费用等综合考虑，最终确定采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺。
4 “两机一塔”石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺简介
4.1 主要原理
“两机一塔”石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺是采用价廉易得的石灰石作为脱硫吸收剂，石灰石经破碎磨细成粉状与水混合搅拌制成吸收浆液。在吸收塔内，吸收浆液与烟气接触混合，烟气中的SO2与浆液中的碳酸钙以及鼓入的氧化空气进行化学反应被脱除，最终获得纯度>90%副产品石膏(CaSO4˙2H2O)。
石灰石—石膏湿法脱硫工艺。其主要化学反应式为：
SO2十H2O→H2SO3→H++HSO3-
CaCO3十2H+→Ca2+十H2O十CO2
HSO3-+1/202→H++SO42-
Ca2++SO42++2H2O→CaSO4˙2H2O
4.2 工艺流程
工艺系统主要由石灰石浆液制备系统、烟气系统、SO2吸收系统、排空系统、工艺水系统、石膏脱水系统、杂用和仪用压缩空气系统，废水外排系统等组成。系统的原烟气从四台主排风机引入一个相通的烟道中，并在两台烧结机烟气中间设置电动挡板门实现烟气可分可合，相通的烟道引出两根支管，通过两台增压风机吸入脱硫塔中进行脱硫反应(正常情况下挡板门关闭，两台烧结机的烟气分别走两台增压风机进脱硫塔，生产工况不同时则开启挡板门平衡两台烧结机的烟气温度、压力)。脱硫系统需要检修时，原烟气在相通的烟道中逆向流动，通过事故烟囱进行排放。脱硫系统工艺流程图见图一。
图1 脱硫系统工艺流程图
4.3 脱硫系统主要设计内容
1)脱硫工艺采用湿式石灰石—石膏法，两台430m2烧结机设置一套吸收塔系统，脱硫装置的烟气处理能力为216万Nm³/h，两台烧结机最大工况下烟气量，设计一个足够大、高的脱硫塔，满足烟气通过量、烟气反应时间、实现脱硫率和SO2排放目标。在脱硫装置入口SO2浓度为500~1500mg/Nm3(标态，干基，实际O2)，脱硫效率不小于90%，且脱硫后SO2 排放浓度≤100mg/Nm3(干基)，脱硫装置能长期安全运行。
2)由于两台430㎡的烧结机共有4台主排风机，有4个烟道，其同时入脱硫塔的各烟道的烟气在烟气量、温度、压力方面都会有差异，增压风机与主排风机间的压差控制、增压风机及烟道的喘振会比“单机单塔”要复杂和严重，设计考虑两台烧结机之间有烟气互窜的问题。
3)脱硫塔采用喷淋塔形式，湿烟囱采用玻璃钢制作，直径按最大湿基烟气量进行设计，流速不高于18米/秒;在吸收塔内设置3个喷淋层，设置3台循环泵(每台循环泵对应一层喷嘴)，与其它常规2个喷淋层相比，脱硫效率明显提高。其中每个喷淋层都配有一台与喷淋层上升管道系统相连接的吸收塔循环泵，从而保证吸收塔内200%以上的吸收浆液覆盖率。喷淋层设置碳化硅制成的切线形喷嘴和FRP喷淋管道，耐磨蚀、预防石膏结垢及堵塞，可以长期运行，减少生产维护成本。
4)“双机一塔”的脱硫工艺势必比“单机单塔”工艺要复杂，对设备可靠性要求高、生产适应性的能力要求高。两台烧结机一般情况下不可能同时长时间检修，脱硫系统设计时需考虑一台或两台烧结机生产情况下如何进行脱硫系统的长时间检修维护问题。
5)脱硫装置按相对独立的脱硫岛概念进行设计，同时充分注意脱硫与主系统的有机联系，烟气脱硫系统的配套设施尽量与烧结主系统共享;脱硫装置能在最大和最小污染物浓度之间的任何值下运行，并确保污染物的排放浓度不大于保证值。
6)机组烟气脱硫设施中的公用设备，如制浆系统、石膏脱水系统和废水外排系统均按2台机设计。脱硫废水外排系统按2台机设置一套，未经处理的废水排放至业主指定位置。事故浆液箱按吸收塔浆液的100%容量设置，单独布置在脱硫区。
7)工艺水系统引自主系统，并在区域设置一个工艺水箱。两台机组共设置两台工艺水泵，一台运行，一台备用。设置两台除雾器冲洗水泵，一台运行，一台备用。
8)吸收塔设置三台氧化风机，两台运行，一台备用;吸收塔入口烟道底面和侧面采用玻璃鳞片+耐酸砖防腐、顶面采用2mmC276合金贴衬。吸收塔烟囱采用耐腐蚀的玻璃钢制作。
9)烟道设计壁厚为8mm，烟道内烟气流速宜不超过15m/s，局部最大不得超过20m/s;脱硫烟道与烧结机烟道的接口和设备的进、出口处分别设置非金属膨胀节，用以减少烟道、设备之间的相互影响，并合理分配烟道的热位移。
10)吸收塔设置两层屋脊式除雾器，下层为粗除雾，上层为精除雾，屋脊式减少了液滴的二次夹带，除雾效果远好于平板除雾器和布置在烟道上的水平除雾器。另外4层冲洗水设置，以及合理的冲洗程序设计，避免了除雾器堵塞，减少烟气了液滴夹带。
11)系统不设烟气加热器(GGH)，设旁路烟道，脱硫后烟气通过吸收塔顶烟囱排入大气。
12)采用真空皮带脱水机，脱水后石膏表面水分不高于10%。
5 投运效果
该项目从2012年8月投运至今，各项主要指标完全达到了项目初期提出的要求，并且项目建设的全寿命费用最低，在行业内处于遥遥领先水平。
1) 创新实现烧结“两机一塔”湿法脱硫装置;形成一套拥有自主知识产权、可支撑行业工程化的大型烧结烟气脱硫技术;
2) 工艺布置合理，占地最省,仅占地4260m2，是常规项目的50%;
3) 烧结“两机一塔”湿法脱硫项目，处理烟气量已达216×104Nm3/h，成为世界处理烧结烟气量最大的脱硫装置;
4) 从烧结脱硫系统投运后，运行稳定，操作简单，自动化程度高，脱硫各项指标已达到或超出设计目标。主要指标分别为：烟气出口SO2浓度28.8mg/Nm³，低于100mg/Nm³的设计指标;脱硫率95%，优于90%的设计指标;出口粉尘浓度20.72mg/Nm³，低于50mg/Nm³的设计指标;同步运转率97.87%，高于95%的设计指标。
5) 脱硫吸收剂价廉易得，副产物-二水石膏得到综合利用，销售状态良好，实现循环经济，增加企业效益，减少副产物堆放处理费用，减少二次污染。
6) 一次工程建设投资8500万元,控制在烧结工程总投资的10%以下,每平方米烧结投资在10万元以下，远远低于行业平均水平;年运行、维修处于行业较低水平，包含运行、检修、折旧在内，吨烧结矿综合运行成本在4.55元,与国内同类型脱硫装置相比，节约一次性工程投资近亿元，年降低运行费用6000万元以上。
“两机一塔”脱硫系统的成功应用，既保证了项目决策的正确性，又保证在现有区域总图能合理布置，同时减少项目一次性投资和运行费用降低，并且脱硫副产物也得到了较好的利用，投入运行后的主要指标均达到或超过了预期目的，成为行业的骄傲。
6 结束语
“两机一塔”石灰石-石膏湿法脱硫系统目前在宁钢烧结烟气脱硫中应用效果良好，主要技经指标均达到或超过设计要求，但脱硫系统也存在石灰石-石膏湿法脱硫的一些共性问题，如烟囱长烟羽问题和低温饱和蒸汽烟雨问题，虽然采取了许多减少烟雨有效措施，但在冬天湿度大的情况下，仍有少量烟囱雨现象(不明显)，随着烧结烟气脱硫技术进一步提升，这些问题将逐步得到解决。
宁钢的“两机一塔”石灰石-石膏湿法脱硫系统在场地狭小的情况下，通过大胆创新，成功将两台大型烧结机脱硫装置共用一套脱硫设施，将国内外烟气处理量最大、处理工况较复杂的脱硫装置付诸实施，为同行业实施低投资、低运营成本脱硫系统探明了一条道路，也为今后国内烧结烟气脱硫项目方案的选择、实施提供了宝贵经验，有理由相信，“两机一塔”石灰石-石膏湿法脱硫装置未来必将有一个广阔的市场前景。
原标题：国内大型烧结“两机一塔”湿法脱硫系统的选择与应用
