高炉作为长流程炼钢的主流炼铁装备，在钢铁行业内具有举足轻重的地位。利用高炉进行炼铁，每吨铁水副产1600-2000立方米的高炉煤气，热值700-800大卡/立方米，煤气中含有一氧化碳、二氧化碳、氮气、氢气等组分，同时伴有尘、硫等污染物。一般情况下，高炉煤气通过重力除尘和布袋除尘后，被应用于热风炉、烧结、加热炉、发电等工序，最后排放到大气中，烟气中的二氧化硫排放浓度100-200毫克/立方米。

2019年4月28日，生态环境部、发改委、工信部等五部委联合发布了《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，对钢铁行业超低排放指标提出了要求。具体来看，烧结机机头、球团焙烧烟气颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度小时均值分别不高于10、35、50毫克/立方米；其他主要污染源颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度小时均值原则上分别不高于10、50、200毫克/立方米，达到超低排放的钢铁企业每月至少95%以上时段小时均值排放浓度满足上述指标。

由此可见，现有钢铁行业的高炉煤气利用后的二氧化硫排放浓度100-200毫克/立方米，远高于超低排放指标要求的35、50毫克/立方米，因此，钢铁行业高炉煤气的利用需要进行脱硫处理。

一、高炉煤气脱硫点：前端和末端

高炉煤气的脱硫处理可以分为前端脱硫和末端脱硫，主要区别在于处理的硫形态和处理的气量不同。

1、前端脱硫（燃烧用气点之前）

高炉冶炼铁水，是利用焦炭、煤和铁矿石发生还原反应，产生的高炉煤气中的硫也主要是以还原态形式存在。经过色谱取样检测，高炉煤气中的有机硫：羰基硫（COS）、二硫化碳（CS2）占总硫含量的70-80%；无机硫：硫化氢（H2S）占总硫含量的20-30%。

因此高炉煤气前端脱硫需要脱除的是上述三类硫化物，即羰基硫、二硫化碳和硫化氢。

前端脱硫所处理的气量为高炉实际产生的气量，以1080立方米高炉为例，每小时产生的高炉煤气量为24-28万立方米，因为在用气点之前集中处理，所以只需要建设一套脱硫装置。

2、末端脱硫（燃烧用气点之后）

高炉煤气利用在热风炉、烧结、加热炉等用气点，是利用煤气自身700-800大卡/立方米的热值，煤气中存在热值的组分主要是一氧化碳（20-25%），氢气（1%）。一氧化碳、氢气和空气中的氧气发生燃烧氧化反应的同时，煤气中的羰基硫、二硫化碳和硫化氢也与氧气反应生成二氧化硫。因此，高炉煤气末端脱硫需要脱除的是末端生成物二氧化硫。

末端脱硫所处理的气量除高炉实际产生的煤气量外，增加了配入空气的量，以1080立方米高炉为例，每小时需要处理的气量为38万立方米（高炉煤气量按26万立方米/小时，一氧化碳和氢气含量按25%，配入空气量约为15.5万立方米/小时，空气中氧含量按21%计算）。相比前端处理，需要处理气量增加了50%，同时由于用气点分散，末端脱硫需要针对每个用气点都建设脱硫装置。

综合以上分析，可将两种脱硫方法做简单对比，如表1所示：

表1 1080立方米高炉前端脱硫和末端脱硫工艺对比

二、 三种高炉煤气脱硫技术分析对比

随着各省市逐步推动实施钢铁行业超低排放，与高炉煤气脱硫有关的各类需求近期才受到关注。前端脱硫主要分为干法和湿法；末端脱硫因和其他工业烟气工况类似，可利用传统的石灰石膏法、镁法、氨法等脱硫工艺。

1、前端干法脱硫

前端干法脱硫技术借鉴化工行业的脱硫工艺，先将有机硫通过水解（利用高炉煤气自身水分，不补水）变换为无机硫，再利用干法脱硫剂将无机硫进行脱除，工艺流程如图1所示：

图1 前端干法脱硫流程图

具体工艺路线：高炉煤气从炉顶出来，先经过重力除尘和布袋除尘装置，将其中的尘含量降到10毫克/立方米以下，接着进入透平发电装置（TRT），利用煤气压力和温度发电，再通过水解转化装置，将羰基硫和二硫化碳转换为硫化氢，然后进入脱硫装置，利用干法脱硫剂将煤气中的硫化氢脱除，最后进入各个用气点进行利用，经过脱硫后，各个用气点排放的烟气中的二氧化硫浓度达到超低排放要求。

前端干法脱硫的优点：

①不影响TRT发电，水解、脱硫工艺全部放在TRT之后；

②无废液产生，干法路线不产生废液；

③脱硫精度高，总硫含量小于500mg/Nm³，更适合干法；

④不惧硫波动，当煤气中硫含量波动时，无需额外操作；

⑤无人值守，固定床工艺，只需巡检；

⑥运行时间长，水解剂、脱硫剂使用寿命大于一年；

⑦环保闭环，置换下来的水解剂、脱硫剂可厂内二次利用；

⑧产业化应用成效显著，前端干法脱硫工艺目前已有连续7年稳定运行的成功案例，其他同类工艺还没有运行超过一年的业绩。

前端干法脱硫的不足：相比前端湿法脱硫，占地面积较大，但比末端脱硫占地小。

2、前端湿法脱硫

由于高炉煤气中的有机硫直接脱除困难，所以前端湿法脱硫也需要先将有机硫转化为无机硫，再利用喷淋塔将无机硫脱除，工艺流程如图2所示：

图2 前端湿法脱硫流程图

具体工艺路线：高炉煤气从炉顶出来，先经过重力除尘和布袋除尘装置，将其中的尘含量降到10毫克/立方米以下，接着进入水解转化装置，将有机硫转换为无机硫，再通过透平发电装置（TRT），然后进入脱硫装置，利用喷淋塔喷碱液（20%氢氧化钠溶液）将煤气中的硫化氢脱除，最后进入各个用气点进行利用。

前端湿法脱硫的优点：占地较小。

前端湿法脱硫的不足：

①水解放在TRT前，压力和温度的损失影响TRT发电；

②产生大量废液；

③脱硫精度较低，总硫含量大于1000mg/Nm³，更适合干法；

④当煤气中硫含量波动时，需要人工调整碱液用量；

⑤没有长期稳定运行案例。

另外，前端湿法脱硫尚存在三个需解决问题：

①高炉煤气中二氧化碳含量为15-20%，硫含量为100-200毫克/立方米，二氧化碳和硫化氢遇到氢氧化钠溶液都会发生反应，生成碳酸钠和硫化钠，二氧化碳浓度为硫化氢的数千倍，因此，若要满足硫化氢与喷碱液充分反应，对于喷碱液的量需要做过量计算；

②高炉煤气中的硫通过水解后变为硫化氢，再通过和碱液反应生成硫化钠废液，硫化钠溶液和空气中氧反应生成硫代硫酸钠溶液，一般情况下，会作为高炉冲渣水使用，高炉渣的温度大于1400℃，硫代硫酸钠溶液在高温条件下又会分解为二氧化硫，可能会在冲渣水现场无序排放，需要采取有效措施；

③高炉煤气湿法脱硫后产物为碳酸钠和硫化钠，虽然大多数都融入废液中，但仍有少部分存在于高炉煤气中，后段用气点随着煤气压力和温度的降低，会导致碳酸钠、硫化钠结晶，容易堵塞阀门，需要采取措施预防结晶。

3、末端脱硫（石灰石膏法、镁法、氨法等）

末端脱除二氧化硫的技术已经广泛应用与电力、有色等行业，相关技术介绍较多，本文不再细述，只做和前端脱硫技术的对比。

末端脱硫的优点：应用广泛。

末端脱硫的不足：

①套数多，因高炉煤气用气点多（5-10个），每个用气点都需要配置；

②投资大，相对前端要建设更多套装置；

③占地大，套数多且处理气量比前端多50%；

④维护工作量大；

⑤占用人工多。

另外，目前钢铁企业内部占地都比较紧张，如果再在每个用气点都增设脱硫装置，实际操作性较差。

目前国内市场主要的三类高炉煤气脱硫技术各有特点，综合上述分析，从钢铁企业较为关注的占地、投资、能耗等方面进行对比，详见表2：

表2 不同脱硫技术投资成本对比表    

注：“●”表示数量，“●”越多代表成本越高

除了关注占地、投资，工艺指标、技术稳定性等同样是钢铁企业重点考虑的影响因素，具体对比结果详见表3：

表3 不同脱硫技术工艺指标对比表

三、高炉煤气脱硫项目成功案例（前端干法脱硫）

2012年，湖南华菱衡钢集团采用北京澳门新葡萄新京6663科技有限公司的钢厂煤气资源化利用技术，建设了一套高炉煤气提升热值装置，高炉煤气处理量为67000立方米/小时，热值从700大卡/立方米提升到了2100大卡/立方米，用做轧钢加热炉的燃料气体。在提升热值的工艺中，利用变压吸附（PSA）工艺把高炉煤气中的一氧化碳浓度从21%提纯到70%，PSA提纯一氧化碳设备对高炉煤气中的硫含量有严格的要求，总硫含量必须在0.1ppm以下，为此，澳门新葡萄新京6663在当时建成了国内第一套高炉煤气前端干法脱硫装置，以满足后续PSA工艺对总硫含量的严格要求。

该项目中，高炉煤气通过除尘净化后先经过水解塔，将煤气中的有机硫转化为无机硫，之后将煤气降温通过脱硫塔，将无机硫氧化为硫单质达到脱硫的目的，经过脱硫后的高炉煤气直接进入PSA提纯一氧化碳工序。数据显示，包括前端干法脱硫在内的整套PSA分离一氧化碳设备自2013年开车运行以来，一直连续、稳定运行。

四、总结

高炉煤气脱硫是近一年兴起的市场需求，加快上马高炉煤气精脱硫设备一方面为了响应“超低排放”的环保政策，另一方面也有助于钢铁企业绿色生产。就脱硫位置划分为前端脱硫和末端脱硫，前端脱硫属于相对创新型的脱硫技术，末端脱硫属于相对传统型的脱硫技术。通过对投资、占地、运行等方面的比较，前端脱硫比末端脱硫更具有优势。尤其面对现有钢铁企业内部用地紧张的现实状况，高炉煤气用气点一般都在5-10个，在每个用气点旁边都建设一套末端脱硫装置存在较大困难，因此，高炉煤气选用前端脱硫技术更具有实操性。

澳门新葡萄新京6663为华菱衡钢设计建设的高炉煤气前端干法脱硫有7年成功运行案例，工艺技术成熟度更高。前端湿法脱硫存在碱液用量过量、冲渣水现场硫排放和硫化钠结晶等问题，且尚没有稳定运行一年以上的工业案例。因此，高炉煤气脱硫选用前端干法脱硫更具有经济性、可靠性，是目前高炉煤气脱硫项目中稳定性和可行性最优的工艺路线。