高爐煤氣是鋼鐵企業(yè)煉鐵中產(chǎn)生的一種重要可燃氣體，具有熱值偏低、氣量大的特點，是鋼鐵企業(yè)重要的二次能源之一，通常經(jīng)重力除塵和布袋除塵后，應(yīng)用于熱風(fēng)爐、加熱爐、燒結(jié)機、發(fā)電等工序，燃燒后排放二氧化硫濃度為100mg/Nm3~200mg/Nm3，高于超低排放標準，需進行脫硫凈化后再排放。隨著國家環(huán)保政策逐步強化，鋼鐵行業(yè)加快推動節(jié)能減排和循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展，采用源頭治理的方式，實施煤氣精脫硫后再送入各使用點，方便集中管理且減輕末端治理負擔(dān)。

高爐煤氣精脫硫技術(shù)尚屬新興技術(shù)，當(dāng)前大多處在理論研究及試驗階段，實際項目應(yīng)用還相對較少。本文基于高爐煤氣的特點，分析探討具有可行性的高爐煤氣精脫硫工藝。

高爐煤氣脫硫的必要性

近年來，國家和地方政府陸續(xù)頒布了多項相關(guān)政策。2019年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《關(guān)于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》中明確指出，“加強源頭控制，高爐煤氣、焦爐煤氣應(yīng)實施精脫硫”；同年，河南省發(fā)改委發(fā)布了《2019年大氣污染防治攻堅戰(zhàn)推進方案》，規(guī)定 “高爐煤氣、焦爐煤氣實施精脫硫改造，煤氣中H2S濃度小于20mg/Nm3”。高爐煤氣精脫硫要求已經(jīng)逐漸開始具體量化?；诔团欧乓竽┒薙O2控制在35mg/Nm3以下，高爐煤氣精脫硫處理勢在必行。精脫硫后可明顯降低對輸送管網(wǎng)的腐蝕，提高煤氣輸送和使用的安全性。同時，源頭精脫硫可解決設(shè)備分散的問題，便于集中管理和節(jié)約成本。

有機硫的轉(zhuǎn)化

傳統(tǒng)煤氣凈化集中于無機硫、粉塵去除，忽略了有機硫的凈化。高爐煤氣中有機硫以COS為主，COS呈中性或弱酸性，化學(xué)性能較為穩(wěn)定，不適于常規(guī)脫硫方式。常規(guī)方法中胺吸收法去除率約為60%，脫硫后廢液難以回收利用，無法滿足高爐煤氣凈化需求。氧化法受限于高爐煤氣中存在的大量還原性可燃氣體，氧化環(huán)境難以控制，不宜大規(guī)模使用。加氫還原法主要應(yīng)用于石化領(lǐng)域，在催化劑作用下通過加氫將COS轉(zhuǎn)化為H2S后進行脫除，其具有轉(zhuǎn)化率高達99.99%的優(yōu)點，但該方法操作壓力在3.5MPa~4.0MPa、反應(yīng)溫度為280℃~400℃，對設(shè)備要求較高。為此，可綜合考慮水解催化法在高爐煤氣精脫硫應(yīng)用方面的可行性。

國外于20世紀50年代開始進行COS水解催化劑的研究。COS水解為堿催化反應(yīng)，其反應(yīng)過程如（1）所示，該反應(yīng)是一級可逆放熱反應(yīng)，低溫條件有利于平衡向右進行，提高轉(zhuǎn)化率。

值得注意的是，煤氣中氯離子（Cl-）具有酸性，會使催化劑表面的酸性位點增加，導(dǎo)致水解催化劑活性下降。因此，建議在水解催化裝置之前設(shè)置固定床預(yù)除氯裝置，保護水解催化劑，延長其使用壽命。

無機硫的吸收

高爐煤氣中需要脫除的H2S，一部分來自煉鐵產(chǎn)生的H2S，一部分來自有機硫水解轉(zhuǎn)化的H2S，總H2S濃度一般在50mg/Nm3~200mg/Nm3。H2S的脫除技術(shù)相對于COS脫除較為成熟，常見的技術(shù)有濕法脫硫、干法脫硫。

濕法脫硫

濕法脫硫工藝屬于成熟技術(shù)，依靠強堿性溶液進行吸收，如氫氧化鈉（NaOH）溶液。脫硫吸收裝置采用空塔噴淋，即在吸收塔內(nèi)堿液與高爐煤氣逆向接觸，反應(yīng)式如（2），可較為徹底地脫除高爐煤氣中的H2S組分。

濕法脫硫系統(tǒng)具有脫硫效率高、系統(tǒng)阻力小、節(jié)約占地面積等優(yōu)點，但也存在以下缺點：一是系統(tǒng)廢液處理難，產(chǎn)生的Na2S等復(fù)鹽難以處理，廢液中回收硫單質(zhì)流程復(fù)雜且成本高；二是反應(yīng)后生成的部分鹽會存在于煤氣中，當(dāng)后續(xù)煤氣管段溫度、壓力降低后鹽類易結(jié)晶，導(dǎo)致管道及閥門等堵塞；三是其會造成煤氣含水率的增加，降低煤氣熱值；四是煤氣中存在大量的CO2氣體，必然造成堿液用量增大，導(dǎo)致運行費用增加。

干法脫硫

干法脫硫依靠固體吸附劑或吸收劑對H2S進行吸附吸收，常用技術(shù)包括氧化鐵脫硫、氧化鋅脫硫、活性炭脫硫等。干法脫硫技術(shù)精度高、操作流程簡單，適用于無機硫濃度較低的精細脫硫項目。

氧化鐵脫硫劑

氧化鐵脫硫劑是使用最為廣泛的金屬氧化物脫硫劑，該脫硫劑原材料成本低、生產(chǎn)流程較為簡單且效率高，具有高穿透硫容和脫硫精度，普遍應(yīng)用于各類工業(yè)氣中H2S的脫除，是一種經(jīng)濟且高效的常溫脫硫劑。

普遍認為煤氣中的H2S首先吸附在鐵基脫硫劑表面，在該液膜表面進行解離，生成H+、SH-、S2-，解離出的SH-、S2-與氧化鐵快速反應(yīng)，生成Fe2S3·H2O。反應(yīng)式如（3）。另外，煤氣中氧含量一般為0~0.8%，當(dāng)煤氣中含有微量氧時，脫硫產(chǎn)物與氧發(fā)生反應(yīng)生成硫單質(zhì)，脫硫劑實現(xiàn)再生。反應(yīng)式如（4）。

目前，可以分析出氧化鐵脫硫劑在常溫下均具有良好的脫硫性能。

氧化鋅脫硫劑

氧化鋅（ZnO）也是研究應(yīng)用較多的金屬氧化物脫硫劑，與H2S反應(yīng)生成十分穩(wěn)定的硫化鋅（ZnS）。其在中高溫度條件下，具有較高的硫容；而在低溫時，脫硫速率遠低于氧化鐵法，硫容偏低。由于煤氣經(jīng)水解裝置后溫度較低，氧化鋅脫硫劑在該條件下硫容偏低，且氧化鋅價格昂貴，脫硫后產(chǎn)物無法再生，因此不適用于高爐煤氣精脫硫。

高爐煤氣精脫硫工藝選擇

通過對高爐煤氣總硫組分及相關(guān)脫除方法的討論分析，考慮到高爐煤氣經(jīng)過除塵、TRT發(fā)電后，系統(tǒng)溫度、壓力分別在20℃~100℃、10kPa~15kPa，滿足水解催化工藝使用條件，因此將水解催化置于TRT之后。同時，為了保護水解催化劑免受氯等酸性組分的影響，選擇在水解催化裝置前設(shè)置預(yù)處理塔，采用固定床結(jié)構(gòu)，填充干式脫氯劑，預(yù)先除去煤氣中無機氯；針對水解后無機硫的吸收，由于濕法脫硫存在廢液難處理等多種弊端，確定選擇干法脫硫，填充硫容高、成本較低的氧化鐵脫硫劑。筆者建議在TRT之后，采用如圖1所示的“預(yù)處理+水解催化法+干法脫硫”的高爐煤氣精脫硫工藝路線。