2025冶金科学技术奖简介 | 高炉煤气多污染物深度净化及硫资源化技术开发与应用

高炉煤气作为炼铁过程中产生的副产品，具有气量大、终端用户多、治理难度大、无机硫（H2S）、有机硫（COS）、HCl等污染性气体含量高、固体粉尘含量大、受高炉生产工况影响波动大等特点，这也是高炉煤气源头脱氯、脱硫净化技术难点。高炉煤气脱氯工艺可以从源头上处理煤气中的氯离子，解决煤气管道和设备腐蚀问题，也是当前性价比最高的煤气管道防腐解决方案。

高炉煤气末端用户多（排放点多）、烟气排放量大、SO排放浓度无法满足超低排放要求，若采用末端烟气治理，存在治理点位多、占地面积大、运行成本高、设备腐蚀风险及管理与维护难度增加等诸多弊端，给企业的安全生产带来重大隐患。如何实现高炉煤气前端脱氯、脱硫治理，已成为现阶段钢铁行业减污降碳的重要攻关方向。

1.高炉煤气中氯、硫元素的来源及迁移规律

1.1高炉煤气中氯元素的来源及迁移规律

由于我国炼铁的主要原料铁矿石严重依赖进口，而进口铁矿石的氯离子含量较高，导致高炉煤气中HCl含量高，高炉煤气管网经常出现管道腐蚀问题，从而导致高炉煤气泄露，同时在TRT发电机组叶轮产生积盐现象。在高炉冶炼过程中，各种原料、熔剂、燃料都将微量氯元素带入高炉。高炉炉内物料由上至下，煤气由下至上上升，烧结矿、块矿、焦炭及各种添加剂中的氯元素以NaCl、KCl、CaCl等形式存在，在高温还原气氛下发生一系列反应，最终以HCl的形式进入到炉顶煤气中。首钢股份2号高炉冶炼中氯元素的来源及迁移分布见图1。

1.2高炉煤气中硫元素的来源及迁移规律

高炉硫元素主要来源于焦炭、煤粉及含铁原料等，目前国内典型高炉硫元素负荷为4kg/t左右。首钢股份2号高炉硫元素的来源与迁移分布见图2。

对首钢股份2号高炉（2650m）一天的入炉原燃料及产品、副产品进行取样检测分析。具体检测结果如下：入炉原燃料硫含量主要集中在焦炭和煤粉，约占入炉总硫含量的90%。产品、副产品硫含量主要集中在铁水和炉渣，约占出炉总硫含量的95%，进入煤气中的硫含量占比约6.52%。

高炉煤气中的硫化物既有无机硫（H2S），也包含有机硫，其中有机硫主要有 COS、CS、硫醇、硫醚、噻吩。高炉煤气的总含硫量约60-150mg/m之间，其中有机硫组分主要为COS，有机硫占比在60%-80%之间；无机硫（HS）占比在 20%-40%之间。首钢股份3座高炉煤气硫含量的检测数据详见表3。

2.高炉煤气脱氯、脱硫工艺技术研究

通过分析高炉煤气系统从高炉炉顶至各用户点之间的煤气组分、工况条件、末端排放要求等因素，提出了高炉煤气多污染物深度净化及硫资源化工艺。

从工艺、材料、装备及相关配套控制技术等方面开展研究攻关。首次提出高炉煤气布袋除尘前干法脱氯+TRT前COS水解+TRT后HS脱除+硫资源化转化技术组合方案，如图3所示。该方案中干法脱除HCl，消除了影响水解剂寿命的重要因子，实现了对荒煤气之后所有设备及管道的保护；TRT前COS水解+TRT后H2S脱除+硫资源化转化技术实现了高炉煤气硫污染物的净化和转化提取，副产品硫磺可实现资源化利用。

2.1高炉煤气脱氯技术研究

高炉煤气脱氯是高炉煤气精脱硫工艺至关重要的第一步，直接决定了整个工艺能否长周期有效稳定运行。目前，干法脱氯剂基本以颗粒为主，包括球形、条形、圆柱形等，主要应用在固定床脱氯。而固定床脱氯剂受限于氯容，会导致出现反应器占地面积大、压降高、废剂难以处理等弊端。针对高炉煤气含氯特点，结合水解工艺取点位置，认为高炉煤气脱氯适宜位置应放置在高炉煤气布袋除尘器之前，宜采用干法粉末脱氯剂进行脱氯。因此，要求脱氯剂具有高活性、高精度、宽温域等特点。

2.1.1脱氯剂研究

热力学计算结果表明：常温至200℃条件下，CuO、CaO、Ca(OH)CaCONaHCO3、NaCO均能够与气态HCl反应。通过热力学计算，选用一定粒径、相同质量上述常见氧化物及其盐作为脱氯剂原材料，在实验室条件下采用固定床反应器，测定脱氯性能。

实验室条件下，NaHCO脱氯剂的反应活性优于其他几种脱氯剂。在脱氯剂的性能选择上应首先考虑脱氯剂在工况下的反应活性。因此，选择NaHCO脱氯剂作为脱氯剂的主要活性组分。

2.1.2脱氯系统工艺流程研究

综合传统固定床、酸碱中和、冷凝除湿等已有技术优点，重塑脱氯机制，采用改性适用于高炉煤气气氛下的专用脱氯剂，在重力除尘器与高炉煤气布袋除尘器之间增加脱氯喷吹系统，以简洁的工艺流程和简便的操作，实现高炉煤气高效脱氯。

2.2高炉煤气脱硫技术研究

2.2.1羰基硫（COS）水解工艺技术研究

羰基硫（COS）呈中性或弱酸性，化学性能比较稳定，难以用常规的脱硫方法脱除。在化学吸收中的反应性差，甚至使吸收液降解；由于平衡等因素的限制，在物理吸收中羰基硫与CO的溶解度接近，从而会造成选择性分离困难。为了精脱羰基硫（COS）并节省能耗和投资，国内外多采用羰基硫水解工艺。

高炉煤气中S、水蒸气、COCl-、HCN、SO、粉尘等都会造成COS水解催化剂的失活，如高炉煤气中的粉尘会堵塞催化剂的微孔，从而影响催化剂的表面利用率；ClHCN、SO等酸性成分会与催化剂的碱性中心反应，降低催化剂表面碱性中心的强度和数量。

2.2.2脱硫催化剂技术研究

脱硫催化剂的选择要求吸收反应速度快、脱硫精度高；操作温度范围大，抗灰尘、油类能力强；能有效控制脱硫过程中的副反应，维持副盐的平衡，无需排液

高硫容抑盐催化剂是多金属催化活性中心，其催化剂产品为单一固体产品，运输、添加方便。更换时一次性用量少，日消耗量低，催化剂易溶于脱硫液中。而且，高硫容抑盐催化剂的抑盐效果是同时抑制硫代硫酸盐和硫酸盐的生成，抑制硫代硫酸盐的同时也确保硫酸盐含量稳定，不会将硫代硫酸盐过度氧化为硫酸盐，确保硫代硫酸盐和硫酸盐含量不再生长，两盐同控。

2.3脱氯脱硫装备研究

针对高炉煤气在TRT前后的压力、温度、场地等多因素约束条件，研究开发脱氯剂喷吹装备、水解装备、脱硫装备等。

2.3.1 高精度脱氯喷吹装置

脱氯剂喷吹装置为正压气力输送系统，以压缩氮气为动力，将脱氯剂从重力除尘器与布袋除尘器之间的荒煤气管道喷入，在高温、强湍流的作用下，脱氯剂迅速与煤气充分混合，与煤气中HCl快速反应，生成副产物随煤气进入布袋除尘器，被布袋捕集，与除尘灰一并外排。其工艺流程见图4。

2.3.2 轴向多单元水解反应装置

高炉煤气流量大，水解剂对于运行空速及床层线速度有一定要求，如采用单一反应装置，装置较为庞大、运行灵活性较差。如何降低水解系统阻力损失、提高流场的均匀性成为研究重点。通过多模型建立，宜采用多反应器并列运行，见图5。为将床层压降控制在一定范围内，水解反应器采用多单元结构，通过垂直多单元布置，降低压降的同时，进一步减小装置占地面积。

2.3.3 脱硫再生一体化装置

高炉煤气量较大，传统填料塔的结构填料支撑梁等占用塔内空间较大，脱硫塔总高度较高，投资大。根据工程经验，脱硫塔直径超过10m后，脱硫液的壁流效应导致的脱硫液在填料中的均布问题将成为影响脱硫塔脱硫效率的主要制约因素。针对此种情况，开发了脱硫再生一体塔。脱硫再生一体塔是一种将吸收塔、再生槽和富液槽叠合在一起的复合塔。

该型脱硫塔从上到下，由再生段、吸收段和富液段三个部分组成，见图6。其中再生段通过封头与吸收段隔离，即再生段实际上是叠放在吸收段外部上方；富液段通过内置液封与吸收段有效分隔。三个部分在空间上相互独立，保证了设备的安全性；液相从上向下，气相从下向上，符合介质流动特性，有利于减少能耗。

3.生产实践与应用

首台套示范工程在首钢股份2号高炉建成投运，实现了规模化全气量、全工况、全时段、无废物生产应用，脱氯后氯含量小于10mg/Nm，有机硫转化率超过90%，HS脱除效果稳定在10mg/Nm以下，高炉煤气总硫含量在15mg/Nm以下，高炉煤气中硫元素以单质硫形式被高效回收，实现了硫资源化回收利用。

4.结语

本研究开发的高炉煤气脱氯、脱硫技术属于煤气污染物源头治理技术，能够完全取代部分高炉煤气喷碱脱氯及末端烟气脱硫，实现超低排放要求，避免了高炉煤气下游用户点多、分散广，需要配备多套烟气脱硫设施问题。与末端烟气脱硫技术相比，本研究开发的高炉煤气脱氯、脱硫技术具有一次性投资少、运行成本低、工程占地小等优点，并且实现了硫资源化回收利用，为钢铁行业绿色可持续发展提供了有力的技术支撑。

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