钢铁生产过程的硫素流分析及软锰矿、菱锰矿烟气脱硫技术研究

论文摘要

钢铁工业的烧结烟气和自备电厂的燃煤锅炉烟气是钢铁企业生产过程中SO2排放的主要来源,控制烧结工序和自备电厂的S02排放是我国钢铁企业控制污染的重点。电厂燃煤锅炉的S02排放控制措施和脱硫技术,国内外研究很多,有十几种脱硫技术（如石灰石—石膏法、活性炭法等）已得到商业化应用。国外钢铁联合企业烧结工序是通过源头控制原燃料的硫含量和末端烟气脱硫两个途径来控制S02的排放；国内烧结工序S02污染控制技术的研究和应用基本上还处于起步阶段。所以,选择投资少、运行成本低和资源化技术的烧结烟气脱硫工艺,是当前钢铁企业实现清洁生产亟待解决的问题。为此,本文在对国内外钢铁工业S02控制技术充分调研的基础上,对钢铁生产过程的硫素流进行了分析,揭示了烧结工序是S02排放的主要环节；提出了利用软锰矿吸收烧结烟气中的S02,菱锰矿作为添加剂调节矿浆pH值的新技术。该技术是将MnSO4的生产与S02烟气的治理结合起来,既能实现S02的无害化、减量化和资源化,又为贫锰矿资源的利用开拓了市场。论文主要研究内容如下：以工业代谢理论为基础,应用物质流分析方法,构建了硫素流分析模型,对钢铁企业内部的硫元素进行了工业代谢分析,为钢铁企业进行硫素流分析和合理治理SO2污染提供了分析方法和理论依据。以某钢铁联合企业为例,对生产流程及其重点工序的硫素流代谢过程、SO2生成及排放等问题进行了分析；编制了钢铁企业硫元素收支平衡表,绘制了钢铁生产硫素流图,理清了输入、输出的各股硫素流的来龙去脉。硫素流分析结果表明：生产主要工序的S02吨钢排放量为1.30kg/t钢,主要来源于烧结工序,生产每吨钢烧结工序SO2排放量是1.15kg/t钢。在我国废钢资源受限制和燃料质量下降的情况下,对烧结工序进行烟气脱硫,降低钢铁工业SO2的排放,是完全有必要的。对软锰矿烟气脱硫过程的热力学和反应机理进行了分析研究。确定了脱硫体系中存在两种脱硫途径：途径一是Mn02与S02直接发生氧化还原反应生成MnSO4,反应式为：MnO2+SO2=MnSO4,是脱硫体系的主要反应；途径二是S02被氧化成S03后,与H20生成H2SO4,反应式为：S02+1/2O2+H2O=H2SO4,是脱硫体系的副反应。副反应的存在尽管对脱硫能够起到一定的作用,但生成的H2SO4降低了脱硫体系的pH值,使S02在水中的溶解度下降,阻碍了S02向液相的传质,从而影响了软锰矿脱硫主反应的正常进行,最终脱硫率下降。在实验室对软锰矿烟气脱硫工艺进行了研究。对影响脱硫体系的吸收温度、液固比、锰矿粒度、烟气中的SO2含量等工艺条件进行考察,分析其对脱硫和浸锰过程的影响；对软锰矿烟气脱硫体系中加入添加剂菱锰矿调节矿浆pH值后的脱硫、浸锰效果进行了研究,确定添加剂菱锰矿的适宜比例。工艺影响实验研究结果表明：软锰矿、菱锰矿烟气脱硫较优工艺参数为：温度40-C、液固比5：1、锰矿平均粒径0.075mm、菱锰矿添加比例为20%,在此条件下进行连续实验操作时,可同时获得大于90%的脱硫率和80%的锰浸出率效果。实验室研究为该工艺的中试提供了技术支撑。对软锰矿、菱锰矿烟气脱硫副产品硫酸锰的进行了深度开发,对Fe3+、A13+的净化采用氨水中和法,重金属离子净化提出了用锰粉置换的新工艺,CaSO4、MgSO4等水的不溶物杂质采用静置的方法净化。通过对浸出液的净化,使其中铁和铝、重金属、水的不溶物等杂质含量达到痕量级。为进一步验证软锰矿、菱锰矿对烧结烟气脱硫的实验研究结果,加快其工业应用步伐,进行了中试研究。并对脱硫过程的环境影响、社会经济效益进行了分析。中试结果表明：整套脱硫设备连续运行稳定,中试工艺流程合理；脱硫率可长时间维持在92%以上,锰的最终浸出率在80%以上,硫酸锰产品可达到肥料级和饲料级添加剂标准（GB1622-86、GB5253—87）。软锰矿、菱锰矿烟气脱硫技术是一种符合我国国情,能够大力推广的循环经济烟气脱硫模式,对我国烧结烟气和燃煤锅炉烟气SO2的污染治理有重要的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 文献综述
• 2排放现状及控制措施'>1.1 我国SO₂排放现状及控制措施
• 2排放现状及危害'>1.1.1 我国SO₂排放现状及危害
• 2排放现状'>1.1.1.1 我国SO₂排放现状
• 2排放现状'>1.1.1.2 中国钢铁工业的发展及SO₂排放现状
• 2危害'>1.1.1.3 SO₂危害
• 2控制途径'>1.1.2 SO₂控制途径
• 2烟气脱硫技术现状及发展趋势'>1.2 SO₂烟气脱硫技术现状及发展趋势
• 2烟气脱硫技术现状'>1.2.1 燃煤SO₂烟气脱硫技术现状
• 1.2.2 钢铁工业烟气脱硫技术现状
• 1.2.3 我国烟气脱硫存在问题及发展趋势
• 1.2.3.1 存在问题
• 1.2.3.2 发展趋势
• 1.3 软锰矿烟气脱硫技术
• 1.3.1 软锰矿的利用现状
• 1.3.2 国外软锰矿烟气脱硫研究现状
• 1.3.3 国内软锰矿烟气脱硫研究现状
• 1.3.4 软锰矿、菱锰矿烟气脱硫技术
• 1.4 论文的创新和主要研究内容
• 第2章 钢铁生产过程的硫素流分析
• 2.1 物质流分析方法
• 2.2 硫素流分析基本原理及方法
• 2.2.1 研究范围界定及其本原理
• 2.2.2 硫素流分析方法
• 2.3 钢铁生产流程的硫素流分析
• 2.3.1 工序硫元素代谢机理分析
• 2.3.2 实际钢铁生产流程的硫素流分析
• 2生成及排放'>2.4 钢铁生产流程的SO₂生成及排放
• 2生成量的影响因素分析'>2.4.1. 吨钢SO₂生成量的影响因素分析
• 2排放分析'>2.4.2 SO₂排放分析
• 2的排放分析'>2.4.2.1 吨钢SO₂的排放分析
• 2排放要求'>2.4.2.2 相关政策法规对烧结SO₂排放要求
• 2的生成及烟气特点分析'>2.4.3 烧结过程中SO₂的生成及烟气特点分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 软锰矿烟气脱硫反应机理分析及研究
• 3.1 软锰矿烟气脱硫反应热力学研究
• 2—H₂O和Mn—H₂O体系性质'>3.1.1 SO₂—H₂O和Mn—H₂O体系性质
• 2和SO₂反应热力学研究'>3.1.2 MnO₂和SO₂反应热力学研究
• 3.2 软锰矿烟气脱硫反应机理研究
• 2脱硫途径研究'>3.2.1 软锰矿体系与SO₂脱硫途径研究
• 3.2.2 软锰矿烟气脱硫反应机理分析
• 3.3 软锰矿烟气脱硫反应过程分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 软锰矿、菱锰矿烟气脱硫工艺研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验原料
• 4.1.2 实验装置和流程
• 4.1.3 分析计算方法
• 4.2 实验结果与分析
• 4.2.1 软锰矿脱硫产物
• 4.2.2 软锰矿脱硫工艺研究
• 4.2.2.1 单因素实验
• 4.2.2.2 正交实验
• 4.2.3 软锰矿、菱锰矿脱硫工艺研究
• 4.2.3.1 菱锰矿的作用
• 4.2.3.2 添加菱锰矿对脱硫工艺的影响研究
• 4.3 本章小结
• 第5章 软锰矿、菱锰矿脱硫浸出液的净化试验
• 5.1 净化工艺流程
• 5.2 实验结果与分析
• 3+、Al³⁺的净化'>5.2.1 Fe³⁺、Al³⁺的净化
• 5.2.2 重金属离子的净化
• 5.2.2.1 传统重金属离子的净化方法
• 5.2.2.2 锰粉置换法去除重金属实验研究
• 4、CaSO₄等水的不溶物的净化'>5.2.3 MgSO₄、CaSO₄等水的不溶物的净化
• 5.2.4 结晶、分离和烘干
• 5.3 产品分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 软锰矿、菱锰矿烟气脱硫中试研究
• 6.1 中试试验技术方案
• 6.1.1 试验目的与试验条件
• 6.1.2 中试工艺流程
• 6.2 中试工艺设计及主要装置设备
• 6.2.1 中式工艺设计参数
• 6.2.2 中试工艺设计计算
• 6.2.2.1 物料衡算
• 6.2.2.2 主要设备设计计算
• 6.2.3 中试主要设备装置
• 6.3 中试试验结果与分析
• 6.3.1 中试工艺条件的影响研究
• 6.3.2 最佳工艺条件下连续运行试验
• 6.4 利用软锰矿、菱锰矿烟气脱硫过程的环境影响分析
• 6.5 利用软锰矿、菱锰矿烟气脱硫的效益分析及前景预测
• 6.5.1 社会经济效益分析
• 6.5.2 技术前景分析
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论
• 附表
• 附表1 2005年某钢铁公司实际生产数据
• 附表2 2005年某钢铁公司产品产量和钢比系数
• 附录 2005年某钢铁公司工序硫元素代谢计算
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间参加的科研与发表的论文