鋼廠PM2.5的捕集與袋式除塵技術

徐天平，王永忠，肖衛芳，馬利剛

（1.科林環保裝備股份有限公司，江蘇 蘇州 215021；

2,河北鋼鐵股份有限公司邯鋼分公司，河北 邯鄲 056015）

引言

大氣中的顆粒物主要類型是粉塵、煙塵、霧，是一種較為復雜的多分散混合物。國標（GB3095-2012）對PM2.5的定義是：指環境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5μm的顆粒物，也稱細顆粒物。

通常將顆粒分為一次顆粒（一次PM）和二次顆粒（二次PM）。直接以固態形式排出的一次顆粒如果不加以有效捕集和過濾凈化，排入大氣后在光化學反應作用下將會生成更具危害的二次顆粒。

自2011年10月北京爆發“PM2.5監測風波”以來，霧霾天氣和PM2.5開始被社會所關注。2013年伊始，我國華北和華東地區罕見出現污染之大、范圍之廣、持續時間之長的霧霾天氣。霧霾對人體健康和交通安全等構成了嚴重的危害，鋼鐵業和其他污染大戶已面臨著空前的環保壓力。

雖然，鋼鐵業積極推行節能減排并強化環境管理和污染治理，噸鋼煙粉塵排放量由2001年的4.59kg降至2011年的1.1kg，但與蒂森鋼鐵公司2009年的噸鋼煙粉塵排放量0.42kg相差甚遠，加上鋼鐵產能增加，環保投入少、煙粉塵捕集和過濾技術落后，時有廠房冒煙和煙囪超標排放現象發生，導致煙粉塵排放總量上升，霧霾天氣持續出現。

要想治理鋼廠PM2.5排放，一是要開發創新廠房三次除塵綜合治理技術，以有效捕集PM2.5顆粒，杜絕廠房煙氣外逸；二是強化袋式除塵設計和加工制造技術，開發除塵器高效柔性清灰、進風氣流分布、袋籠和濾袋加工、花板設計加工、卸灰防堵、二次揚塵控制等技術以及濾料的合理選用，使煙囪排放的細顆粒物濃度控制在10mg/Nm3以下，以滿足國家新制定的《環境空氣質量標準》（GB 3095-2012）。

1 鋼廠的主要污染源

現代鋼鐵企業的生產體系可分為采礦、選礦、冶煉和精制等幾大部分。鋼鐵聯合企業生產工藝流程如圖1所示。燒結、煉鐵和煉鋼生產過程是大氣污染物的主要來源，煙氣中含有大量的粉塵和一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫及少量硫化氫、焦油物質、氧化氮等。例如，1個年產100萬t鋼的企業，僅在煉鋼、煉鐵、燒結三個生產過程中，每年約產生180億m3煙氣和7萬t粉塵。粉塵來源和噸鋼粉塵發生量見表1。

圖1 鋼鐵聯合企業的設備配置

表1 鋼廠粉塵來源和發生量

2 PM2.5捕集技術

2.1 傳統除塵技術導致廠房冒煙

國內眾多鋼廠除塵和運行維護投入始終跟不上鋼鐵產能的擴展，采用的除塵技術和裝備水平也相對落后，爐窯類一次和二次除塵系統能力有限。當轉爐、電爐等在加料兌鐵或出鋼時，所產生的陣發性煙氣導致車間環境的嚴重污染和廠房冒煙（如圖2、圖3）。

圖2 轉爐兌鐵時的車間環境

圖3 廠房冒煙

造成廠房冒煙現象的因素還有：目前煉鋼采用大量經壓縮打捆、打包的廢鋼，這些廢鋼中含有的大部分可燃物的以碳氫化合物的形式存在，如油漆、塑料、油脂等，也有電鍍、鍍錫的金屬件。這些可燃物在燃燒時吸入周邊空氣，在轉爐、電爐兌鐵加料期間連續產生可燃氣體、一旦離開爐子后便與環境空氣接觸、在爐口上方引起燃燒，使化學能轉變成熱能，煙氣溫度迅速上升、增加了總的煙氣發生量，而此時除塵系統的能力不能滿足瞬間的煙氣捕集要求，導致車間環境污染和廠房冒煙。

2.2 廠房三次除塵杜絕PM2.5外逸

通常煙氣中的較大顆粒經車間大空間后得到沉降，能通過廠房外逸的一次顆粒絕大多數為細顆粒物PM2.5。典型的電爐煙塵在廠房頂處的平均顆粒粒徑見表2。

表2 電爐煙塵在廠房頂處的平均顆粒粒徑

開發廠房三次除塵技術（見圖4）：1）對有污染源的廠房進行封閉，改變原有鋼廠靠氣樓自然通風的設計模式，防止PM2.5從廠房屋頂外逸；2）設置廠房三次除塵裝置，以有效捕集PM2.5；3）三次除塵裝置可進行除塵抽氣和機械排風的切換，以達到鋼廠熱車間的通風換氣目的。

圖4 廠房三次除塵裝置

廠房三次除塵技術最早應用在寶鋼集團轉爐項目上，如今已有10多套轉爐采用了這一環保新技術。

3 袋式除塵器治理PM2.5

鋼鐵行業需要淘汰落后的小爐窯，除塵系統將隨爐窯向規模化、大型化發展。

袋式除塵器是治理PM2.5細顆粒物排放的最常用、最可靠、最有效的除塵設備。除采用先進除塵工藝技術外，更應突破傳統袋式除塵技術，重視除塵設備的加工制造水平和濾料的正確選用，注重除塵器的高效柔性清灰、花板設計、袋籠和濾袋加工，卸灰防堵、二次揚塵控制等技術的開發。

（1）固定管脈沖噴吹

治理PM2.5的袋式除塵器型式主要以固定管脈沖噴吹（行噴吹）袋除塵器為主，回轉管脈沖噴吹袋除塵器相對較少。固定管脈沖噴吹具有脈沖閥啟閉速度快、自身阻力低、有效流通截面積大、均流噴吹管噴吹效果更均勻、氣流分布更合理、清灰效果好、無轉動機構、沒有機械故障等優點。

固定管脈沖噴吹袋除塵器見圖5，回轉管脈沖噴吹袋除塵器見圖6。

圖5 固定管脈沖噴吹袋除塵器

圖6 回轉管脈沖噴吹袋除塵器

（2）高效柔性清灰

除塵器過濾效率與濾袋外表面附著的一層粉塵層密切相關，除塵器利用濾袋外表面附著的一層粉塵層對粉塵進行高效過濾。剛投入使用的新濾料其過濾效率相對來說是較低的，隨著積聚在濾袋上的粉塵層增厚，除塵效率逐步上升，濾袋阻力也隨之上升。以前通常采用強力噴吹或增加清灰頻率，以滿足濾袋阻力小的要求，但強力噴吹或過多清灰則會造成濾料使用壽命縮短并會使濾料外表面附著的粉塵層被破壞。

要控制爐窯類的PM2.5，不宜采用強力噴吹或過多清灰方式，應開發一種清灰力度適中、柔和、噴吹氣流分布均勻，濾袋阻力適中的高效柔性清灰技術。

（3）優化除塵器進風形式、降低結構阻力和設備漏風率

目前使用的除塵器進風形式有：下進風（灰斗進風）、側面進風、中間進風等形式。但會出現以下問題：各倉室進風量分配不均，局部進風管道風速過低時，易造成積灰堵塞；局部風速過高時，阻力上升，造成風速過高氣流對濾袋沖刷磨損，而且風速過高還會導致灰斗內產生渦流，導致粉塵二次飛揚。

研發除塵器結構形式和進風氣流分布技術，采用弗洛恩特（Fluent）軟件輔導設計，可消除上述缺陷，延長濾袋壽命并降低結構阻力，從而使導流設計更為科學合理。

另外，除塵器整體加工制作裝備水平和施工安裝質量的優劣，決定了設備漏風率的大小。過去，除塵器花板和濾袋的加工制作未引起足夠的重視，細小的制作誤差會導致PM2.5從灰倉進入上箱體。因此，提高除塵器整體包括花板、袋籠和濾袋的加工制作裝備能力和水平，是降低設備漏風并控制PM2.5排放的重要保證。

（4）濾料

濾料的研發和合理選用至關重要，應滿足鋼廠工藝生產工況下的不同氣體參數的使用要求，選用性能優、穩定性好的水刺氈濾料、新型涂層濾料、覆膜濾料、水刺氈+覆膜濾料，以有效控制PM2.5排放。

圖7為水刺PPS氈，水刺濾料表面無須經過燒毛，孔徑小、分布均勻，非常利于過濾細顆粒粉塵， 后處理應用PTFE納米涂層技術。圖8為針刺PPS氈，針刺表面孔徑大，需要經過燒毛處理，空隙易被燒毛處理后堵塞。

圖7 水刺PPS氈

圖8 針刺PPS氈

（5）設置電凝聚器

根據鋼廠爐窯氣體的特性，研究PM2.5靜電凝聚機理，有針對性地選擇現有規模不大的袋式除塵系統，在與之匹配的袋式除塵器入口管道處設置電凝聚器進行預荷電中試，在此成果上加以提高并推廣應用。

4 結語

我國鋼鐵工業的規模發展已占世界鋼產量的40%以上。眾所周知，鋼鐵工業以其生產規模大，資源、能源消耗多等特點，一直被公認為是大氣污染物排放量最大的行業之一。而與其配套的環保設施的投入卻嚴重滯后，特別是在環保裝備水平和環保治理深度上與國外先進企業相比差距較大。面對著全民關注的PM2.5排放問題，鋼廠煙囪林立，煙塵排放密集，即使滿足了20mg/Nm3的排放要求，也不意味著能符合《環境空氣質量標準》。承擔全面提升PM2.5捕集和過濾效率的袋式除塵唯有及早瞄準10mg/Nm3的排放目標，才能還鋼廠周邊地區一個蔚藍的天空。■