高爐出鐵場除塵方案研究

陶鋒勇，石 峻

（合肥水泥研究設計院，合肥 230051）

1 概述

在鋼鐵工業中，煉鐵是一個最基本的生產工藝過程，其主體設備為高爐；高爐冶煉是還原過程，將氧化鐵還原成含有碳硅錳硫磷等雜質的生鐵，為煉鋼廠提供煉鋼生鐵和合金生鐵，也為機械制造廠提供鑄造生鐵。其主體設備結構簡圖如下圖所示。

高爐結構圖

由上圖可知，高爐生產過程中的煙氣污染主要來自于高爐煤氣及出鐵口后對應的出鐵場部分，而其中出鐵場的粉塵污染主要是高爐在開爐、堵鐵口及出鐵的過程中產生的大量煙塵，其揚塵點主要分布在出鐵口、出渣口、撇渣器、鐵溝、渣溝、鐵水罐、擺動流嘴等處。

出鐵場不僅煙氣量大，崗位含塵濃度高（每噸鐵水產生2.5kg煙塵，操作區含塵濃度高達2～3g/Nm3），且塵粒細，使煙塵處于擴散狀態；加上出鐵場出鐵次數多、時間長，使出鐵場大面積受到煙塵、輻射熱及CO、SO2等有害氣體的嚴重污染，因而生產條件惡劣，對工人的身體健康影響嚴重，同時大量微細煙塵在大氣中擴散，又造成廠區環境嚴重污染。因此，對于出鐵場的煙塵問題，在當前環保要求日趨嚴格的形勢下，必須引起足夠的重視，并采取有效措施進行治理。

以西昌新鋼業有限責任公司的煙塵治理為例。該企業380m3高爐出鐵場的揚塵點主要為出鐵口附近及鐵水罐兩處。粉塵采用集中收塵，在各揚塵點設置集塵罩，然后通過非標支管匯集到收塵設備集中處理。另考慮到周邊其它相關設備的參數（高爐鼓風機Q = 1850m3/min，P=0.31MPa；鐵水罐Φ=3240mm；行車高7m），可初步計算得出該高爐出鐵場的綜合處理風量約在46萬m3/h（其具體風量必須依據具體參數及現場設備布置確定系統捕集風速來計算得出）。

2 治理標準及原則

2.1 采用的標準

粉塵排放按照《工業爐窯大氣污染物排放標準》（GB 9078-1996）實施。

2.2 治理原則

（1）選用的除塵器必須能保證可靠運行，因此要選用有技術保證及合理設計，并有良好售前售后服務的正規廠家的產品。（2）除塵工藝設計中盡量選用技術先進、成熟可靠的高效除塵技術，以保證達標排放并且滿足勞動衛生要求。（3）設備所選用的零部件必須性能穩定、運行可靠，隨主機運轉率達100%，將設備維修工作量降至最低，并做到可不停機檢修。（4）高效除塵技術可使用一級除塵系統，以簡化工藝流程、減少漏風、降低系統阻力，從而降低投資及運行費用，保證系統可靠長期運行。（5）沒有二次污染，回收的粉塵易于利用。

3 出鐵場煙氣粉塵的性質及治理方法

3.1 出鐵場煙氣的形成

在出鐵的中間過程中，出鐵口產生的煙塵較少，而鐵水溝產生的煙塵量較大；出鐵場在剛開鐵口時和出鐵快結束時，由于爐內壓力的作用，出鐵口位置的前方會產生大量煙塵四處飛濺，流速高，擴散面積大，捕集困難，污染極為嚴重。出鐵的過程中，鐵水罐位的煙塵主要是由于流嘴和鐵水罐存在落差，導致鐵水剛落入鐵水罐的瞬間產生大量煙塵，隨著落差逐漸減小，產生的煙氣也逐漸減少，由于煙氣沒有壓力作用，所以流動較為穩定，在鐵水罐的上方采用吸風罩即可收到較好的收塵效果。

3.2 出鐵場煙氣粉塵的性質

治理出鐵場煙氣選擇除塵器時，要考慮除塵器對運行工況條件的適應性，而煙氣與粉塵的物理、化學性質是關鍵參數，高爐出鐵場煙氣、粉塵有關參數見表1、表2、表3。

表1 煙塵粒徑百分含量

表2 煙塵化學成分及含量

表3 煙氣成分含量

3.3 出鐵場煙氣粉塵治理方法

出鐵場除塵一般采用兩個系統，即一次除塵系統和二次除塵系統。所謂一次除塵系統就是將鐵水溝、鐵水罐等處用密封罩罩起來，在罩子的適當部位設置除塵吸風口進行抽風除塵。但是在開鐵口和出鐵過程中仍會有大量煙氣溢出，鐵口處所設的除塵系統稱為二次除塵系統。二次除塵系統一般有4種：1）自然抽風氣簾式，即將整個房頂看成是一個通風罩，在房子周圍設有通風氣簾抽風除塵；2）防塵垂幕式，即由活動垂幕組成的抽風通道將粉塵抽走；3）各產塵點分散設置密封罩統一抽風除塵；4）天車通過式，在出鐵時利用煙氣本身的熱力采用天車移動式集煙罩捕集煙塵而達到抽風除塵的效果。目前在較小的高爐出鐵場除塵設計中，多為采用第3種方式（即分散捕集、統一抽風的除塵方式），具體方法是在每個鐵水罐位設計一個吸風罩（管道采用切換閥門，交替使用），在出鐵口和鐵水溝的上方設計一個較大的密封罩（具體尺寸依照現場情況確定）。

3.4 出鐵場密封罩的技術要求

塵源密封是一種防止操作人員與粉塵接觸的隔離措施，并能緩沖氣流的運動、消耗粉塵飛揚的能量、減少粉塵的外逸，為除塵創造良好的條件。除塵的效果取決于揚塵點的密封程度。密封罩的設計應滿足以下要求：

（1）密封罩應力求嚴密、盡量減少罩上的孔洞和縫隙。

（2）密封罩的布置應不影響操作和檢修。根據生產要求，設置必要的進出門和觀察孔，門、孔應關閉靈活，密封罩應便于拆卸安裝或移動。

（3）密封罩的設計須考慮到熱輻射對罩子的影響及熱應力的消除和對活動部件的影響。

（4）密封罩的設計應注意罩內的氣流運動特點。要選擇合理的密封罩的形式和排風點的位置，以使罩內氣流保持負壓。密封罩內應有一定的空間，以緩沖氣流、減少正壓。進出門的位置選擇，應避開氣流速度較高的地點且能方便操作工人進出罩內。

4 出鐵場除塵方式簡介及分析

高爐出鐵場的粉塵分析表明，出鐵場粉塵多為微細粉塵，其中粒徑≤10μm的粉塵占50%～60%，因此采用重力、慣性和離心力之類的除塵器，顯然不適宜。濕式除塵器由于難以收集≤1μm的粉塵，又易造成二次污染，因此高爐出鐵場的煙氣凈化主要采用袋式除塵器和電除塵器。

4.1 靜電除塵器

20世紀70年代末，德國、前蘇聯、日本開始將電除塵器用于出鐵場除塵，20世紀80年代中期，我國冶金界從事通風除塵的工程技術人員對高爐出鐵場電除塵器也進行了深入研究，并于80年代末期首次在武鋼5#高爐出鐵場除塵系統中采用了三電場除塵器，之后又在武鋼3#高爐出鐵場除塵系統中采用了三電場除塵器。實際運行和實測結果表明，這兩臺電除塵器的除塵效果均＞98%，煙塵排放濃度＜50mg/m3。

高爐出鐵場除塵采用兩電場電除塵器是可行的。一般情況下，粉塵從荷電到附著電極需要0.5～2s，煙氣在電除塵器的停留時間大都在6～10s就能取得好的收塵效果。出鐵場除塵電場的風速一般取1～1.1m/s，按煙氣在電除塵器停留時間為8s計算，則電場總長度要求8m，根據我國的實際情況，單電場長度為3～4.5m，因此電除塵器只需設計為兩電場，就能取得好的收塵效果。理論和實踐證明兩電場除塵效率＞95%，排放濃度＜100mg/Nm3。

綜合上述理論分析和多年的實踐結果，高爐出鐵場電除塵器采用兩電場和三電場都是可行的，選型應視除塵效率、排放標準的要求而定。除此之外，在處理相同煙氣量的條件下，兩電場電除塵器在經濟指標上顯然優于三電場電除塵器，不僅設備投資減少，運行成本也相對減少。

4.2 袋式除塵器

目前，國內鋼鐵企業高爐出鐵場的除塵設備多采用電除塵和袋式除塵，但袋除塵應用比例正在加大，特別是以長袋脈沖除塵器為代表的新除塵技術正在迅速推廣，這種形式的出現有其歷史背景，也取決于當前的技術進步。

（1）隨著環保要求不斷提高，電除塵很難在不同的工況條件下長期保持排放濃度小于50mg/m3。

（2）十余年前，我國的袋除塵技術還比較落后，除塵器阻力高、性能質量差，不能保持長期可靠運行，且維護工作量大，用戶不愿使用。相對而言，電除塵器的可靠性較好，排放濃度基本上能保持在200mg/m3以下，所以用戶喜歡用。但現在這種格局正在發生變化，十年來，我國的袋除塵在結構型式、技術性能、加工質量、濾料和自動控制等方面有了飛躍發展，特別是在保持長期可靠運行和減少維護工作量方面有了顯著的進步，完全能夠滿足實際應用要求。

（3）電除塵器的阻力一般為200～300Pa，袋式除塵器阻力高達1000Pa以上，因此，人們認為袋式除塵器的能耗大，實際上這是一個誤區。如果排放要求在50mg/m3以下，電除塵最少采用三個電場，若將電除塵的電場供電能耗也考慮進去，其與袋除塵的能耗基本持平。

袋式除塵器也有多種形式，如反吹風型、橫插扁袋、高壓脈沖、低壓脈沖等，從目前的應用情況來看，長袋脈沖除塵器占優勢，這是由該技術和設備的特點所決定的。

長袋脈沖除塵器的特點：1）清灰能力強（是反吹風型的數十倍乃至上百倍），運行阻力低；2）濾袋與花板間特殊的安裝方式，保證了設備高效率運行；3）機械活動部件少，能夠保證設備長期可靠運行，維護工作量少；4）可實現除塵器單元離線檢修（如換袋），工作量少，快速；5）過濾風速高，占地面積少；6）配套的PLC電腦控制技術非常成熟，功能齊全，能實現袋式除塵器的全自動檢測和控制。

5 袋除塵、電除塵設備選型

由以上分析比較可知，使用袋除塵、電除塵設備在治理出鐵場粉塵時各有優勢，兩種設備的選擇均能滿足當前鋼鐵廠的環保要求，故在以下選型中，可分別列出電、袋兩種除塵器的選型方案，供廠家參考。

以西昌新鋼業股份有限公司的出鐵場治理情況為例，根據其提供的高爐參數，高爐公稱容積380m3，鼓風機風量1850m3/min，風機壓頭310kPa，冶煉時間按1h計算，出鐵時間為10～20min，儲鐵罐直徑為3.24m，據此可以初步推算出高爐出鐵場總風量約為46萬m3/h（包括出鐵口及儲鐵罐兩部分煙塵的處理風量）。設備初步選型考慮了CDMC154-2×8長袋脈沖除塵器和CDPKE/145/2電除塵器兩個方案（設備參數可查閱合肥水泥研究設計院相關樣本資料），最終采用了第2方案，運行至今狀況良好，基本達到各項環保要求，粉塵排放一直控制在50mg/Nm3以下。

類似除塵狀況，在蕪湖繁昌富鑫鋼鐵有限公司出鐵場的治理中，采用了長袋脈沖除塵方案，經兩次對除塵罩進行改造后，收塵效果良好，環保達標。

6 袋除塵、電除塵設備綜合比較

經分析核算可知，靜電除塵設備較袋式除塵設備的一次投資及運行電耗費用均較低，但其缺點主要是不能保證長期穩定排放。靜電除塵器是一種高效除塵設備，除塵效率可達99%以上，具有使用范圍廣、處理煙氣量大、阻力小、能量消耗小、運行費用低、自動化程度高、操作方便等優點，并可用于處理400℃的高溫煙氣，但其對粉塵比電阻有一定的范圍要求（104～1010Ω·cm），且安裝、維護、管理要求嚴格。袋式除塵器相對具有更高的除塵效率，煙塵排放可低于30mg/Nm3（與濾料材質有關）的標準，并可保證長期穩定排放，但其阻力較大、運行費用較高，并須經常對設備進行維護，濾袋也需定期檢查更換。因此，廠家在選擇除塵形式的時候，應該根據各廠不同的情況及當地的環保要求，做合理的選擇。