熱風爐煙氣使高爐煤氣脫濕的研究

施萬玲，吳炳成，夏朝暉

1　高爐煤氣水分問題概述

干法除塵串聯余壓透平發電（TRT）系統，因其發電量高、除塵效率高、節水、節電等優點顯著，目前已經發展成鋼鐵企業高爐煤氣余能回收的首選流程。然而干法除塵系統無法除掉高爐煤氣中的酸性氣體，TRT出口靜煤氣管道腐蝕嚴重的問題逐漸在各大鋼廠顯露出來。大量研究表明，當高爐煤氣溫度低于露點溫度時，高爐煤氣中大量的Cl離子溶于煤氣冷凝水造成酸露點腐蝕是靜煤氣管道腐蝕的主要原因。而干煤氣中的Cl離子幾乎沒有腐蝕性，所以控制好煤氣的露點溫度，使煤氣管道沒有冷凝水析出，可有效避免煤氣管道腐蝕問題。

張琰等人提出加保溫材料[1]、蓋東興等人提出采用外加熱源[3]的辦法來提高高爐煤氣溫度的方法，避免煤氣管道結露腐蝕。但上述方法只能保證局部區域煤氣管道不結露，隨著煤氣傳輸，冷凝水還會在其他區域冷凝，造成管道結露腐蝕。

高爐煤氣中的水分不僅會造成煤氣管道結露腐蝕，還會降低煤氣熱值。同時煤氣燃燒過程中，水分會消耗大量的氣化潛熱與顯熱，過多的水分會造成燃燒器熄火。降低高爐煤氣含水量，使其露點溫度低于大氣常溫，可有效解決管道腐蝕問題，同時提高煤氣熱值[4]，提高熱風爐風溫[5]等，產生一系列的節能降耗作用。

2　高爐煤氣含濕量的計算及對煤氣熱值的影響

雖然我國大中型高爐多采用干法布袋除塵，但隨著高爐噴煤量的增加，高爐煤氣的含濕量不斷增加，通過TRT的降溫降壓后煤氣基本達到飽和狀態，飽和煤氣含濕量計算公式為：

de=804×P汽/（P－P汽）

式中，de——工作狀態飽和氣體的含水量，g/m3；

P——煤氣絕對壓力，Pa；

P汽——飽和水蒸汽分壓，Pa。

通過上式計算出，在不同溫度下、TRT出口高爐煤氣達到飽和狀態時的含濕量如表1所示。

假設通過濕法精除塵后的煤氣溫度為55℃，煤氣壓力為0.35 MPa（絕壓），則TRT入口前含濕量為37.88 g/m3；假設通過TRT煤氣溫度降到30℃，出口壓力同樣取0.118 MPa，則此時飽和煤氣含濕量為30.01 g/m3。

生產實踐表明高爐采用的原料含有較多水分或者噴煤量較大時，TRT出口將有冷凝水析出，此時高爐煤氣溫度～55℃，達到飽和狀態。則由表1可知，采用干法除塵后高爐煤氣攜帶的水分反而比濕法除塵大，隨著TRT后管路不斷降溫將有大量水分析出。

表1　飽和狀態高爐煤氣含濕量

高爐煤氣攜帶大量水汽將帶來以下弊端：（1）降低了熱風爐風溫；由于攜帶水分的原因，使高爐煤氣的熱值降低，見表2；（2）水分的析出將使煤氣中攜帶的鹽溶解，尤其使用海運來的礦石，因為礦石輸運過程中混入大量氯離子，對管路造成嚴重腐蝕。

表2　不同飽和溫度下高爐煤氣的成分及熱值 %

由表2知，隨著煤氣含濕量的增加，煤氣熱值迅速下降，且露點溫度越高，下降越快，60℃的飽和煤氣的熱值是干煤氣熱值的83.11%。

熱風爐的送風溫度等于拱頂溫度減去150℃，而拱頂溫度取決于煤氣的燃燒溫度，煤氣的燃燒溫度計算如下：

式中，t——高爐煤氣燃燒溫度，℃；

Hl——煤氣熱值，kJ/m3；

Qk——助燃空氣帶入顯熱，kJ/m3；

Qm——煤氣帶入顯熱，kJ/m3；

cp——煙氣的平均熱容，kJ/（m3·℃）；

V——產生煙氣量，m3/m3；

η——高溫系數，取0.92。

高爐鼓風溫度：t風溫＝t-150。

假設煤氣預熱到200℃，空氣預熱到300℃，空氣過剩系數均取1.1，筆者分別計算了富氧率6%和不富氧兩種情況下，40～50～60℃的飽和狀態高爐煤氣脫濕后其可達到的熱風溫度，如圖1所示。由圖1可知，隨著脫濕率的增加，熱風爐送風溫度呈線性增加。

圖1　脫濕后熱風爐送風溫度

假設煤氣的飽和溫度分別為40℃、50℃和60℃，本文研究了不同的脫濕率下高爐熱風爐的送風溫度提升量，如圖2所示。由圖2可知，脫濕50%后，熱風爐送風溫度提高40～80℃不等，對于大噴煤或原料含水較多的高爐，通過煤氣脫濕將能有效提高熱風爐風溫。對于采用富氧的熱風爐，相同脫濕率的情況下，其風溫提高量更大。

圖2　脫濕后熱風提升溫度與脫濕率的關系

高爐煤氣除濕對于提高煤氣的燃燒溫度具有重要作用，煤氣燃燒溫度的提高將直接提高高爐鼓風的溫度，研究表明：高爐鼓風溫度每提高100℃可降低焦比20～25 kg/tFe，同時可增產3%～5%，還可增加噴吹煤粉40～50 kg/tFe，達到降低煉鐵成本的目的[6]。

3　熱風爐煙氣干燥高爐煤氣除濕系統

筆者提出采用干燥劑對高爐煤氣中的飽和水進行吸附，降低高爐煤氣的含水量，從根本上將煤氣露點溫度降至常溫以下，避免管道腐蝕的同時，提高高爐煤氣熱值，提高熱風爐風溫。干燥劑選用13X型分子篩（球狀，直徑3～5 mm）；可以順著隔板2自由滾落。高爐熱風爐排放煙氣溫度在280～350℃，將之通過空氣預熱器之后溫度降為150℃左右，通常直接排放于大氣中而造成能源浪費。筆者提出利用熱風爐150℃左右的排煙對干燥劑進行再生。其工藝系統如圖3。

圖3　工藝系統簡圖

本工藝系統由干燥器、再生器、兩組輸送提升裝置和干燥劑等組成。

從高爐來的已經凈化過的高爐煤氣從高爐煤氣入口進入干燥器，與從上而下滾落的干燥劑充分接觸，煤氣中的水分將被吸收；經干燥的煤氣進入熱風爐燃燒，其燃燒產生的煙氣進入干燥劑再生器，利用煙氣（約150℃）的余熱使干燥劑再生，重復使用。

干燥器的干燥劑排料口通過一組輸送提升裝置連接至再生器的干燥劑進料口，再生器的干燥劑排料口通過另一組輸送提升裝置連接至干燥器的干燥劑進料口。

本系統設計除濕能力為針對煤氣不同含濕量，其脫濕能力在50%，根據圖2可知，可提高高爐鼓風溫度40～80℃，降低高爐焦比約10 kg/tFe，使高爐綜合能耗降低約4～6 kgce/tFe。

該系統在脫濕的過程中，也會吸附煤氣中的某些鹽分，降低鹽分對管路的腐蝕。

4　結論

筆者討論了一種利用熱風爐煙氣間接干燥高爐煤氣的工藝系統，不對高爐煤氣產生污染，降低高爐煤氣的含水量與露點溫度。其優點如下：

（1）提高高爐煤氣熱值，從而提高熱風爐的送風溫度40～80℃。

（2）降低高爐的焦比約10 kg/tFe，節能效果4～6 kgce/t鐵。

（3）降低TRT出口凈煤氣管道露點腐蝕。

[參考文獻]

[1]張琰.干法除塵高爐煤氣的管道腐蝕機理與防護對策研究[D].東北大學碩士學位論文，2014：11－14.

[2]張清慧.三鋼南區高爐煤氣存在的問題與應對措施[J].福建冶金，2017，2：47-49.

[3]蓋東興，周全，胡建亮，等.高爐煤氣干法除塵系統除鹽研究[J].冶金動力，2013，158(4)：23-24.

[4]談付安.高爐煤氣含水量對煤氣熱值的影響[J].冶金動力，2006，116(4)：23-24.

[5]賀友多，張胤，竇立威，等.提高熱風爐風溫的途徑[J].鋼鐵，2003，38(3)：69-72.

[6]王有欣，王英才，張博智，等.高爐熱風爐采用的雙預熱技術[J].冶金能源，2013，32(1)：49-54.