轉爐煙氣超低排放復合技術的研究與應用

陶有志，韓渝京，李 鵬，曹勇杰

（北京首鋼國際工程技術有限公司；北京市冶金三維仿真設計工程技術研究中心，北京 100043）

1 研究背景

首鋼遷鋼公司一煉鋼廠建設3座210 t轉爐，轉爐煙氣一次除塵采用兩文三脫濕法除塵工藝（OG法），多年來系統運行正常，放散煙囪粉塵排放濃度80～100 mg/m3，近年來國家環保政策一再降低粉塵排放濃度，先后制定了《煉鋼工業大氣污染物排放標準》，同時當地政府也出臺了《河北鋼鐵工業大氣污染物排放標準》的要求，自2015年1月1日起，煉鋼轉爐一次煙氣執行排放煙塵濃度＜50 mg/m3標準。為確保轉爐一次除塵達標排放，同時考慮京津冀地區的特殊地理位置，將來環保指標進一步提高的可能性，有必要對一煉鋼一次除塵系統進行技術改造，經過大量的前瞻性技術探討和多個工藝流程的對比篩選工作，最終提出在保留已有濕式除塵工藝流程的基礎上嵌入濕式電除塵裝置及相應的安全防爆裝置和煤氣水封安全裝置，使除塵運行安全、可靠、連續，達到國家環保指標。

2 工藝流程的創新及關鍵技術的研發

首鋼遷鋼一煉鋼轉爐煙氣除塵，投產于2004年，能滿足建廠期間的國家環保要求。隨著京津冀環保要求的進一步提高，特別是當地政府對煉鋼粉塵的進一步約束排放量，要求煉鋼一次煙氣粉塵排放量＜30 mg/m3。因此在運行的一次除塵裝置達不到環保指標的升級約束，直接影響首鋼遷鋼煉鋼廠正常生產秩序。在這種嚴峻考驗下，首鋼國際工程公司對一煉鋼轉爐煙氣一次除塵工藝進行流程再造，嵌入超低粉塵凈化設備，其工藝流程初期主要考慮有幾個方面，涉及深度凈化的工藝設備選擇；超低凈化工藝設備在流程中的位置；3座轉爐是共用超低凈化工藝單元還是一爐單個專用超低凈化設備的二者優劣性分析；已有的一次除塵備用風機與深度凈化工藝高效相銜接等流程的工藝優化，最終篩選了濕式電除塵作為超低凈化工藝的載體，采用單個轉爐單個電除塵器的專用固定模式，確定了濕式電除塵器位置在已有轉爐煙氣一次除塵風機前嵌入的最終優化技術方案。隨后根據優化的工藝流程，分析了濕式電除塵器嵌入在原有系統后的工藝流程的相關操作，以及濕式電除塵器本體設備高效除塵的可行性，分析帶電霧滴除塵效果的提升和濕式電除塵的防泄爆防中毒工藝安全問題。重點研究內容主要包括轉爐煙氣濕式電除塵器本體的工藝，轉爐煙氣濕式電除塵的工藝控制；轉爐煙氣濕式電除塵系統的安全抑泄爆工藝流程及主要工藝參數的確定，濕式電除塵排水本質安全設計及控制；在考慮除塵效率的經濟性時，提出了兩個節能型環保概念，即基礎苛刻粉塵排放節能目標（粉塵排放濃度＜10 mg/m3）；粉塵排放節能目標（粉塵排放濃度＜30 mg/m3），同時轉爐煙氣一次除塵系統的CO防爆及防中毒的本質安全工藝的研發等配套的關鍵技術的研發。三項關鍵技術形成本次一煉鋼超低排放的復合技術。

經過全面系統的研究分析，轉爐煙氣濕式一次除塵深度凈化工藝技術，從原理、流程、關鍵技術、配套工藝等方面完全滿足了升級改造的需求，同時與總圖布置優化等工廠設計要素的環節積極有效結合，也就具備了開工建設的工程條件。

2.1 改造后的工藝流程

轉爐煙氣→活動煙罩→汽化冷卻煙道→噴淋降溫塔（簡稱一文）→可調喉口文氏管（簡稱二文）→濕旋脫水器→防爆圓筒型濕式電除塵器→一次除塵風機→三通切換閥→ 水封逆止閥→U形水封→煤氣柜→旁通閥→煤氣放散塔。

濕式電除塵器作為除塵系統主要工藝裝置確認后，就要分析其技術特征確認其在流程中的位置，濕式電除塵器可以實現粉塵排放濃度的降低，其位置可以在放散煙囪之前，直接減少對環境粉塵排放濃度，也可以在一次除塵風機之前，在滿足對空排放濃度及煤氣柜后轉爐煤氣各用戶的需求。同時又能將原有煤氣柜后的精除塵設備拆除，此流程理論既環保又節能，因此確定其工藝流程為在一次除塵風機前嵌入濕式電除塵器裝置。

圖1 改造后的工藝流程簡圖

以上流程中，防爆圓筒型濕式電除塵器為新增加工藝設備，其余為已有設施。轉爐煙氣在煉鋼廠房內進行濕法除塵后，重新進入新增的防爆圓筒型濕式電除塵器進行精除塵，經除塵后的煙氣粉塵濃度＜10 mg/m3。濕法電除塵器排水送至水處理系統。

新增防爆圓筒型濕式電除塵器位于廠房外，1座轉爐配套1臺，本工程共3臺，安裝于進入風機房外已有一次除塵煤氣管道之間，其主要組成包括圓筒形殼體、圓錐形進出口、鋼支架、安全排放裝置、內部件(包括陰陽極、氣流進出口分布板、脫水裝置)、噴洗管路系統、高壓電源系統、走梯平臺等。

2.2 圓筒形濕法臥式電除塵器工作原理及主體設備

2.2.1 工作原理

含有粉塵顆粒的飽和濕度煙氣，在接有高壓直流電源的陰極線(又稱電暈極)和接地的陽極板之間所形成的高壓電場中通過時，由于陰極發生電暈放電、氣體被電離，此時，塵粒顆粒荷以負電，荷電后的塵粒在電場力的作用下，向陽極運動。到達陽極后，放出所帶的電子，塵粒則沉積于陽極板上，通過周期性沖洗，將塵粒沖下排走進行處理。

2.2.2 收塵極板

濕式電除塵器內部是接地收塵板組成的15通道。收塵板的設計為濕式除塵而進行了優化。收塵板為4 mm厚的碳鋼板，厚度考慮了足夠的磨損系數。

圖2 濕式電除塵器收塵極板

2.2.3 放電極線

在通道內部，放電極與負高壓連接布置在懸架上。放電極設計為RS型，實現了帶低電暈截止電壓的最佳放電，電極材質為不銹鋼。

圖3 濕式電除塵器放電極線

2.2.4 霧化水、沖洗水系統

為確保除塵器內部煙氣處于濕度飽和狀態，確保除塵器放電吸塵效果，在煤氣分配器前和每個電場前安裝了霧化噴嘴。霧化水系統連續工作。霧化噴頭僅有一種，共計230個。

為清洗收塵板和放電極上的粉塵，電除塵器的每個電場都安裝了沖洗水系統。沖洗水系統僅在轉爐非吹煉階段沖洗。1電場沖洗7～10 min，2電場沖洗3～5 min。為確保最佳的清洗效果，沖洗噴嘴不僅安裝在電除塵器頂部（150個），而且安裝在每個電場的前面（348個）和后面（90個）。沖洗噴頭有三種共計588個。

2.2.5 高壓電源系統

電除塵器共有兩個電場，分別配有一個高壓變壓器。

一電場為三相整流變壓器，功率為54 kW，二次側額定升壓90 kV，額定電流600 mA；

二電場為單相整流變壓器，功率為28 kW，二次側額定升壓72 kV，額定電流400 mA。

2.3 防泄爆安全噴氮裝置

由于新增加了濕式電除塵器，工藝流程上形成了完整的氣體爆炸三要素，當達到爆炸條件時發生爆炸事故，我們將轉爐干法除塵泄爆原理及技術移植到本系統中，同時又進一步進行了優化。轉爐冶煉時，在開始下槍吹氧和結束吹氧提槍時的煙氣易處于爆炸極限范圍，稀釋煙氣中氧氣濃度，在煉鋼氧氣閥門打開和煉鋼氧槍提槍后的一段時間內噴吹氮氣，可顯著提高系統的安全性。本項目在二級文氏管出口設置氮氣噴吹，布置在煉鋼主廠房高跨平臺上，噴吹氮氣流量8000～10000 m3/h，噴水時間為30～40 s；噴氮設施主要包括快切閥、調節閥、流量計等設施。

2.4 電除塵器底部污水排水水封裝置

電除塵器下部設有排水水封，其作用是在排水的同時防止空氣進入電除塵器內部，但由于排水器上部空間容易匯聚煤氣隨水流出，本項目在排水器頂部增加一個高空放散管，防止回水裹挾煤氣排出，消除了安全隱患。

遷鋼煉鋼一次煙氣超低凈化采用的精除塵設備是濕式電除塵，在吹煉期與非吹煉期都會有清洗水排出，同時該濕式電除塵器處于一次風機前，為負壓段，根據水量大小確定了其排水器的筒體直徑DN1600和水封高度，為做本質安全排水器，在排水器本體、上部設置了高放散管，讓溶解到水里的煤氣直接從放散管中高空排放，同時為了強化安全的可靠度，在污水沿途采用密閉輸送管道，在到達污水沉降池時再設置高端煤氣放散管進一步排凈污水中的殘余煤氣，同時在污水處理設施設置了多組的CO檢測裝置及時處理CO，提高安全的可靠度。

3 實施效果

采用了精除塵設備濕式電除塵器，噴氮防泄爆安全裝置、電除塵器專用安全型排水器及污水處理CO檢測技術這三項復合技術后，遷鋼一煉鋼改造項目正式啟動。2015年4月15日，首鋼遷鋼一煉鋼廠濕式一次除塵升級改造項目中2#轉爐率先動工，當年12月底投入使用，2016年6月和9月底第2座、第3座轉爐改造相繼投產，升級改造后的粉塵排放濃度經過第三方檢測，其指標為＜10 mg/m3，達到設計要求，環保指標得到大幅度提高，在高效環保、節能減排方面效果顯著；一次風機前排水器水量無顯著變化，濕式電除塵器入口煙氣溫度69℃，出口煙氣溫度64℃，濕式電除塵器阻力降200 Pa，運行至今未出現CO泄爆現象，電除塵器污水排放系統安全運行，全部達到了復合技術所應達到的預期效果，全面、安全、穩定地完成了一煉鋼改造項目。

4 結語

首鋼遷鋼一次除塵超低凈化升級改造工程，目前系統運行穩定，達到了較好的運行效果，且濕法電除塵器與煉鋼提槍聯鎖條件少，對煉鋼影響小，泄爆控制更加有效，煤氣水封安全可靠；沖洗水清灰方式，避免粉塵二次夾帶現象，也避免了干法除塵的尾煙現象。排放煙塵濃度滿足國家和地方的環保要求，取得明顯的環境效益和社會效益。

首鋼國際工程公司在轉爐煙氣除塵領域進行濕式電除塵器超低改造的成功嘗試和實施，為冶金行業環保開辟了一條新路，為破解煉鋼一次除塵干/濕技術瓶頸和環保難題積累了豐富的經驗，引領了可借鑒的技術方向。