轉爐三次除塵技術應用

王俊根， 謝桂龍， 周景偉， 樊 響

（北京中冶設備研究設計總院有限公司， 北京 100029）

轉爐煉鋼車間排放的煙氣是鋼鐵行業粉塵排放的主要來源之一。雖然鋼廠基本都已配套轉爐一次、二次除塵設施，但隨著現代煉鋼技術的提升和轉爐兌鐵水速度的加快，加上原有除塵系統老化，煉鋼某些過程中仍從爐口溢出大量陣發性煙氣，難以被現有除塵設施完全捕集。這些煙氣一部分彌散在車間，影響車間作業環境和工人健康；另一部分煙氣則通過豎風井及高跨天窗排入大氣，導致煉鋼廠屋頂間歇性冒出大量黃煙，嚴重污染環境。《煉鋼工業大氣污染物排放標準GB 28664—2012》規定，自2015年1月1日起，現有企業執行轉爐（二次煙氣）顆粒物濃度限值為20 mg/m3。因此轉爐車間進行三次除塵改造技術研究具有重要的現實意義。

1 三次除塵的由來及應用現狀

轉爐煙氣三次除塵是相對已有的轉爐一次、二次除塵而言的。一次出塵是指通過煙道對轉爐吹煉過程中產生的高溫煙氣進行冷卻、凈化并回收煤氣的處理過程，一般采用濕法或半干法工藝[1-2]。二次除塵是通過采用密閉形式的集塵罩（俗稱狗窩）捕集包括轉爐汽化冷卻煙道入口（一次除塵煙氣入口）溢出的部分煙氣在內的所有轉爐生產過程中的煙氣，經布袋除塵后排放大氣的處理過程。二次除塵就是為了彌補一次除塵的不足而采取的環保措施[4]。通常一次、二次除塵基本能捕集到轉爐煉鋼過程中絕大部分粉塵，但仍然有部分煙氣無法被收集，比如兌鐵水時，爐前擋火門處于打開狀態，當兌完鐵水鋼包退出時，鋼包內由于發生新的化學反應而從鋼包口散發出大量煙氣，由于鋼包距離狗窩漸遠，此部分煙氣會溢出彌散在車間內，并經過豎風井進入大氣。另外，當兌鐵水速度加快或加入摻有大量碳氫化合物的低質廢鋼時，現有的二次除塵能力有限，也會在爐前溢出大量煙氣。由此，三次除塵應運而生，其主要用于解決這些二次除塵捕集不到的煙氣。

國內三次除塵技術首先在寶鋼開始應用[4]，采用寶鋼工程公司（BSEE）研發的氣樓除塵（三次除塵）裝置，如圖1所示，對原有的豎井式氣樓進行局部改造，在豎風井內增加除塵抽風管和通風切換閥，實現氣樓三次除塵和自然通風換氣雙重功能。類似的裝置在很多鋼廠已陸續使用。但該裝置無明顯的集塵罩，且抽風管是從豎風井側面接入，氣流方向并不順暢，這對整個系統能耗和收塵效果均有一定的影響。本文將從集塵罩、管道及廠房的安全性等多個角度探討三次除塵技術的重難點，以求對實際工程應用起到參考和指導作用。

圖1 BSEE轉爐煉鋼車間氣樓除塵裝置剖面示意圖

2 三次除塵技術的重難點探討

2.1 集塵罩的設計

如何最大限度的收集煙塵是三次除塵集塵罩設計的關鍵。影響集塵罩收塵效果因素很多，例如集塵罩的安裝位置、集塵罩的型式等等。由于轉爐加料跨上方是天車活動區域，靠近氧槍一側又是氧槍活動區域，因此集塵罩只能是頂吸式。如圖2所示，利用原有的廠房屋頂結構做頂吸罩是三次除塵的常規做法。然而，頂吸罩罩口與加料時的含塵煙氣源頭存在較大高差，頂吸罩工作時會吸入大量的罩口附近的空氣，因此需要較大的氣量才能將三次煙氣完全抽完。可通過將氧槍口平臺與加料跨之間用封閉板隔開，并在廠房結構允許條件下提高罩子容積，使頂吸罩盡可能多的捕集有效煙氣，降低了系統能耗，也阻斷了含塵煙氣排向大氣的路徑。

圖2 爐前加料及上升煙氣捕集過程剖面示意圖

三次除塵頂吸罩可近似為熱過程高懸傘形罩[6]，其設計關鍵參數包括熱源點與罩口的距離、熱射流的流速、罩口尺寸、罩口流速、吸風量、集塵罩擴張角等。集塵罩吸風量通用公式為：

式中：Q為吸風量，m3/s；v0為罩口平均吸風速度，m/s；F為罩口面積，m2。對于三次集塵罩，可根據爐口兌鐵水或加廢料時煙氣溢出情況特點，可作如下假設：

1）煙氣從爐口溢出至天車梁下方階段，為三面擴散狀態，可近似為有阻擋的熱射流。

2）由于天車自身兩側承重梁較高，加上兌鐵水時鋼包阻擋，煙氣上升至天車承重梁下方后與空氣自然隔開，此時的煙氣流速看成勻速。

3）煙氣上升至天車上方距離罩口已很近，可以認為流速不變。

4）罩口從周圍空氣吸入罩內的空氣流速取0.5～0.75 m/s。

因此，參考熱射流計算原理，可將三次除塵頂吸罩吸風量用如下公式表示，

式中：vC為罩口處熱煙氣平均速度，m/s；Fc為罩口處熱煙氣擴散面積，m2；vr為罩口處吸入空氣平均速度，m/s；Fr為罩口處吸入空氣面積，m2。其中，Fc可近似為天車承重梁及鋼包自然封閉區域總面積，而Fr＝F-Fc；vc近似為等速階段流速，用儀器可測得。由于轉爐加料過程溢出煙氣的上升過程是個復雜的過程，實際工程應用時應根據各轉爐煉鋼運行情況對吸氣量作出判斷。設計的集塵罩罩口需覆蓋整個上升熱煙氣擴散范圍，但也不宜太大，否則會吸入過多的空氣造成能量浪費。當罩口實際情況確實需要很大時，宜將大罩子分割成若干個小集塵罩、在罩內設置導流板或在罩口上設置條縫口，以確保集塵罩的效果。

2.2 管道設計

三次除塵采用屋頂集塵罩收集煙塵，具有煙氣量大、粉塵含量偏低、煙氣溫度偏低等特點。對于除塵管道設計，需要考慮煙氣流速、管道積灰荷載、管道走向、管件型式、管道支架等諸多因素。各個因素又相互關聯、相互影響。煙氣流速一般選取在15～25 m/s范圍，流速過小容易積灰，流速過大會增加系統阻力和管道磨損。由于三次除塵管道從轉爐廠房屋頂接引，管道積灰荷載需考慮原有廠房結構的承受能力，合理選擇積灰系數。管道走向、管件型式直接關系工程造價和系統運行的經濟性，實際設計時應優化管道走向，并合理選擇彎頭、三通等管件型式。例如，對于大型圓節彎頭，盡量用5節以上，彎曲半徑選用1.5倍管徑，三通盡量用30°或45°斜三通，盡量避免直三通。由于原有廠房受力有限，在廠房頂設置管道支架時盡量采用低摩擦滑動支架，熱膨脹較大管段設置膨脹節，盡量避免向廠房水平推力。

2.3 廠房的安全性核算

前面已經提到，三次除塵集塵罩及接引管道、煙氣切換閥等都加在原有的廠房結構上。因此，對原有廠房新增荷載驗算與加固是三次除塵實施的關鍵因素。三次除塵系統所利用的屋面為高跨鋼結構屋面，整個屋面系統是一個整體，廠房既有靜載荷，又有天車移動及氧槍下槍等引起的動載荷，高跨屋面還要受風力和地震力。廠房力學計算很復雜，其計算模型由原設計單位掌握，因此，宜委托原設計單位對廠房新增荷載進行驗算。實際設計時，應充分根據原有廠房結構布置管道支架，支撐盡量落在廠房柱上（受力最終都要傳導至廠房柱），當支架需落在上、下弦形式的屋架上時應落在上弦的節點上（節點處受力最好）。

3 結語

轉爐三次除塵技術是利用現有高跨屋頂而進行煙塵捕集的除塵技術，是對現有轉爐二次除塵技術的進一步完善。其難點在于屋頂集塵罩的設計、屋頂管道設計及廠房結構驗算等。屋頂集塵罩類似熱過程高懸傘形罩，可根據相關理論和實際現場煙氣溢出情況綜合考慮罩口尺寸、吸風量等關鍵參數。管道設計要從經濟性、安全性等多方面進行優化。集塵罩、管道管件等新增荷載對廠房結構的影響及廠房加固，建議由原設計單位進行驗算。