搗固焦爐裝煤系統除塵工藝研究

朱壽川

(攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司安全環保部(武裝保衛部) 四川攀枝花617022)

1 前言

鋼鐵行業正處于產能過剩階段，又是產排污大戶，環保將成為去產能的重要手段。部分鋼鐵企業因環保不達標已被迫關停，限產蔓延至全國。2016年初開始中央督查組將用兩年時間把全國督查一遍，同時史上最嚴的環境保護制度被提出，使公司的環保形勢日趨嚴重。

2 現狀分析

2.1國內現狀分析

目前鋼鐵行業是國內乃至全球的產排污大戶，焦爐又是鋼鐵行業的首要產排污工序，裝煤煙塵又是焦爐產排污的主要污染源，搗固焦爐單孔炭化室的裝煤量大于頂裝焦爐且煤質較頂裝焦爐差。因此，裝煤過程煙塵含量遠大于頂裝焦爐，頂裝焦爐裝煤煙塵的產生速率約為結焦過程中煙氣產生速率的7倍；搗固焦爐裝煤煙塵的產生速率又約為頂裝焦爐的4倍，同時產生苯并芘(Bap)、苯可溶物(BSO)、二氧化硫(SO2)、可燃氣體(荒煤氣)、焦油等有毒有害物質，且含量都遠大于頂裝焦爐，最難處理的是苯并芘和焦油，也是最為關注的。因此，攀鋼釩公司對西昌鋼釩煉鐵廠、四川達興能源有限公司、攀成鋼旺蒼焦化有限公司、河南濟源金馬焦化有限公司4個廠家的搗固焦爐裝煤除塵運行情況進行考察，采用的工藝可分為燃燒化學法和集煙凈化物理法兩種，兩種工藝各有其優缺點。

2.2攀鋼釩改造前工藝現狀分析

攀鋼煉鐵廠3#、4#焦爐設計時采用N+2高壓氨水內吸與地面站(焦炭過濾器+袋式除塵器+引風機)外導凈化相結合的裝煤除塵工藝。這項工藝技術在建設之時屬于全國第一批實施的新工藝，具有一定的先進性，也具有一定的探索性。但由于裝煤煙塵焦油含量高造成系統阻力大，導致吸力不夠，煙塵外溢，難以達到國家最新版《煉焦化學工業污染物排放標準》要求。

2.3工藝選擇

裝煤除塵治理常用的方法有燃燒結合吸附法、二合一地面站法、雙集氣管法和雙U型導煙管法等。

燃燒結合吸附法是在消煙車上首先對裝煤煙氣進行燃燒以減少煙氣中焦油煙及可燃成分，然后在進入除塵器前將煙氣先導入煙氣吸附凈化裝置，對焦油煙進行強制吸附凈化，除去未燃燒盡的焦油，吸附填料采用活性塊狀焦炭，并定期對填料進行自動更換。該方法優點：不僅能有效去除廢氣中所含的塵類污染物，對苯、苯并芘等可燃類有機物也有較好的去除效果，凈化效率高。其缺點：由于消煙車自帶的燃燒室體積有限，存在燃燒不完全的狀況，裝煤煙氣燃燒不完全會導致大量焦油粘結在布袋上，造成系統阻力偏大，煙氣捕集率大大降低，如加快更換除塵器布袋，則費用大大增加；吸附填料采用活性塊狀焦炭，更換頻繁，勞動強度大，后期吸附效果差。

裝煤與推焦消煙除塵二合一地面站法是在焦爐爐頂設置抽煙干管，通過導煙車抽煙管和攔焦車集塵罩，在不同的操作時段將裝煤煙塵與推焦煙塵抽吸到地面站集中處理。這種地面站對煙塵的凈化一般是采用干式吸附過濾方式。該方法優點：除塵效率高，避免了“放炮”現象，無廢水產生，投資及運行費用相對較低。其缺點：雖然可以有效地凈化粉塵和焦油霧，但不能清除氣體中的可燃成分和部分有毒氣體，推焦時火星進入除塵器常會發生燒袋事故。

雙集氣管法是在焦爐爐頂機焦兩側采用雙集氣管荒煤氣出爐系統。在搗固焦爐裝煤時，與本炭化室上升管高壓氨水噴灑配合，將裝煤煙塵抽吸入焦爐的荒煤氣集氣系統。雙集氣管法的優點是不需要設置地面站，也不需要在焦爐爐頂設置導煙車或消煙車，使系統大為簡化。但其缺點是由于搗固焦爐敞開機側爐門裝煤，即使設置爐門罩輔助作業，但仍然不可避免在抽吸裝煤煙塵時吸入大量空氣。位于焦爐爐頂機側的上升管與機側敞開的爐口十分接近，使得大量空氣進入荒煤氣，煤氣含氧量超標的危險性大大增加，成為焦化廠煤氣凈化系統的安全隱患。

雙U型導煙管裝煤消煙除塵法是采取高壓氨水與炭化室內導聯合治理方案，德國、波蘭和印度等國主張使用U型管導煙管技術。雙U形導煙管布置在焦爐中心線的兩側，機側U型導煙管連通正裝煤的第N孔炭化室和第N+2孔炭化室，焦側U型導煙管連通正裝煤的第N孔炭化室和第N-1孔炭化室，導煙孔蓋與座用水密封，通過橋管處高壓氨水噴射產生的抽吸力，分三階段依次將煙氣導入集氣管中。該方法優點：U型管導煙系統能最大限度減少炭化室機側爐門的冒煙冒火現象，安全可靠。其缺點：易使煤氣含氧量過高，造成安全生產隱患；如要取得較好的除塵效果，要求抽煙炭化室上升管根部必須產生較大的吸力，但由于系統泄露等原因可能會造成壓力降低，通常導致使用效果變差，不能達到現行環保指標要求；此外，高壓氨水噴射使焦油質量劣化，蒸氨塔與管道易堵塞，影響化產回收系統正常運行，盡管與頂裝焦爐相比，搗固焦爐采用高壓氨水的副作用小于頂裝焦爐，但并不能完全消除高壓氨水的副作用。[1]

2.4工藝改造分析

另一種方法是在消煙車吸煙套管上部增加了調節閥門，裝煤時通過對消煙車吸煙套管的風量調節使炭化室內產生一定的負壓，既解決了機側爐門冒煙問題又使裝煤產生的煙氣在炭化室中多通過一段距離，這不僅可以燒掉一部分焦油及粘性物質還有利于煙氣在消煙車中燃燒，燃燒效果好壞對地面站能否有效運行有直接的影響。

以上地面站除塵器濾袋都要采用噴涂保護，噴涂料采用出焦除塵過程中所收集的焦粉，由預噴涂裝置及單向溢流回噴裝置噴至除塵器濾袋表面上，避免經燃燒及吸附凈化處理后的少量焦油等粘性物質與濾袋直接接觸。但這種方法在實際上達不到良好的控制效果，主要是預噴涂料焦粉的量嚴重不足，尤其是在焦爐延長結焦時間的情況下，如采取外購吸附粉作為預噴涂料的補充，則額外增加企業負擔，另外濾袋長期使用會被粘結堵塞而影響使用效果。

最后方案的選擇集中在兩種工藝上：焚燒加洗滌工藝，焚燒加布袋工藝，焚燒工藝兩者一樣，主要差異在洗滌與布袋除塵工藝。兩種方案的運行成本如表1所示。

表1 兩種方案運行成本對比

焚燒加洗滌工藝擁有以下優點：

(1)運行費用低，每年節約運行成本約111萬元，見表1；

(2)投資省與操作簡便，設計進度快，利用熄焦塔對外排廢氣進行二次捕霧，外排廢氣高度更高，煙塵自然沉降率更高；

(3)除塵效果與焚燒加布袋除塵相當；

(4)同時水洗法能免除燒布袋的風險，連帶風險小。[2]

但焚燒加洗滌工藝也存在著工程應用業績不是很多；如焚燒不完全，用水洗法會導致冒黃煙等不利因素。

結合考察情況，對該項目的改進方案、投資和成本進行了比較，確定3#、4#搗固焦爐裝煤除塵采取“焚燒+洗滌”的除塵工藝，主要工藝流程如圖1。

圖1 裝煤除塵工藝流程圖

2.5工藝應用情況的研究

改造初期效果明顯，但是運行幾個月后發現仍存在個別問題：

(1)除塵外線管道管徑尺寸、彎頭、三通等局部件的連接方式不合理

在實際生產中，對爐頂機側除塵管線進行吸力測量，測量數據為表2所示。

表2 3、4號搗固焦爐裝煤除塵爐頂吸力

從上表可以看出，4號焦爐裝煤除塵管道的管徑選擇，彎頭、三通等局部件的連接方式不合理，導致系統阻力損失大。

(2)機側爐頭吸風支管截面太小，與設計風量不匹配

吸風支管截面尺寸約600×600，只有0.36m2，吸風面積嚴重不足，如按照10萬m3/h的除塵風量計算，風管內風速為77m/s，阻力損失為3800Pa，而且有插板閥后阻力損失會更大，這顯然是不合理的。導致機側爐頭處冒煙嚴重。

(3)除塵風機運行偏離設計工況

除塵風機設計風量為20萬m3/h，攀鋼勞研所的實測數據～12萬m3/h。裝煤過程中，焦爐機側煙塵外溢，區域作業環境惡劣。

(4)焚燒爐結構不合理

焦油是一種高芳香度的碳氫化合物的復雜混合物，燃點460℃-630℃；苯并芘是一種強致癌物，高熱可燃，同時釋放出有毒氣體。焚燒過程中爐膛溫度不足，只有480℃。改造過程中爐膛內砌筑的蓄熱格子磚嚴重影響了氣流通道阻力增大。

(5)洗滌塔噴淋效果差，塔體腐蝕嚴重

洗滌塔下部洗滌段(約6米)腐蝕、磨損嚴重，局部已經磨穿，現采取外部整體包焊的臨時措施；洗滌塔底部穿孔，洗滌水從洗滌塔底部基礎往外溢出，污染周邊環境。焚燒爐側部、頂部的鐵殼不同程度燒穿。

經測量，焚燒洗滌后的外排煙氣顆粒物含量達257mg/m3，無法滿足環保要求。

3 進一步優化措施

通過對上述存在問題的分析研究，針對性的制定如下對策。

3.1除塵干管改進

對洗滌塔至風機、風機出口至排放口段的除塵管道更換為D2=1.4m管道，提高風機進出口流通面積：

為解決焚燒爐出口至4號爐電動閥后2個直角彎頭、1個135°彎頭、75°爬坡段、4#爐電動閥處容易淤積焦油粉塵等問題(吸力損失在600pa左右)，將對焚燒爐出口至4號爐除塵管道第一個膨脹節之間管道進行改造，由焚燒爐出口90°彎頭處開孔接管道至第一個膨脹節前管道，該段新增管道為4號爐拆除后立舊管道，同時4號爐電動閥位置將改為除塵管道直管段閥前后有2.5m距離的位置處。

4號爐除塵管道在煙囪根部直管經橫跨焦爐管進入機側管道至 62#炭化室處吸力損失在600pa，為減少此段1個135°彎頭、2處管道擴大，整體對煙囪根部直管、橫跨焦爐管向大溝方向進行移位，直管段新增管線(D=1.1m、L=20m)，見圖2。

圖2 干管改進示意圖

3.2風機改造

根據裝煤煙氣產生量及焚燒爐煙氣處理量，通過核算，將現除塵風機處理量由120000m3/h改為190000m3/h。

3.3焚燒爐改進

裝煤除塵原設計焚燒爐出現隔墻磚垮塌、蓄熱能力不足，導致裝煤煙氣在焚燒爐內燃燒不充分，嚴重影響裝煤除塵的效果。2015年初對焚燒爐內部進行重新砌筑，并在內部用七孔格子磚砌筑了3組蓄熱體，同時在焚燒爐頂增加煤氣燒嘴。改造后，焚燒爐滿足單邊裝煤煙氣焚燒，裝煤前爐溫最高為800℃左右，裝煤結束后爐溫降至450℃左右，熄焦塔頂部排放口為白色煙氣；當兩座焦爐同時進行生產錯開裝煤時焚燒爐降溫幅度為270～300℃/min,升溫速率在180～200℃/min，最低溫度在300℃左右，熄焦塔頂部排放口有少量淡黃色煙氣。[2]

3.4洗滌塔及噴頭改進

洗滌塔系統，根據洗滌系統水質組成和煙氣溫度，重新核算設計塔體為304復合板，同時根據洗滌冷卻效果，重新設計噴淋裝置，在煙氣正對塔壁處增加不銹鋼保護層和噴灑水幕，底部斜板腔體內澆筑水泥，并留排空管至熄焦池等。

洗滌塔重新制作更換，采用14mm的Q235鋼板，內部貼襯2mm厚254SMo；將下部空心結構用耐高溫快速凝固水泥進行澆筑，防止底板磨穿后洗滌水泄漏。

原設計的噴頭為螺旋出水，極易堵塞，改進為取消螺旋，在出水口焊接分水板。

3.5集塵口捕集效果改進

導煙車設計功能為：1.爐頂自動清掃；2.相鄰碳化室導煙；3、高低壓氨水切換；4.用油缸開啟爐頂除塵翻板對接套筒捕集口。生產過程中爐頂自動清掃故障頻繁；N+2卡爪頻繁被焦油粘死。綜合考慮，將導煙車停用，爐頂除塵翻板封閉，高低壓氨水切換交由上升管工手動操作完成，捕集口管道增加翻板并單個與除塵主管連通，在推焦車取門臺車上部增加捕集口翻板開關油缸，實現推焦車取門臺車上部油缸開關出爐號插板閥功能。[3]

利用廢舊的托煤底板設計炭化室清掃石墨裝置，保證了炭化室有效的空間高度，改善了裝煤除塵效果。

4 新工藝效果

4.1爐頂吸力穩固提高

通過采取以上措施后，4號爐裝煤效果有較大改善，3號爐裝煤效果也有穩步提高。表3為改造前后爐頂吸力測量對比。

表3 3、4號搗固焦爐裝煤除塵爐頂吸力測量數據表

4.2改善現場環境

2015年9月29日通過市環保局環境測評驗收，現場操作環境得到改善。

4.3洗滌塔無穿孔、竄漏發生

洗滌塔改用新型材質、改結構噴頭后，塔體內部噴灑效果良好，無噴頭堵塞情況發生，同時塔體完整，投用1年來未出現洗滌塔穿孔、銹蝕、竄漏的現象。

4.4焚燒爐內蓄熱能力提高

通過焚燒爐內支模砌筑3堵7孔耐火硅磚墻體，有效提高了爐內蓄熱能力，溫度要求完全滿足單座焦爐生產，基本滿足雙邊錯開生產，裝煤前后爐內熱量散失較少，有效控制燃燒溫度在600℃以上，優化前后焚燒爐內蓄熱磚溫度波動見圖3。

5 結論

本次搗固焦爐裝煤除塵工藝研究與實施取得了以下成績：

圖3 優化焚燒爐內蓄熱磚前后溫度對比圖

(1)污染物排放指標達標，尤其是苯并芘穩定達標；

(2)提高焦油的去除率；

(3)提高除塵系統穩定性。