馬鋼高爐粗煤氣系統卸灰改造設計

董建民，朱 俊

（1.中冶華天工程技術有限公司，江蘇210019；2.馬鋼股份有限公司，安徽243000）

0 引言

馬鋼煉鐵總廠南區現有四座高爐，配套的煤氣凈化系統是由重力除塵器或重力+旋風除塵器、煤氣干法布袋除塵組成。 粗煤氣除塵系統均采用敞開方式卸灰，導致卸灰作業時灰塵外溢，同時存在卸灰區煤氣泄漏的潛在危險，導致作業環境差、危險且增加了后續清理工作。

國家生態環境部在環大氣[2019]35號《 關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》中提出：粉狀物料輸送應采用管狀帶式運輸機、 氣力輸送設備、罐車等方式密閉輸送。 因此馬鋼公司對煉鐵總廠南區的四座高爐粗煤氣系統卸灰設施進行了密閉改進，以滿足粗煤氣系統卸灰作業的環保和安全。

1 高爐粗煤氣系統設計條件

正常生產時，高爐產生的煤氣由爐頂沿著管道進入粗煤氣系統，除塵后煤氣進入干法布袋除塵系進一步凈化，然后進入煤氣管網。

馬鋼四座高爐粗煤氣系統工藝參數見表1，其中2號高爐僅設重力除塵，未配置旋風除塵器；其余三座高爐采用重力除塵+旋風除塵器。

重力及旋風除塵灰的主要成分見表2。整體趨勢上看，除塵灰含鐵量、顆粒度、堆密度隨著高爐爐容增加而增大。 重力及旋風除塵灰的性能隨著環境溫度及濕度、高爐爐況、原燃料條件的波動不斷變化。

表1 高爐煤氣系統工藝參數

表2 典型高爐煤氣灰參數

2 卸灰流程的選擇及優化

2.1 卸灰工藝流程的選擇

目前各鋼廠采用的粗煤氣除塵卸灰流程主要有：加濕卸灰機+敞開車輛運輸、灰罐+氣力輸送、灰罐+罐車運輸三種形式。

（1）加濕卸灰機+敞開車輛運輸。 粗煤氣系統下部灰斗內存儲的除塵灰依次通過閥門、 加濕卸灰機，定期排放至普通車輛敞開運輸，加濕后除塵灰含水15%～25%，此種工藝流程為馬鋼公司現有四座高爐采用。 該工藝流程主要缺點是：加濕卸灰機常出現轉不動、卡死現象，影響正常生產；由于敞開卸灰，飛灰較多；加濕水產生蒸汽導致操作環境差、濕灰含水增加額外運輸量；屬于超低排放的意見要求淘汰的卸灰方式。

（2）灰罐+氣力輸送。 采用倉式泵或噴吹罐作為灰罐，設置在粗煤氣灰斗下方。 配套相關的流化、充壓、補壓、輸送管線及閥門，實現除塵灰的氣力輸送，該工藝流程可以實現全程密閉、無加濕水消耗。除塵灰輸送距離與充壓、補壓、輸送介質壓力成正，0.2～0.5 MPa 對應輸送距離500～1500 m。

（3）灰罐+罐車。 罐車屬于新型環保運輸設備。裝車時，利用車載設備產生負壓，將除塵灰由密閉的灰倉輸入車輛罐體；卸車時，利用車輛自身設備或外接氣源產生正壓，將車輛罐體內的除塵灰排入密閉灰倉。 在裝車、運輸、卸車過程中除塵灰均處在密閉狀態，有效的解決了二次揚塵的問題。 罐車的技術參數見表3。

灰罐+氣力輸送、 灰罐+罐車方案均滿足環保、安全的要求。 考慮到馬鋼煉鐵總廠南區四座高爐距離除塵灰存儲目的地較遠，如果采用灰罐+氣力輸送方案，需要將四座高爐除塵灰送入1 座集中噴吹站，進行間接噴吹。 這樣動力消耗、基礎設施投資增加。因此本次設計采用灰罐+罐車方案。按表1 中各個高爐的灰量，結合罐車承載能力，各高爐的卸灰車次如表4 所示。

2.2 灰罐+罐車卸灰流程的優化

2.2.1 現有灰罐+罐車卸灰放散工藝

各鋼鐵廠實際應用的灰罐+罐車工藝流程如圖1～3 所示。正常生產時，高爐煤氣灰通過管道由粗煤氣除塵器系統灰斗流動至灰罐（以下稱卸灰）；再經灰罐下方和罐車管道，以罐車負壓、輔助輸送氮氣作為動力，輸送至罐車內（以下稱裝車）。

表3 罐車技術參數

表4 各高爐的卸灰車次

圖1 流程采用布袋收塵器過濾灰罐排出氣體至大氣。 卸灰操作時，可以選擇在卸灰時連通大氣或等待卸灰結束時再連通大氣。 當選擇在卸灰時連通大氣時，卸灰管道兩端壓差大，卸灰時間短，外排氣體的含塵量大； 當選擇在卸灰完畢時連通大氣時，特點相反。 從現場使用來看，布袋收塵器在使用期間，由于卸灰的間歇性，高爐煤氣中水分析出經常糊袋，檢修維護量大；如果采用蒸汽保溫，又增加介質消耗；裝車操作時，空氣容易經布袋收塵器反向流入灰罐中。

圖1 通過布袋收塵器吸排氣

圖2 流程直接將除塵灰裝、卸氣體的流動與粗煤氣系統連通。 卸灰時，高爐煤氣由灰罐流入粗煤氣系統；裝車操作時，高爐煤氣反向流動。 該流程取消了布袋收塵器，因此裝、卸灰時吸、排氣管易積灰堵塞；同時由于與粗煤氣連通，僅靠除塵灰自重來卸灰，導致卸灰緩慢；在灰罐積存的高壓煤氣易流入罐車中。

圖2 與重力除塵器聯通

圖3 流程直接將除塵灰裝、卸氣體的流動與煤氣干法除塵系統灰倉連通。 因煤氣干法除塵系統灰倉上部設置布袋除塵器，灰罐通過共用布袋除塵器的形式間接與大氣連通。 相比于圖2 流程，解決了卸灰管道兩端壓差小導致卸灰慢、灰罐積存高壓煤氣的缺點。 但是由于干法系統灰倉一般布置距粗煤氣區域有一定距離，卸灰時連通管道積灰的問題仍然沒有解決；裝車操作時，需向灰罐補充氮氣以避免干法除塵系統倒吸空氣的風險。

圖3 通過干法布袋灰倉吸排氣

2.2.2 灰罐+罐車放散工藝的優化

終上所述，可以看出卸灰過程兩條物質流動通道中，除塵灰的流動在各個流程沒有區別，而卸灰和裝車過程中，灰罐中的氣體的流動處理方式各個流程則完全不同。 因此在工藝流程優化設計中，灰罐中的氣體處理需要考慮以下因素：流動氣體含塵堵塞管道、卸灰間歇性、灰罐內煤氣（卸灰時0.2～0.3 MPa）可能進入罐車。

本工程的設計中，考慮到現有流程的缺陷，將灰罐+罐車放散工藝流程優化為圖4 所示。 采用金屬過濾板代替布袋除塵器來處理卸灰系統吸、排氣，設置氮氣反吹管道。 金屬過濾板設置位置盡量要靠近灰罐出口，以減少管道積灰段長度。 當卸灰操作時，據實際時間緊迫性，可選擇在卸灰時連通大氣或等待卸灰結束時再連通大氣； 裝車操作時，反吹氮氣經金屬過濾板反向流入灰罐中。

圖4 通過金屬過濾板吸排氣

2.3 優化工藝放散管路的設計

本工程為改造設計，受現有設施限制，灰罐體積為13 m3，高爐除塵灰入口DN300 mm、裝車接口DN150 mm。 放散管路長度100 m，配置金屬過濾板采用JB/T12836-2016《 不銹鋼燒結網》中規格，考慮到粗煤氣灰的性質，初選見表5。

從前述放散工藝來看，卸灰結束時再連通大氣放散是時間最長的過程，因此金屬過濾板選型按此為前提進行設計。

2.3.1 放散的物理模型

圖5 放散模型

圖6 各個參數間關系

為簡化計算，將放散系統簡化成圖5、 圖6 所示，灰罐內氣體通過依次通過金屬過濾板、管道通向大氣。 在忽略放散過程中氣體溫度變化、不考慮金屬過濾板及管道長度因素、假設系統各處氣體滿足氣體狀態方程的條件下，則整個過程滿足公式（1）～（6）。 式（1）為氣體狀態方程、式（2）～（3）為質量守恒公式、式（4）為金屬過濾板特性公式、式（5）為管道特性公式、式（6）為伯努利方程。

式中。U：灰罐容積；P：灰罐放散開始時壓力；T：氣體溫度；s1：金屬過濾板通流面積；h：金屬過濾板透氣度；P1：金屬過濾板低壓側壓力；V1：金屬過濾板低壓側速度；L：管道長度；D：管道直徑；s：管道通流面積；k：管道阻力系數；V：管道出口處速度；P0：大氣壓力；R：氣體常數；t：放散時間；ρ：氣體密度。

2.3.2 金屬過濾板、放散管道規格確定

式（1）～（6）采用迭代的方式求解，計算結果見表6。由表6 中結果看，對放散時間影響由大到小的因素依次為：放散管直徑、金屬過濾板直徑、金屬過濾板透氣度，其中放散管直徑起主導因素。 經分析對比，最終工程設計參數取放散管直徑≥80 mm、金屬過濾板直徑200 mm、金屬名義過濾精度10 μm。

表6 放散時間與管道、金屬過濾板關系

2.4 灰罐+罐車卸灰流程優化效果

實踐證明，采用灰罐+罐車的高爐粗煤氣除塵卸灰方案，并用金屬過濾板替代替代放散管道上的布袋收塵器，系統的密閉性良好，同時罐車裝、卸灰效率明顯改善，在單罐裝18 t 灰量的條件下，罐車裝車作業時間～12 min、卸灰作業時間～5min。

3 結語

通過分析對比，確定馬鋼高爐粗煤氣除塵卸灰流程改造采用灰罐+罐車方案，并用金屬過濾板替代放散管道上的布袋收塵器，有效解決了高爐粗煤氣系統卸灰作業的環保和安全隱患，達到了改造的目的。 但該設計在實踐過程中也有不盡人意的地方：

（1）由于金屬過濾板采用平板結構，反吹壓力與其強度不匹配，反吹壓中出現金屬過濾板開裂的情況，需要改善結構及支撐形式，防止受力不均。

（2）金屬過濾板長期的積塵難以避免，目前采用定期更換的辦法，長期應探索周期性清洗更換，以減少材料投入。