39000 kVA高碳錳鐵密閉礦熱爐高溫爐氣干法凈化技術研究

汪為忠

(合肥合意環保科技工程有限公司，安徽 合肥 230022)

1 引言

目前我國錳硅電爐多數采用全封閉型爐型，在冶煉時會產生大量的含有高溫、高濃度CO的含塵爐氣，若采用干法凈化技術處理此爐氣后綜合利用可以帶來大量的經濟效益，并且極大改善生態環境[1～3]。

2 39000 kVA高碳錳鐵礦熱爐高溫爐氣主要參數

(1)爐氣參數。爐氣量：單臺12700Nm3/h(共1臺)；爐氣溫度500 ℃～600 ℃；含塵濃度120 g/Nm3～150 g/Nm3；壓力：爐內壓力-5～+5 Pa。

(2)爐氣成分：CO為65%～80%，H2為5.5%，CH4為3%，CO2為16%，O2為0.5%～1%，N2為5%～7%，發熱值約為2800 kcal/Nm3。

(3)煙塵成分：SiO2為15%～20%，FeO為8%，MgO為10%，Al2O3為2%～6%，CaO為2%～5%，C為10%，Mn為30%。

(4)煙塵粒度(μm)：小于1 μm粒徑的粉塵約占總量的60%～80%，3～10 μm粒徑的粉塵約占總量的10%～20%，大于10 μm粒徑的粉塵占總量低于10%[4]。

3 系統簡述

高碳錳鐵密閉礦熱爐高溫爐氣干法凈化采用防爆型爐氣反吹袋式除塵器，系統均為正壓，每臺電爐單獨設置一套爐氣凈化系統。每套爐氣凈化系統包括主煙道、水冷管道、緊急旁通調節蝶閥、一、二級沉降冷卻器、夾套沉降冷卻器、冷卻風機、防爆型袋式除塵器、凈氣風機、煤氣冷卻器、氣柜、點火器、放散煙囪等設備。主要凈化工藝流程如下。

密閉礦熱爐爐氣進入爐氣凈化裝置之前安裝有一組緊急旁通調節蝶閥，當爐氣凈化系統出現緊急情況或爐子出現不正常情況時緊急旁通調節蝶閥打開，爐氣通過一次放散煙囪點火排放[5～7]。正常情況下煙氣從主煙道直接接入爐氣凈化系統。高溫煙氣首先經過一段水冷管道后進入一、二沉降冷卻器及夾套沉降冷卻器，使進入布袋除塵器的爐氣溫度達到220～250 ℃。通過粗氣風機送入防爆型袋式除塵器過濾，經布袋除塵器過濾后含塵濃度降低至30 mg/Nm3。再由凈氣風機送至煤氣冷卻器，將煙氣冷卻至50 ℃以下，進入氣柜供用戶使用，煤氣冷卻器采用強制風冷方式[8]。

本項目設計時預留強制冷卻風機位置，當爐氣溫度波動過大，三級冷器無法將爐氣溫度降至要求的溫度時，設置強制冷卻風機，當進入布袋除塵器的煙氣溫度高于設定溫度時冷卻變頻風機加速，提高換熱量來降低進入布袋除塵器的煙氣溫度；當進入沉降冷卻器或強制空冷器的煙氣溫度低于設定溫度時冷卻變頻風機減速，減少換熱量來提高進入布袋除塵器的煙氣溫度。

除塵器采用圓形防爆式除塵器。采用爐氣反吹清灰的結構方式。凈化后的氣體由濾袋內部進入上箱體，再通過排風管、加壓風機外送。除塵系統正常工作時，灰斗中的粉塵通過除塵器灰斗下面的電動卸灰閥，受DCS自動控制有規律地卸到埋刮板輸送機中，由埋刮板輸送機送入地面儲灰倉儲存，集中采用密閉罐車運輸回收利用。另外在埋刮板輸送機頭部設有低壓氮氣保護，使刮板輸送機、儲灰倉均處在微正壓狀態工作，避免外界空氣進入除塵系統，在儲灰倉頂部設有一臺污氮處理器，保持系統內氮氣平衡。

隨著過濾過程的不斷進行，濾袋外表面所附積的粉塵不斷增加，導致袋除塵器本身的阻力逐漸升高。當阻力達到預先設定值時清灰控制器發出信號，對除塵系統進行自動清灰。整個清灰過程主要通過爐氣反吹系統完成，各室依次輪流進行。直到最后一個筒體的最后一個室清灰完畢為一個周期。清灰時各單元按順序分別進行、互不干擾，實現長期連續穩定運行。各筒體清灰后通過DCS自動控制。當冷卻器、布袋除塵器的灰斗、儲灰倉中發現堵灰時，可定時在監控畫面上或用現場手動按鈕點動事先安裝在灰斗上的脈沖氮氣清堵炮，直到把堵塞部位清通為止。在開機或檢修時要事先打開裝設在除塵器頂部的放散球閥和灰斗底部的吹掃球閥，用氮氣置換其間的殘余爐氣，確保運行和檢修安全[9]。

為了滿足工藝正常生產對爐壓的要求，整個系統風量由爐壓控制，爐壓控制通過微差壓變送器和氣動調節閥的開度來實現，當爐頂壓力>5 Pa或<-5 Pa時DCS自動控制系統自動(可以手動)控制調節閥的開度，減小或加大抽風量，以達到礦熱爐爐內壓力穩定的作用。同時該系統對爐氣中H2、O2、CO 3種氣體含量在線檢測，當含量超標時關閉凈化系統，爐氣由急旁通調節蝶閥切換進行點火放散。

4 高溫爐氣干法凈化系統設計

4.1 系統煙氣量取值

39000 kVA高碳錳鐵密閉礦熱爐年產量88480 t/a，礦熱爐每年運行時間按330 d考慮，以此計算出礦熱爐小時產量為11.17 t/h。每噸高碳錳鐵發氣量為1100 Nm3/h(該數值根據物料平衡計算得出，具體可參考《鐵合金實用生產技術手冊》)[10]，得出39000 kVA高碳錳鐵密閉爐煙氣量為12287 Nm3/h。考慮密閉礦熱爐存在一定的漏風率，漏風率按3%考慮，得出煙氣量為12655 Nm3/h，取整為12700 Nm3/h。

4.2 系統阻力計算

以39000 kVA高碳錳鐵為案例。

設進口煙氣量為12700 Nm3/h，煙氣溫度650 ℃，流體密度在650 ℃下為0.38 kg/m3。

4.2.1 重力沉降冷卻器

重力沉降冷卻器外形尺寸為φ3.2×15 m，本項目中共3臺。

=164.7 Pa

(1)

式(1)中：f為除塵器內摩擦系數；L為—除塵器高度，m；Rh為除塵器的水力半徑，m；ζi為入口阻力系數；ζo為出口阻力系數；ρg為氣體密度，kg/m3；V為除塵器橫截面上氣流平均速度，m/s。

重力沉降總阻力為164.7×3=494.1 Pa。

4.2.2 管道阻力

以下管道長度已考慮管道中必要的彎頭，彎頭按當量長度計算(彎頭R=1D)，阻力按管道阻力的2.4倍考慮，最終彎頭尺寸及轉彎半徑需等詳細設計結束后方可確定。以下公式中已包含該阻力(參考《除塵工程設計手冊》)。

(1)一級重力沉降冷卻器進口管道，溫度設定650 ℃，流體密度0.38 kg/m3。管道按爐蓋至重力沉降，長度20 m計算。

=428 Pa

(2)

式(2)中：f為管道內摩擦系數；L為管道長度，m；D為管道直徑，m；VG為管道流速，m/s；ρ為氣體密度，kg/m3。

(2)一級重力沉降冷卻器至二級重力沉降冷卻器之間的管道，溫度設定500 ℃，流體密度0.42 kg/m3，管道長度14 m。

=290.8 Pa

(3)

(3)二級重力沉降冷卻器至夾套旋風冷卻器之間的管道，溫度設定400 ℃，流體密度0.5 kg/m3，管道長度12 m。

=232.2 Pa

(4)夾套旋風冷卻器至粗氣風機的管道，溫度設定230 ℃，流體密度0.71 kg/m3，管道長度20 m。

=572 Pa

4.2.3 過濾器阻力

過濾器總阻力=過濾器設備阻力+濾料阻力+沉積粉塵層阻力。其中，過濾器阻力為200～500 Pa，濾料阻力為50～100 Pa，粉塵阻力為500～1500 Pa。選擇的過濾器風速在0.6 m/s，其過濾器阻力約300 Pa，濾料阻力為100 Pa，粉塵阻力根據清灰周期的變化而變化，暫定為1000 Pa，其總阻力約1400 Pa。

按以上公式得出粗氣風機前后總阻力為：P總=Δp1+Δp2+Δp3+Δp4+Δp5+Δp6+過濾器阻力=494.1+428+290.8+232.2+572+1400=3417.1 Pa。

根據該阻力選擇8000 Pa粗氣風機，其運行頻率在70%時得出粗氣風機壓力為0.7×0.7×8000=3920 Pa>3417.1 Pa，滿足系統使用要求。

5 結語

39000 kVA高碳錳鐵礦熱爐高溫爐氣干法凈化系統設計技術成熟，系統通過嚴格設計計算，各部分運行阻力低；可長時間連續穩定運行，系統采用防爆型袋式除塵器，過濾后含塵濃度降低至30 mg/Nm3，高溫煙氣經過水冷管道、一、二沉降冷卻器及夾套沉降冷卻器等，溫度可控在220～250 ℃范圍進入布袋除塵器，有效防止了高溫對濾袋的損傷，延長了濾袋的使用壽命，采用這種干法凈化工藝，可回收含Mn的粉塵進行綜合利用，回爐再次使用，大大提高了錳的利用率。