轉爐煤氣HLG干法凈化與回收系統用煤氣冷卻器的工藝優化研究

武常芳 薛琨 車雙平 王艷婷 吳佳

摘?要：轉爐煤氣HLG干法凈化與回收系統用煤氣冷卻器為正壓冷卻設備，對干法除塵和煤氣柜的中間連接起到至關重要的作用。本文闡述了煤氣冷卻器的工作原理和運行期主要影響因素，并提出實際運行中的工藝優化改進措施。

關鍵詞：轉爐煤氣HLG凈化與回收系統;煤氣冷卻器;工藝優化

1?緒論

鋼鐵行業是僅次于火電廠的第二大氣體污染物排放產業。2019年4月28日，生態環境部、國家發展改革委等5部委聯合印發《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》，正式拉開了鋼鐵行業超低排放改造的序幕。

目前，我國鋼鐵行業正在推廣的轉爐煤氣HLG干法凈化與回收系統是一項能夠實現節水、節電和資源最大限度回收利用的集成技術[1]。煤氣冷卻器作為系統的最后一道關鍵工序，起到煤氣再降溫和進一步精除塵的作用，可滿足煤氣柜的凈煤氣要求或煤氣放散的超低排放濃度要求（≤10mg/m3），其運行狀態直接影響到整個系統的運行效果。

2?煤氣冷卻器概述

2.1?工作原理

煤氣冷卻器通常布置于靜電除塵器之后、切換站之前，主要通過噴淋系統噴出的霧滴與熱煤氣進行熱量傳遞，實現煤氣降溫和進一步除塵[2]。此時經圓筒形靜電除塵器的煤氣溫度由150～200℃降到70～80℃后，通過切換站的液壓杯閥切換進入煤氣柜或者從煙囪放散。

煤氣冷卻器為豎直放置的圓筒形結構，其不同高度設置有數個向下噴淋霧滴的噴嘴，煤氣從下向上流動，并與小霧滴充分接觸，在降溫、體積減小后被送入煤氣柜。煤氣冷卻器底部的錐段設置有回水箱和回水管路，當水面達到設計高度時將通過回水管路送至熱水池，經上塔泵進入淺層砂過濾器處理。處理后的水經玻璃鋼冷卻塔冷卻后落入冷水池，由供水泵輸送至煤氣冷卻器的噴淋環管，進入下一輪循環。

此外，煤氣冷卻過程中的小霧滴可以捕捉到煤氣中的顆粒物，使電除塵器出口煤氣的粉塵含量由15mg/Nm3降至10mg/Nm3以下。

2.2?運行過程中的主要影響因素

影響煤氣冷卻器運行效率的因素有很多，如氣流分布均勻程度、煤氣流速、噴嘴類型及布置密度、噴嘴孔徑及噴嘴前噴淋環管水壓、煤氣與霧滴的接觸時間、煤氣與霧滴的相對運動方向等[3]。噴水量的控制是煤氣冷卻器降溫和除塵效果的關鍵，其大小通常用水氣比來表示。實踐證明，在一定的范圍內增加噴水量能提高熱濕交換率，可根據不同的煤氣處理工況，結合理論計算和工程實踐確定最佳水氣比。

3?工藝優化改進措施

3.1?轉爐煤氣干法凈化與回收工藝的優化改進

現有的轉爐煤氣干法凈化與回收系統中，煤氣冷卻器通常設置在切換站之后，只有當煤氣符合回收條件時才流經煤氣冷卻器進行降溫和除塵，之后進入煤氣柜;而不符合回收條件的煤氣則直接通過煙囪放散，此時放散煤氣沒有經過進一步除塵，粉塵排放濃度很難穩定控制在10mg/Nm3以下。

我公司經過研究討論和優化改進，所研發的轉爐煤氣HLG干法凈化與回收系統將煤氣冷卻器在整個工藝系統中的位置前移到切換站三通閥組之前，此時無論煤氣進行回收還是放散，都可通過煤氣冷卻器進行相應的處理，并保證回收或放散煤氣的含塵濃度低于10mg/Nm3，達到超低排放要求。

該工藝優化改進的重點在于：

（1）煤氣冷卻器入口管道結構的設計，應該充分考慮煤氣進入筒體后的氣流均布性。我公司通過CFD模擬實驗，確定了合適的管道入口角度和深度，以保證煤氣在冷卻器內分布均勻;

（2）煤氣冷卻器的位置前移后，噴槍、噴嘴的選型以及噴水量的控制都非常重要，應保證霧滴與煤氣的充分接觸;

（3）應注重煤氣冷卻器出口段除霧裝置的選型，其工作效率直接影響著后續煤氣的熱值及煤氣回收的價值。

3.2?噴淋裝置的優化改進

現有煤氣冷卻器的噴淋系統由供水管、環管、噴槍、噴嘴等構成。噴槍一般分兩層布置，每層的噴槍數都為雙數，通常為上6下8，噴嘴豎直向下噴水，兩層之間噴槍的校對需要錯開，防止兩層之間噴射水流相互干涉。兩層噴槍的結構相同，但所配噴嘴不同。上層環管配備螺旋噴嘴，下層環管配備渦旋噴嘴，噴射介質均由供水系統的上塔泵提供，兩層環管共用一套儀表和閥組（電磁流量計、壓力變送器、就地壓力表、蝶閥及球閥）。現有噴淋系統普遍存在噴槍水量不足、噴槍無法有效噴射等問題。

改進后的煤氣冷卻器在進氣管道內增加了雙介質噴槍，對煤氣進行預處理，減少煤氣體積。同時通過CFD氣流模擬，對煤氣冷卻器的噴淋裝置進行優化改進，在筒身段沿圓周方向布置與內截面氣體流速相適應噴淋噴嘴，使噴淋量與同一截面不同點的氣量相適應，達到均勻冷卻和節約噴淋水的目的，并保證煤氣冷卻器出口氣流的溫度均勻。噴淋噴嘴的分布密度和插入深度與內截面氣體相適應，有助于噴淋霧滴快速、充分地與熱煤氣接觸并進行熱量交換。噴槍分兩層布置，兩層環管各用一套儀表和閥組（電磁流量計、壓力變送器、就地壓力表、蝶閥及球閥）分別進行控制。

3.3?新型低阻防堵除霧裝置的設計

經過冷卻的煤氣中含有大量的小霧滴，為了提高煤氣的熱值、節約用水，需要對煤氣進行除霧處理。故在煤氣冷卻器上部接近出口的位置安裝了兩級除霧裝置，包括粗除霧（S型板式除霧器）和精除霧（層狀結構的絲網除沫器），并通過支撐梁安裝在噴淋系統的上方。除霧裝置由多個平行的噴嘴組件組成，布置在整個煤氣冷卻器的橫截面上。降溫后的煤氣通過除霧裝置后可除去99%的小霧滴，由除霧裝置捕集的小霧滴聚集成大水滴后落入煤氣冷卻器底部的水箱里。粗除霧與精除霧之間布置有沖洗裝置，沖洗系統由供水管路以及若干個噴嘴組成，除霧裝置工作一定時間就需要對除霧裝置進行沖洗操作。整個除霧裝置的總阻力不高于350Pa。

3.4?頂部錐段設置彈簧自閉式三級泄爆閥

轉爐煤氣具有無色、無味、劇毒等特點，極易造成煤氣中毒和爆炸危險，因此轉爐煤氣凈化與回收系統對各設備的密封性、可靠性、操作精確性等要求很高，必須保證系統各設備運行安全、穩定、可靠。

本公司在煤氣冷卻器頂部錐段上設置彈簧自閉式三級泄爆閥，結構簡圖參見圖2，當煤氣冷卻器殼體內部出現過壓現象時，泄爆閥閥蓋受到的動壓大于閥蓋自重及彈簧組對閥蓋的拉應力，此時閥蓋在沖擊力作用下被打開，進行殼體內泄壓。當壓力泄放到一定程度后，沖擊力對閥蓋的作用力急劇減小，此時泄爆閥閥蓋在彈簧組作用下快速復位、閉合，從而保護煤氣冷卻器殼體、內部噴淋系統及除霧裝置不受沖擊或者損壞。

4?煤氣冷卻器優化改進應用情況

目前，我公司已將此優化改進后的煤氣冷卻器成功應用于某鋼廠新建2套公稱150t頂底復吹式轉爐煤氣一次干法除塵系統項目。生產實踐證明，煤氣冷卻器在優化改進后的粉塵排放濃度達到超低排放要求、凈化效果顯著，且系統運行穩定、各項指標都滿足設計要求。這將有助于提高煤氣質量，為煤氣并網帶來延伸效益，并避免煤氣中粉塵對管網的磨損傷害，經濟效益和環境效益顯著。

5?結論

轉爐煤氣HLG干法凈化與回收系統用煤氣冷卻器的優化改進，不僅適用于轉爐煤氣一次干法除塵新建項目，也適用于轉爐煤氣濕改干技改項目，具有可觀的經濟效益和環境效益，能夠為打好藍天、碧水、凈土保衛戰做出貢獻，具有廣泛的推廣應用前景。

參考文獻：

[1]陳凱，高海波，湯雷.轉爐干法除塵系統煤氣回收的分析與研究[J].中國新技術新產品，2019，（11）：4445.

[2]王大雷，張從鵬，魏立軍.轉爐干法除塵中煤氣冷卻器工藝系統研究改進[J].資源節約與環保，2013，（2）：11.

[3]郭小蘭.轉爐干法除塵煤氣冷卻器設備優化設計[J].通用機械，2014，（11）：6870.