150 t轉爐汽化冷卻煙道的研究及應用

楊 麗，牛振華，韓朝暉

（1.安陽職業技術學院（安陽市高級技工學校）；2.安陽市應急管理局，河南安陽 455000）

概述

某煉軋廠煉鋼車間有3 座150 t 轉爐，一次除塵采用傳統的OG 法濕式除塵系統。原有的一次除塵系統排放濃度達到100 mg/m3，已無法滿足國家和本地區排放標準要求。同時，濕法除塵產生大量的煉鋼污泥，難以處理，在運輸和使用過程中產生二次污染，耗水量大。經過技術交流和調研，將一次除塵改為轉爐煙氣干法除塵系統，于2018 年6 月完成2號轉爐除塵系統的改造。

轉爐干法除塵系統是以轉爐煙氣含塵處理，冷卻及凈化冶煉中產生的所有氣體，并回收含有一氧化碳的氣體供用戶使用為主要目的的工藝過程。轉爐干法除塵工藝流程如圖1所示。

圖1 轉爐干法除塵工藝流程圖

1 改造后的150 t 轉爐干法除塵汽化煙道結構和影響因素分析

轉爐干法除塵系統的汽化冷卻煙道為余熱鍋爐，屬于特種設備。煙道內有高溫煙氣和粉塵顆粒，特別是在爐口的活動煙罩及爐口段煙道內溫度高達1 200 ℃以上，隨著煙道的向外延伸，在固定煙道一段和固定煙道二段內溫度會逐漸降低到幾百度。由于受鋼鐵冶煉工藝的影響，鋼包內的溫度是波動變化的，煙道內的溫度也會隨之波動［1］。煙道始終是處于動態的工作狀態，在這種惡劣復雜的工況環境下，煙道一旦出現一絲紕漏，都會導致煙氣泄漏而停產。

1.1 轉爐煙道結構

150 t轉爐汽化冷卻煙道結構共有五部分組成，分別為活動煙罩、爐口段煙道、固定煙道一段、固定煙道二段和尾部煙道。煙道采用高壓鍋爐用的無縫鋼管，材質為20G。

1.2 影響因素分析

轉爐在吹煉時首先由活動煙罩捕集高溫煙氣，然后通過汽化冷卻煙道對煙氣進行初次降溫，使得煙道出口煙氣溫度降為800～1 100 ℃。同時，為降低鋼液含碳量，需使用氧槍對其進行吹氧除碳，致使煙道內的溫度會驟然增高，而在停止吹氧的瞬間，溫度會驟然下降。隨著煙氣溫度的陡升和陡降，煙道會產生膨脹和收縮，時刻承受交變應力的作用，進而影響煙道的使用壽命。影響汽化煙道使用的主要因素如下。

（1）煙道管壁的磨損。由于爐氣中含有大量的氧化鐵煙塵，含塵量在80～120 g/m3，在吹煉時，煙塵與受熱面管子摩擦造成受熱面磨損。

（2）爐口段固定罩結渣。在轉爐煉鋼過程中有鋼渣噴射到爐口段固定罩受熱面上，形成大面積結渣，結渣區域換熱效果差，將會造成局部過熱損壞煙道。在清渣過程中易使受熱面造成機械損傷，或者直接損壞受熱面。

（3）煙道管壁溫度變化大。由于轉爐冶煉的過程操作周期短，熱量變化速率快，隨著吹煉和停吹而使管壁的溫度產生很大變化，進而引起管壁產生交變熱應力，導致煙道上產生裂紋甚至破裂而發生泄漏事故。

（4）煙道制造工藝不當。煙罩制造過程中稍不注意就容易造成機械性損傷，如錘擊或硬物磕碰劃傷等，這些在受熱管壁表面的損傷，長時間易誘發產生裂紋。

2 轉爐汽化冷卻煙道結構、參數及適應性設計

2.1 煙道結構的設計

（1）把爐口段和固定煙道一段設為整體結構，把總進水管設為四路進水，使每根受熱管的進水量得到充足配額，有效改善水動力不足，使受熱管的冷卻效果得到保證，能防止過早出現熱應力疲勞破壞的現象，提高煙道的使用壽命。

（2）活動煙罩用抱箍式吊耳結構，不與圍管直接焊接，使得煙道在熱脹冷縮時能處于自由狀態，這樣即可消除煙道產生熱應力，避免因煙道撕裂出現漏水現象。用加強箍固定爐口段，避免煙道與支吊點直接焊接。

（3）固定煙道一段上聯箱及附近煙道均設為外翻結構，避免其直接受到火焰的烘烤，防止上聯箱圍管產生撕裂［2］。固定煙道一段較長，安裝兩個彈簧吊架對其支撐，并安裝一個導向支架。

（4）在固定煙道二段靠近與尾部煙道連接的彎頭附近設置兩個彈簧吊架。為提高煙道使用的安全性，在尾部煙道安裝兩根雙介質（水和氮氣）噴槍，起到降溫、滅火和防爆作用。在尾部煙道末端設置兩個彈簧吊架進行支撐。

（5）為了降低煙氣在煙道內的流動阻力，盡量減少煙道直管段的長度和彎頭的數目。

2.2 煙道參數的設計

活動煙罩直接罩在轉爐爐口處，其形狀為圓臺形，大端內徑為4 462 mm，小端內徑為3 520 mm。如圖2 所示，進出、口聯箱垂直設置在受熱圓臺兩側，活動煙罩由受熱管沿水平方向纏繞，每根環繞管組成兩條獨立的循環線路，用圓鋼在活動煙罩內各層環管之間進行填充，高度為1 067 mm。活動煙罩工作時由4 個導輪控制煙罩的升降，其行程大約800 mm［3］。活動煙罩受熱面采用鎳鉻噴涂，厚度不小于0.3 mm，表面必須嚴實密封光滑。

圖2 活動煙罩截面圖

爐口段煙道外徑為3 370 mm，內徑為2 904±5 mm，煙道出口傾角為55°。

固定煙道一段和固定二段直徑均為2 904±5 mm。

尾部煙道直徑為2 904±5 mm，其偏離固定二段的距離為5 500 mm。

2.3 尾部煙道內安裝導流板和隔流板

由于在豎直煙道中煙氣為高流速區，在煙道彎頭外煙道壁面煙氣為低流速區，煙道內會有產生渦流，煙氣流經煙道的過程中壓降較大，因而容易形成積灰。在尾部煙道受熱管內安裝螺旋形不銹鋼導流板和隔流板，使得煙道內煙氣幾乎不存在低流速區，能改善煙道內煙氣流動，使之也更加均勻，減少煙道積灰，提高了換熱效果，可有效防止爆管的發生，因此導流板和隔流板對改善煙氣出口氣流分布和避免渦流產生具有重要的作用。

3 效果分析

實踐證明，通過對轉爐干法除塵系統汽化冷卻煙道結構的改造與應用，系統排放的粉塵濃度降低至20 mg/m3以下，消除煉鋼污泥，消除污泥運輸的二次污染，達到國內先進水平。

2 號和3 號轉爐都屬于同時期建設的150 t 轉爐，2 號轉爐使用轉爐煙氣干法除塵系統，3 號轉爐使用傳統的OG 法濕式除塵系統。為了了解除塵的實際效果，2019 年3 月份，從2 號轉爐和3 號轉爐的各隨機采集了80個爐號的數據，并對其粉塵排放濃度進行了對比。從圖3 中可以看出，干法除塵系統安裝后，粉塵排放濃度由原來OG 法濕式除塵系統的100 mg/m3以下，降低到20 mg/m3以下，消除了煉鋼污泥。

圖3 干法除塵與濕法除塵粉塵濃度對比圖

4 結論

干法除塵系統的應用，大幅提高了能源的利用效率和各種副產煤氣的回收利用。一是煙氣除塵效果好，可達到10～20 mg/m3。二是延長了煙道的使用壽命。與OG 法濕式除塵系統相比，爐口段從原來的1 年更換延長到2 年更換，活動煙罩3 年更換，尾部煙道4 年更換，回收蒸汽量穩步上升，顯著提高了經濟效益。三是安裝導流板和隔流板后，進入除塵器喇叭口煙氣流量相差較小，達到均布氣流的目的。四是系統阻損僅為OG 法濕式除塵的1/3，有效降低電耗，并能多回收煤氣5%～10%，提高除塵的效率和企業的整體效益。