淺談大型轉(zhuǎn)爐一次煙氣低碳高能效超凈排放技術(shù)與裝備

周俊敏，李永輝，李新強(qiáng)，吳 量，高 璐，蔡澤龍

（1.青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島 266500；2.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018）

0 引言

為應(yīng)對(duì)氣候變化，我國(guó)提出“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”等莊嚴(yán)的目標(biāo)承諾。“十四五”規(guī)劃也將加快推動(dòng)綠色低碳發(fā)展列入其中。鋼鐵工業(yè)是物耗、能耗大戶(hù)，隨著當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施和提倡建立節(jié)約型社會(huì)，要堅(jiān)持開(kāi)源節(jié)流，科學(xué)地減少資源的消耗，有效降低碳排放。轉(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)生的煤氣熱值雖然不是太高，但是其數(shù)量巨大，噸鋼產(chǎn)生100 m3以上的含CO的煙氣具有很高的回收利用價(jià)值，并對(duì)降低碳排放起著至關(guān)重要的作用。目前，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量高居世界首位，從2020年底開(kāi)始，工信部一再?gòu)?qiáng)調(diào)，要圍繞“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，實(shí)施工業(yè)低碳行動(dòng)和綠色制造，堅(jiān)決要求壓減2021年粗鋼產(chǎn)量，并發(fā)布了新版《鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能置換實(shí)施辦法》，完善了產(chǎn)能信息預(yù)警發(fā)布機(jī)制。在此背景下，2021年我國(guó)粗產(chǎn)量仍高達(dá)10.3億t。隨著國(guó)家淘汰落后產(chǎn)能，煉鋼轉(zhuǎn)爐趨于大型化，開(kāi)發(fā)并推廣大型轉(zhuǎn)爐一次煙氣低碳高能效超凈排放技術(shù)及裝備是實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源與環(huán)境保護(hù)的雙贏途徑，是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煉鋼低能耗和粉塵超凈排放的有力措施，也是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要手段。

大型轉(zhuǎn)爐一次煙氣低碳高能效超凈排放系統(tǒng)通過(guò)“大型圓筒型電除塵器+柔性精細(xì)調(diào)節(jié)設(shè)備”的新工藝研發(fā)、工藝智能控制及精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制，在各個(gè)工藝細(xì)節(jié)層層突破，實(shí)現(xiàn)了更高標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)節(jié)能、超低排放和“降碳”等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。該技術(shù)是轉(zhuǎn)爐負(fù)能煉鋼的關(guān)鍵技術(shù)手段，通過(guò)智能化控制提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，降低了碳排放，為實(shí)現(xiàn)超凈排放和減碳目標(biāo)做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體描述

1.1 主要工藝

大型轉(zhuǎn)爐一次煙氣低碳高能效超凈排放系統(tǒng)主要用于處理大型轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的一次煙氣，在吹煉過(guò)程中，其瞬時(shí)煙氣處理量大、煙氣成分復(fù)雜且煙氣溫度隨冶煉階段的不同呈周期性劇烈變化。同時(shí)，在吹煉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量煙塵（含全鐵粉粉塵）和一氧化碳?xì)怏w，粉塵和一氧化碳都具備很高的回收價(jià)值。大型轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔馐紫冉?jīng)過(guò)汽化冷卻煙道降溫至1 000 ℃左右，然后通過(guò)多功能智能除塵冷卻器，將煙氣溫度從1 000 ℃降至200 ℃，并進(jìn)行粗除塵，再進(jìn)入圓筒電除塵器進(jìn)行精除塵，經(jīng)除塵后的煙塵濃度≤10 mg/Nm3，潔凈煙氣經(jīng)過(guò)柔性精細(xì)調(diào)節(jié)設(shè)備洗滌，確保溫度達(dá)到回收標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，再次凈化煙氣，確保煙囪排放含塵濃度長(zhǎng)期穩(wěn)定低于排放標(biāo)準(zhǔn)，使回收煤氣和排放煙氣均能長(zhǎng)期達(dá)到超凈排放要求。當(dāng)煙氣中煤氣達(dá)到可回收條件時(shí)，經(jīng)切換站進(jìn)入煤氣柜回收利用。反之，則通過(guò)切換站進(jìn)入放散煙囪點(diǎn)火放散。多功能智能型噴霧除塵冷卻器和電除塵器收集的粗、細(xì)粉塵通過(guò)輸灰裝置排出，并予以回收利用。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

1.2 工作原理

氧氣轉(zhuǎn)爐吹煉產(chǎn)生的煙氣溫度高達(dá)1 600 ℃，經(jīng)移動(dòng)煙罩吸排進(jìn)入汽化冷卻煙道。移動(dòng)煙罩為循環(huán)水冷卻并可根據(jù)需要控制升降，吹氧冶煉期間，爐口與移動(dòng)煙罩的間隙越小越好，盡量避免爐外空氣進(jìn)入。如果爐外空氣進(jìn)入量太多，空氣中的氧氣會(huì)與一氧化碳反應(yīng)燃燒，不但煙氣量增大，還會(huì)使煤氣含量下降，同時(shí)煙氣燃燒放熱后溫度會(huì)升高。高溫經(jīng)汽化冷卻煙道后，溫度由1 600 ℃降到800 ℃左右，然后進(jìn)入多功能智能型噴霧除塵冷卻器，在其內(nèi)部與噴入的水進(jìn)行熱交換，并急速降溫至200 ℃左右。噴入的水量由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)，確保噴入的水全部汽化。多功能智能型噴霧除塵冷卻器中噴入了大量的霧化水，不但能讓煙氣溫度降到200 ℃左右，也能對(duì)煙氣進(jìn)行調(diào)質(zhì)，使煙氣中粉塵的比電阻降到適合電除塵器捕集的范圍內(nèi)，同時(shí)多功能智能型噴霧除塵冷卻器也能對(duì)較大顆粒的粉塵進(jìn)行除塵，可以作為第一級(jí)除塵，其除塵效率一般可達(dá)30%左右；而后，200 ℃左右的煙氣進(jìn)入圓筒形電除塵器進(jìn)一步凈化。圓筒形電除塵器是整個(gè)凈化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備［1］。由于氧氣轉(zhuǎn)爐煙氣的主要成分為一氧化碳，具有引發(fā)爆炸事故的危險(xiǎn)性，因此為了使電除塵器有較好的空氣動(dòng)力，要避免在除塵器內(nèi)部形成煤氣和空氣的可燃性混合氣體，為防止氣體在電除塵器內(nèi)形成回流和死區(qū)，可以將電除塵器截面設(shè)計(jì)成圓形。圓筒形電除塵器在其進(jìn)出風(fēng)口配備有若干個(gè)不同級(jí)別的安全泄爆閥保護(hù)設(shè)備安全運(yùn)行［2］。從圓筒形電除塵器出來(lái)的煙氣通過(guò)風(fēng)機(jī)再經(jīng)柔性精細(xì)調(diào)節(jié)設(shè)備洗滌降溫確保超凈后，通過(guò)切換站按照不同成分自動(dòng)選擇不同路徑。符合回收標(biāo)準(zhǔn)的煤氣經(jīng)過(guò)切換站回收杯閥進(jìn)入煤氣柜，其余煙氣經(jīng)過(guò)放散煙囪點(diǎn)火放散；由多功能智能型噴霧除塵冷卻器捕集下來(lái)的粗顆粒粉塵可直接通過(guò)斗提機(jī)設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)至中間暫存灰倉(cāng)，在轉(zhuǎn)爐合適時(shí)機(jī)直接加入轉(zhuǎn)爐；由圓筒形電除塵器捕集的細(xì)顆粒粉塵，定期轉(zhuǎn)運(yùn)到處理車(chē)間回收利用。

1.3 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

適用轉(zhuǎn)爐容量為100～300 t；入口含塵濃度≤150 g/Nm3；出口含塵濃度≤10 mg/Nm3；系統(tǒng)阻力為7 500～8 000 Pa；煤氣回收量為 90～110 m3/噸鋼；系統(tǒng)耗電量為2～2.5 kW·h/噸鋼；系統(tǒng)耗水量為 0.1～0.2 m3/噸鋼；控制技術(shù)為實(shí)時(shí)自動(dòng)精準(zhǔn)控制。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1 “多功能智能型噴霧除塵冷卻器+電除塵器+柔性精細(xì)調(diào)節(jié)設(shè)備”模式

“多功能智能型噴霧除塵冷卻器+電除塵器+柔性精細(xì)調(diào)節(jié)設(shè)備”新工藝，與傳統(tǒng)的一次除塵工藝相比，除塵效率提高并且運(yùn)行更加穩(wěn)定，有效降低顆粒物排放量達(dá)5 mg/Nm3以上，可增收煤氣2～10 Nm3/噸鋼，節(jié)能減排效果顯著。

本工藝經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)研究，在傳統(tǒng)干法除塵系統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，將柔性精細(xì)調(diào)節(jié)設(shè)備前移至切換站之前，除滿(mǎn)足回收煤氣降溫的作用外，還可放散煙氣洗滌再除塵，確保放散煙氣排放含塵濃度長(zhǎng)期穩(wěn)定低于10 mg/Nm3，降低了放散排放粉塵濃度，噸鋼約降低排放4 g粉塵，按全國(guó)10億噸鋼計(jì)算，每年減少粉塵排放約4 000 t，真正實(shí)現(xiàn)了超凈排放，為減排工作做出較大貢獻(xiàn)。

2.2 多功能智能型噴霧冷卻及恒壓供水技術(shù)

針對(duì)轉(zhuǎn)爐煙氣工況特點(diǎn)，建立了流體熱交換溫度控制數(shù)學(xué)模型，開(kāi)發(fā)了多功能雙流霧化噴槍?zhuān)ㄕ羝?水、氮?dú)?水），水量調(diào)節(jié)范圍大，霧化效果好，確保了高溫?zé)煔獾臒峤粨Q效率，并采用智能型溫度調(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)行閉環(huán)控制，確保煙氣溫度恒定且水霧全部汽化。同時(shí)，蒸汽和氮?dú)饪梢曰ビ茫谡羝蛔銜r(shí)可用氮?dú)獯妫ＷC雙流噴槍的使用［3］。本技術(shù)還提供了一種定頻泵的恒壓供水裝置結(jié)構(gòu)形式，在需水量頻繁變化且需要響應(yīng)速度特別及時(shí)的狀況下保證供水壓力響應(yīng)及時(shí)且壓力保持不變的同時(shí)，減少變頻器和水泵的投資，降低裝置的建設(shè)成本，延長(zhǎng)了裝置的使用壽命。

本創(chuàng)新點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)穩(wěn)定的降溫控制，在達(dá)到降溫目的的同時(shí)，能更加精準(zhǔn)地控制蒸發(fā)冷出口溫度［2］，并根據(jù)工況隨時(shí)控制耗水量，減少了對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝節(jié)奏的干擾，大大提高了煉鋼效率。以前吹煉中斷時(shí)，可回收的煤氣都會(huì)因?yàn)榇禑捴型局袛喽黄确派ⅲ扇≡摷夹g(shù)后，煉鋼節(jié)奏得到保證，因吹煉中斷而被迫放散的轉(zhuǎn)爐煤氣（主要成分為一氧化碳）也大大減少，有效降低了碳排放。

2.3 高效超低排放系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

針對(duì)易燃爆煙氣工況和大煙氣量的特點(diǎn)，研發(fā)了國(guó)內(nèi)最大直徑防爆型圓筒電除塵器，開(kāi)發(fā)了新型的極配型式、極線張緊裝置、扇形刮灰裝置、自恢復(fù)安全泄爆閥、刮灰傳動(dòng)用一種自潤(rùn)滑剖分軸承、軌道式扇形刮灰裝置等專(zhuān)利技術(shù)，確保了電除塵器高效除塵和長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)率和煤氣回收質(zhì)量。

自主開(kāi)發(fā)的國(guó)內(nèi)第一套最大直徑防爆型圓筒電除塵器為大型轉(zhuǎn)爐徹底解決了煙氣量大、工況復(fù)雜等一系列難題，確保后續(xù)回收煤氣和放散煙氣的含塵濃度，為超凈排放打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.4 全新工藝控制模型

針對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)溫度和耗水量進(jìn)行精準(zhǔn)匹配，建立更加細(xì)致的微積分模型，增加包括吹氧量計(jì)算煙氣量的預(yù)判因素參與噴水控制，精準(zhǔn)有效地控制出口溫度和噴水量；爐口微差壓模型控制風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，代替轉(zhuǎn)爐階段的控制，減少了風(fēng)機(jī)耗電的同時(shí)，減少了爐口野風(fēng)的吸入，降低了爐口的煤氣燃燒系數(shù)，加之對(duì)轉(zhuǎn)爐降罩的要求，提高了煤氣中一氧化碳的濃度，增加了煤氣回收量，并提高了回收煤氣的熱值［4］；柔性精細(xì)調(diào)節(jié)設(shè)備根據(jù)回收或放散的不同狀態(tài)設(shè)置不同的噴水控制方式，放散階段更是根據(jù)出口粉塵排放濃度實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，在確保排放達(dá)標(biāo)的情況下，最大限度地節(jié)約用水。該技術(shù)在控制工藝細(xì)節(jié)中還增加了對(duì)吹煉結(jié)束轉(zhuǎn)爐提槍后的高濃度煤氣進(jìn)行回收的工藝控制環(huán)節(jié)，即原來(lái)系統(tǒng)控制中，轉(zhuǎn)爐提槍后，煤氣回收立即切換為放散模式，15～60 s內(nèi)煤氣成分仍在可回收的條件范圍，但因控制手段不夠造成該部分煤氣的浪費(fèi)且增加了碳排放。該技術(shù)將該部分高濃度煤氣合理且安全地回收利用，有效降低了一氧化碳的無(wú)效排放。

3 系統(tǒng)存在的不足

該研究成果雖然已廣泛應(yīng)用于各種型號(hào)的轉(zhuǎn)爐煙氣治理，在節(jié)能減排方面也在鋼鐵行業(yè)得到廣泛認(rèn)可，但由于轉(zhuǎn)爐煉鋼周期性強(qiáng)，生產(chǎn)節(jié)奏快，而且鋼種較多，加入廢鋼的成分也比較復(fù)雜，因此煙氣成分變化范圍較大。當(dāng)煙氣成分或工況瞬間對(duì)電場(chǎng)造成抑制時(shí)，有可能導(dǎo)致電場(chǎng)參數(shù)的波動(dòng)，為避免上述情況發(fā)生，應(yīng)積累轉(zhuǎn)爐煉鋼各種工況下的電場(chǎng)參數(shù)，形成數(shù)據(jù)庫(kù)，以便發(fā)生極端情況時(shí)用于做出科學(xué)的預(yù)判，將該系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼節(jié)奏的影響降至最低，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)反饋情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線診斷，充分利用好網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，不斷完善該項(xiàng)目的技術(shù)成果。針對(duì)目前的技術(shù)需求，研究人員已著手該方面的研究和試驗(yàn)，儲(chǔ)備相關(guān)技術(shù)，爭(zhēng)取早日在工程項(xiàng)目上有技術(shù)突破，讓用戶(hù)獲得更好的服務(wù)和體驗(yàn)。

4 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)大型轉(zhuǎn)爐一次煙氣低碳高能效超凈排放技術(shù)的研發(fā)，進(jìn)一步掌握了大型轉(zhuǎn)爐一次煙氣低碳高能效超凈排放技術(shù)與裝備的關(guān)鍵，并結(jié)合我國(guó)鋼鐵行業(yè)的發(fā)展特點(diǎn)，通過(guò)創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)出一種具有自主創(chuàng)新知識(shí)產(chǎn)權(quán)又適合我國(guó)大型轉(zhuǎn)爐新建、改造的投資少、能耗低、建設(shè)速度快的大型轉(zhuǎn)爐煉鋼煙氣超凈排放系統(tǒng)，使國(guó)內(nèi)企業(yè)具備大型轉(zhuǎn)爐一次煙氣低碳高能效超凈排放系統(tǒng)成套設(shè)備設(shè)計(jì)和供貨的綜合能力。但是，該技術(shù)也有不足之處，例如智能化控制還不完善、大數(shù)據(jù)利用率較低等，還需要在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)創(chuàng)新，以便更好地服務(wù)生產(chǎn)、服務(wù)社會(huì)，創(chuàng)造更大的價(jià)值。