鋼鐵廠轉爐濕法除塵系統優化改造實踐*

馮夢雅，李 軍，賴 穎

（1.廣東松山職業技術學院，廣東韶關 512126；2.珠海粵裕豐鋼鐵有限公司，廣東珠海 519050）

0 引言

面對日益嚴峻的資源和環境壓力，中國鋼鐵產業正在經歷產業結構優化升級的階段［1］，因此對鋼鐵企業轉爐排放和煤氣回收的要求也越來越高。如何在最大程度上利用現有設備進行除塵系統優化改造，提高煤氣回收量和降低顆粒物排放，成為一個亟待解決的問題。

轉爐濕法除塵技術是一種在國內國際上非常成熟的除塵技術［2］，目前仍然處在不斷發展完善的過程中，國內的研究人員也在節能減排方面做出了大量研究。劉瑛等［3］通過對濕法除塵工藝的分析，指出洗滌塔加文氏管的工藝能夠從源頭上解決除塵水與轉爐煤氣夾雜的問題，具有較強的實踐價值。劉棟［4］對濕法除塵技術在轉爐煤氣除塵系統中的應用進行介紹，結果表明對轉爐煤氣放散排放量的減少具有顯著效果，大幅降低大氣污染。楊瑩莉等［5］對轉爐濕法除塵超低排放技術、聲波團聚超低排放技術等進行了詳細介紹，為國內的鋼鐵企業進行除塵系統改造提供經驗。王宇鵬等［6］分析轉爐煙氣濕法除塵技術在實踐過程中氣霧噴槍、噴淋塔和喉口產生的問題并提出改進的方法和思路。高致遠和李朝輝等［7－8］對濕法除塵技術在轉爐煤氣除塵中的應用進行介紹，通過對比改造前后電除塵器出入口含塵量和除塵效率，結合經濟效益和社會效益測算，表明轉爐濕法除塵具有實踐性。唐國蘭等［9－15］對各領域除塵系統產生的問題進行總結介紹，并提出相應的改造工藝建議。但是當前對于轉爐濕法除塵系統的改造實踐研究尚少。基于此，考慮到鋼鐵廠的實際生產和經營情況，為提高轉爐煙氣中顆粒物濾除效率，降低環境污染和企業的經營成本，本文在廣東某鋼鐵廠開展轉爐濕法除塵系統優化改造實踐，對除塵工藝以及除塵裝置進行改進，并對改造結果進行評估。結果表明：本次改造能夠有效提高煙氣中顆粒物的濾除效率，降低環境污染和企業的經營成本。

1 轉爐濕法除塵系統及現狀

該鋼鐵廠目前已有三座80 t轉爐，均采用一次煙氣凈化濕法除塵系統，主要包括溢流文氏管、線性環縫文氏管、洗滌塔、脫水塔等。由于煙氣除塵能力不足，尾氣顆粒物超標，造成大氣污染。顆粒物無法及時濾除同時降低回收煤氣的品位，降低回收煤氣的產量，造成能源的浪費。系統管道內積累大量污垢，每個月需定期組織人員進行人工清淤，影響生產效率。

一次除塵系統的工作原理主要為：煉鋼時轉爐爐口溢出1 400～1 600℃的高溫含塵煙氣，經過冷卻煙道后進行降溫，依次進入溢流文氏管、重力脫水器、可調喉口文氏管、彎頭脫水器等進行除塵脫水得到凈化后的煤氣，通過風機抽入經過三通閥，具備回收價值的煤氣進入煤氣柜儲存使用，而不具備回收價值的煤氣經過三通閥到放散煙囪點火后進行排放。

濕法除塵的主要優點在于能夠將轉爐產生的高溫煙氣進行冷卻、除塵和滅火，且除塵系統的運行穩定性較高，但存在下列缺點：除塵效率不高，檢修難度大，檢修頻繁，對正常的煉鋼生產造成嚴重影響；運行費用高。為滿足GB28664－2012及今后日趨嚴格的排放標準，排放需要達到30 mg／m3以下的水平，并實現降低維護量和運行費用的效果，綜合考慮廠房空間、工藝流程等方面，最終選擇對現有濕法除塵系統改造為濕法塔文除塵系統。

2 轉爐濕法除塵系統改造

對此次改造來說，目標是在盡量少影響轉爐正常冶煉生產的前提下，采用先進、合理、安全、可靠的除塵技術和工藝降低轉爐煙囪顆粒物排放和回收煤氣中的粉塵含量，同時實現減小占地空間、降低企業投資和運行成本。

2.1 工藝技術路徑

在轉爐煉鋼過程中，帶有大量粉塵的高溫煙氣從爐口溢出進入煙罩，在煙道中進行汽化冷卻，此時溫度降到900℃左右。在煙道尾部設置的水封式補償器，將煙道和一級節能洗滌塔進行聯接。煙氣經過洗滌塔的入口時，單介質噴槍迅速感應并動作，將煙氣溫度降低到飽和溫度左右，然后煙氣在洗滌塔內通過多層單介質噴槍的降溫，其溫度進一步降低到70℃以下。之后煙氣進入二級洗滌塔，在降溫的過程中同時發揮除塵的效果。飽和煙氣向上進入線性環縫文氏管，在喉口壓差的作用下，煙氣中30 mg／m3以上的顆粒物基本被濾除。煙氣從文氏管出來后進入旋流脫水器后通過多級脫水，分離煙氣與水顆粒。排水水封的作用是確保吸附粉塵后的凈化水能夠順利排出除塵系統。改造后的除塵系統流程圖如圖1所示。

圖1 除塵系統流程圖

2.2 節能洗滌塔

節能洗滌塔的改造按照結構可分為上、中、下三大部分。結構示意如圖2所示。

圖2 節能洗滌塔

對于洗滌塔上部，加大洗滌塔入口，使其比冷卻煙道出口直徑大100～200 mm，保證煙塵氣流流動通暢，減小煙道阻力從而減少汽化冷卻煙道的180°大煙道積灰積渣，同時緩解煙塵顆粒對內壁的沖刷磨損，提高洗滌塔的使用壽命和維護成本。同時對噴水裝置進行優化改造，將水流方向設置為與煙氣相反的方向，對噴槍的噴嘴進行重新設計為螺旋狀，提高噴水量和噴水水壓，加速細小水珠與煙塵顆粒的撞擊，提高傳熱交換的熱效率，從而達到迅速熄火降溫，粗除塵的目的，并取消了噴射氮氣的設計，在保證降溫除塵效果的同時大幅縮減成本。

對于洗滌塔中部，考慮到其功能以煙氣凈化為主，可以通過加強塔內煙氣與洗滌液之間的混合效果提高煙氣的凈化。煙氣從洗滌塔上部以帶有初速度的運動狀態進入中部會因為初始動量衰減而改變運動方向向上流動，在向上流動的過程中不斷卷吸周圍的流體，導致部分冷卻液回流，產生氣相濃度總體分布不均的現象，影響煙氣凈化效果［16］。因此本次改造在洗滌塔設置多個平行分隔板，使得煙氣在向上流動的過程中產生回流，洗滌液在氣體的擾動下產生了二次回流，造成紊流狀態，加強了氣液之間的混合效果，提高煙氣的凈化程度。

對于洗滌塔下部，其主要功能為分離煙氣與洗滌液，防止煙氣清洗污水被帶出進而影響煙氣凈化效果。洗滌塔液池的上部存在一個氣液分離區，煙氣冷卻液在氣液分離區內依靠液滴自身的重力實現氣液分離，合理的氣液分離區高度能夠保證液滴的分離效率［17］。本次改造在洗滌塔尾端設置耐高溫的陶瓷煙氣濕度檢測器，與洗滌塔水位控制系統構建閉環控制網絡，通過檢測洗滌塔尾部煙氣的濕度，自動調節洗滌塔下部液池水位，使得氣液分離區高度保持在合理的范圍內，保證清洗污水不會被煙氣帶出。

2.3 線性環縫文氏管

含塵煙氣經過節能洗滌塔粗除塵后，煙氣中的粉塵顆粒大部分已經降到1μm以下。為提高粉塵顆粒的捕集效率，需對線性環縫文氏管進行優化改造。

線性環縫文氏管主要包括收縮段、喉口和擴散管。含塵氣體進入收縮段后，流速不斷增大，在喉口處達到最大，此時高速的含塵氣體與噴射在喉口處的液體之間發生高速碰撞，細化煙塵顆粒，增加煙塵顆粒與細小水珠的接觸面積，促進煙塵與細小水珠的凝聚。凝聚物進入擴散管后，由于流速逐漸減小，受到重力的作用從煙氣中分離出去。

本文對線性環縫文氏管結構進行優化改造，結構示意如圖3所示。根據轉爐吹煉過程中不同階段煙氣排放量的變化，自動控制重鉈進行上下運動調節喉口的開度，進而改變喉口處煙塵的流速，控制爐口煙氣保持微正壓和調節文氏管喉口阻損。對比定截面的線性環縫文氏管，提高了氣流分布的均勻程度，產生更好的除塵效果，提高煤氣回收質量。

圖3 線性環縫文氏管

2.4 旋流脫水器

離開線性環縫文氏管后的濕煙氣，由于其中帶有溶解于水汽的細微煙塵顆粒，對除塵效率具有較大的影響。為了提高除塵效率，需要使用脫水器對煙氣進行干燥處理。

本文對旋流脫水器的結構進行重新設計，結構示意如圖4所示。旋流脫水器包括底部風扇、筒體、導板等組成。濕煙氣從旋流脫水器的底部切向進入，與底部風扇之間進行碰撞后沿著旋流脫水器內部螺旋上升。由于受到離心力的作用，包含細微煙塵顆粒的細小水珠被甩至筒體內壁上，沿著內壁向下流動實現第一步脫水。之后濕煙氣進入旋流葉片，與葉片發生撞擊，聚集形成大顆粒水珠，在葉片的旋轉下沿離心力方向被強制甩至脫水器的內壁，實現第二部脫水。

圖4 旋流脫水器

相較于傳統脫水器，旋流脫水器能夠大幅提高除塵效率，同時由于其結構設計優勢，脫水器內壁無需定期沖洗，減小日常維護工作量和運營成本。

3 改造效果

轉爐濕法除塵系統改造于2021年12月完成，經過探索和研究，已形成一套與新型轉爐濕法除塵系統相匹配的生產流程和工藝制度。目前轉爐濕法除塵系統運行狀況安全穩定，大幅降低顆粒物排放，煤氣回收量超過改造預期指標。

3.1 顆粒物排放

2021年和2022年1—9月的顆粒物排放數據如圖5所示，轉爐濕法除塵改造大幅降低顆粒物排放，取得顯著效果。2021年改造前1—9月轉爐顆粒物排放平均為60.87 mg／m3，最高可達到72.4 mg／m3；經過改造后，2022年1—9月轉爐顆粒物排放平均為17.51 mg／m3，降低71.23%，顆粒物最大排放量為20.7 mg／m3，符合GB28664－2012對顆粒物排放小于30 mg／m3的要求。

圖5 顆粒物排放數據

3.2 轉爐煤氣回收

2021年和2022年1—9月的轉爐煤氣回收數據如圖6所示，轉爐改造濕法除塵系統改造有效提升煤氣回收量。2021年改造前1—9月轉爐煤氣回收量平均為76.94 m3／t，最 大 煤 氣 回 收 量 為83.1 m3／t；改 造 后，2022年1—9月轉爐煤氣回收量平均為87.96 m3／t，最大煤氣回收量為92.6 m3／t。

圖6 轉爐煤氣回收量

3.3 效益分析

根據轉爐車間統計測算，對現有轉爐濕法除塵系統進行改造，可產生顯著的經濟效益。改造產生的經濟效益主要包括水電節省費用、新增優質煤氣，其中每噸鋼可節約電力使用0.5 kW·h，節水2 t，并增加回收約11 m3／t的優質煤氣，折合節省工業用電100萬元，節省工業用水150萬元，節省生產費用500萬元，共計1 450萬元。

對現有轉爐濕法除塵系統改造還可以產生顯著的社會效益：（1）提高除塵效率，降低顆粒物排放，有利于減少環境污染，保護大氣環境。（2）改進生產工藝，降低員工檢修工作量，提高企業生產自動化和智能化程度，有助于促進鋼鐵廠現代化發展。（3）減少水電、煤氣的消耗，提高能源的回收利用率，有助于鋼鐵廠實現節能減排，促進可持續發展。

4 結束語

針對目前轉爐濕法除塵系統除塵效率低下，造成環境污染、能源浪費、影響企業生產的問題，本文開展對轉爐濕法除塵系統的優化改造實踐。改造內容包括對工藝技術路徑進行優化，設置二級洗滌塔、排水水封等裝置，在最大程度利用現有設備的前提下對除塵系統進行改造；對洗滌塔結構進行重新設計，增大了煙氣與水霧之間的紊流程度，提高煙氣的凈化效果；在洗滌塔尾端增設耐溫陶瓷式煙氣濕度檢測器，構建閉環控制網絡，保證煙氣凈化程度的相對穩定性；對線性環縫文氏管和旋流脫水器結構進行優化，提高了煙氣的除塵效率和回收煤氣的質量。

測量結果表明，本次優化改造顯著降低鋼鐵廠轉爐的顆粒物排放水平，顆粒物平均排放量為17.51 mg／m3，符合30 mg／m3的國標排放標準，有效減少環境污染。同時提高了煤氣的回收量，從原先的76.94 m3／t提升至87.96 m3／t。本文對轉爐濕法除塵系統的改造，有助于鋼鐵廠實現節能減排，綠色生產。