干法除塵技術在高爐冶煉中的研究與應用

曾子欽 榮金標 蒙露露

摘 要：高爐作為冶煉行業重要生產設備，在進行冶煉的過程中，受到風溫、原料以及富氧量等多種因素的影響，經過一系列的物理和化學反應后，會生成鐵水、煤氣、廢渣等產品，然而高爐煤氣中還有大量粉塵，這些煙塵如果不加以處理讓它排入空氣中不僅污染空氣，也會危害人的身體健康，危害環境。為了防止粉塵帶來的不良影響，干法除塵技術在高爐生產作業中得到了積極的推廣與應用，基于此，圍繞高爐干法除塵技術的應用展開探索分析。

關鍵詞：高爐；干法除塵；除塵技術

RESEARCH AND APPLICATION OF DRY DEDUSTING TECHNOLOGY IN BLAST FURNACE SMELTING

Zeng Ziqin? ? Rong Jingbiao? ? Meng Lulu

（ Zhong Jin Stainless Steel Company Limited of Guang Xi Liu Zhou Steel.? ? Yulin? ? 537624， China）

Abstract：As an important equipment in smelting industry， blast furnace is affected by many factors such as air temperature， raw materials and oxygen enrichment during smelting process， hot metal， gas， waste slag and other products will be produced， but there is a lot of dust in the blast furnace gas， if the dust is not treated and let it into the air not only pollute the air， but also endanger people's health， environmental Hazards. In order to prevent the bad influence of dust， the dry dust removal technology has been popularized and applied in the blast furnace production.

Key words：Blast furnace; dry dedusting; dedusting technology

0? ? 引? ? 言

傳統的高爐煤氣濕法除塵方法在整個生產工藝流程中會消耗大量的水，易造成水污染、能耗高、煤氣熱損失大等問題。干法除塵技術不僅可以節約水資源，同時還能夠提升風溫，減少燃料消耗[1]，而且能將高爐煤氣的余壓余熱回收利用，將熱能轉化為機械能，機械能轉化為電能，為企業增加收益。

1? ? 高爐煤氣的產生及特性

1.1? ? 高爐煤氣的產生

空氣經熱風爐預熱然后進入高爐，遇見處于白熱狀態的焦炭，同時鼓風機送入氧氣，在高溫下焦炭與水蒸氣發生如下反應如圖1公示圖所示：

根據高爐爐況調整工藝，可適當增加高爐冷風濕度，以增加輸送氧氣的蒸汽含量，以補償反應的低氫含量；原燃料吸收大量熱量后，在高爐進行還原反應生成鐵水，其化學反應公式如圖2所示：

在一系列氧化鐵反應后，氣體中H2和CO的濃度始終較低，而H2O和CO2的濃度始終較高。隨著高爐溫度的升高，高爐原料反應產生的細粉和粉塵的形狀逐漸由固體變為氣體，各種成分的混合氣體越來越高，最終到達高爐頂部，稱為高爐煤氣。

1.2? ? 高爐煤氣的特性

高爐煤氣成分復雜，高爐爐頂綜合煤氣成分有CO、CO2、N2和O2等。其中高爐煤氣成分中的CO、CO2含量與比值是判斷爐內反應情況與煤氣利用的重要參數[2]。隨著爐內溫度的升高，內部壓差增大冶煉產生的煤氣從底部往上排出，也將原燃料的粉塵一并排出。表1顯示了不同煤氣的組成部分不相同。高爐煤氣熱值高，可用作干燥爐、淬火爐和熱風爐的燃料。

在標準狀況下，高爐煤氣的含塵量約為10 ～ 50 g/m3，默認平均值為25 g/m3。一般情況下，每噸鐵水的平均產塵量一般為50 ～ 70 kg/t，上限為100 kg/t。粉末顆粒的大小不應超過500 μm，密度約為3.31 g/cm3。不同質量的粒徑如表2所示。

在高爐正常生產中，冶煉的壓力、使用原料的優劣等因素對高爐煤氣及粉塵的組成有很大的影響，粉塵會隨著高爐冶煉強度增加而增加。

在高爐正常工作條件下，出口煙氣溫度控制在150 ～ 250? ℃之間。只有在異常情況下才會出現400 ℃，甚至500 ℃的異常溫度，屬于高溫煙氣。隨著溫度的升高，氣體的物理性質，如黏度也會增加。氣體的黏度隨溫度增加。高溫時，煙氣密度降低，體積逐漸增大。每增加200 ℃，煙氣體積將增加約40 %。在物理學中，分子的活性隨著溫度的升高而增加。如果體積不變，內部壓力也會增加。如表2所示，高爐煤氣中的H2和CO氣體與氧氣或空氣混合時易燃易爆，存在潛在的爆炸風險。

2? ? 干法除塵機理分析

2.1? ? 濾袋對塵粒的過濾作用

除塵濾袋中有細小的孔，只能讓氣體通過，當高爐煤氣經過除塵濾袋時，濾袋就會對煤氣中的粉塵進行捕捉，將粉塵從高爐煤氣中分離。

2.1.1? ? 慣性碰撞效應

干法布袋除塵的主要過濾機理是慣性碰撞，其碰撞作用是通過大顆粒的碰撞捕獲灰塵顆粒。過濾材料含有對灰塵敏感的纖維。灰塵和氣體可以改變穿過纖維的路徑。在慣性力的作用下，大顆粒的灰塵偏離原始路徑，并圍繞光纖流動，以達到檢測效果。檢測效率公式為：

v0? ? ? ρpd2p? ? ?v0

Stk=τ——=——— ——

Dc? ? ? ? 9μ? ? ? Dc

S3tk

nr=————————

S3tk+0.77S2tk+0.22

式中：τ為張弛時間，s；v0為來流速度，m/s；Dc為圓柱體或球體直徑，m；ρp為粉塵真密度，kg/m；dp為粉塵直徑，m；μ為氣體動力黏度，Pa·S；nr為慣性碰撞效率；Stk為斯托克斯數。

運動中塵埃顆粒的慣性力是決定塵埃顆粒是否會改變軌跡并與纖維碰撞的前提。根據上述公式，密度和粒度較大的粉末可以有效提高空氣通過過濾材料的速度，而直徑較小的纖維可以提高沖擊效果。

2.1.2? ? 篩濾效應

當粉塵的粒徑較濾料纖維間的空隙或濾料上粉塵間的孔隙大時，粉塵就會被阻留，這叫做篩濾效應。通常使用的織物過濾材料，由于纖維間的間隙往往大于粉塵顆粒的直徑，其效用很小。只有在織物上沉積了大量的塵埃之后，篩濾效果才能得到充分展示。

過濾效果是過濾材料結構優劣重要判別因素。濾料孔徑越小，纖維厚度越大，纖維滲透率越低，過濾效果越好。在實際應用中，普通組織的滲透性高于針刺過濾材料，因此針刺過濾材料的過濾效果優于普通組織。當灰塵積聚在濾袋表面時，過濾材料的滲透性降低，從而原始尺寸的顆粒被過濾材料截留。因此，形成在過濾材料表面上的灰塵層可以有效提高過濾材料的檢測效率。

2.1.3? ? 擴散效應

直徑小于1 μm的灰塵顆粒與空氣中的氣體分析碰撞，形成棕色或不規則的運動。棕色移動會造成粉塵積聚效應，并從高濃度擴散到低濃度。通常，過濾纖維的表面濃度相對較低，允許小直徑灰塵到達纖維區域進行傳播和碰撞檢測。通過提高空氣的相對溫度，減小粉末顆粒的直徑，減小纖維的直徑，降低粉末的過濾速度，可以有效提高粉末的擴散效果。

2.2? ? 粉塵層對塵粒的捕集

大多數除塵袋由人造纖維制成，在過濾階段開始時，新袋中沒有灰塵。在過濾時間結束時，由于黏附和擴散效應的影響，如圖3所示，過濾器中的灰塵將橋接。合成織物通常為15 ～?40 μm。隨著使用時間的延長，產生的絨毛和網格將達到5 ～ 10 μm。較小的網格更有可能橋接，可以通過過濾介質的開口減少灰塵。因此，過濾介質或網狀結構的表面可以捕獲大量灰塵顆粒并形成一層灰塵。當粉末層達到一定厚度時，它被去除，但仍有一部分粉末層，即初級粉末層。

2.3? ? 高爐煤氣中粉塵的去除

高爐煤氣粉塵的粒度分布一般由細到粗。當清潔的過濾材料通過含有灰塵顆粒的空氣時，在重力濾布的作用下，大的灰塵顆粒沉積在過濾材料上，或在慣性作用下，小的灰塵顆粒被吸收或過濾在纖維表面上，在過濾材料表面形成一層灰塵。印刷的織物與纖維接觸后，在棕色運動的影響下，細小的灰塵顆粒留在纖維表面并進入纖維空間。超細灰塵顆粒可以通過空氣從除塵器中逸出。

隨著過濾時間的延長，過濾材料中的灰塵越來越多。一些灰塵吸附在濾料表面，一些灰塵進入濾料。過濾材料表面的灰塵形成類似于灰塵層的膜結構，即過濾膜，這使得高爐煤氣的凈化效果更好。隨著粉末層厚度的增加，會有一定的氣流阻力。此時，在繼續過濾之前，有必要清潔膜以減少空氣阻力。在高爐干法除塵系統中，粉塵層的影響較大，因此檢測粉塵影響的過濾材料更為重要。濾布是過濾的基礎，粉塵層是主要的過濾單元。頻繁除塵會降低過濾效果，不利于除塵濾袋的維護。

3? ? 影響除塵效果的因素分析

3.1? ? 濾袋的特性

濾袋作為干法除塵的核心元件，其性能的優劣直接決定過濾負荷的大小，除塵效率的高低。受織物結構約束的織物結構包括毛氈和織物，針刺氈的過濾性能明顯優于二維織物。毛氈纖維排列不規則，氣孔均勻，濾袋厚實，確保強度和除塵效率。大多數毛氈制品由于纖維之間的毛細作用而吸收水分，但玻璃纖維針織毛氈具有一定的防潮性。加壓織物必須具有適當的孔隙，以便空氣能夠通過，細粉末不會滲透到織物纖維中。而且，濾袋的纖維直徑越小，除塵效率越高。濾袋的纖維直徑越小，濾布越密。細粉末顆粒不易進入濾布纖維。否則，一旦細塵顆粒進入過濾纖維，過濾器的透氣性將大大降低，除塵阻力將大大增加，濾袋將不再使用。

各種表面處理和整理技術確保了壓制織物不僅可以防止灰塵進入壓制織物的纖維，而且具有很強的透氣性。例如，針氈熔化加壓表面的處理有利于除塵，提高除塵率，降低阻力；透氣性好且不易烘烤的粉末，甚至具有阻燃和防靜電性能的粉末，應溶解在特殊工藝縫制的濾袋中，然后用黏合劑固定，形成穩定的初始粉末層，然后使用濾袋，可控制粉塵量；涂覆的過濾材料也可以完全替代原來的粉末層；預硫化可以減少壓力波動對穩定生產的負面影響，有利于除塵。它克服了新過濾材料早期除塵效率低的缺點，并具有較高的除塵能力。

3.2? ? 過濾負荷

當dp小于1 μm，可以通過擴散效應有效攔截粉塵，通過合理降低過濾速度可以提高除塵效率。當dp在5 ～ 15 μm范圍內時，慣性效應可以有效地吸收灰塵，而增加Vs可以增加η。一般情況下，灰膜形成后，隨著過濾負荷的增加，除塵效率不如灰膜明顯。隨著灰膜厚度的增加，除塵效率不明顯。如果過濾速度增加一倍，灰塵的滲透率可以增加一倍或四倍。過濾速度快，在擠出的布料上形成粉末膜，阻力大，除塵頻繁，除塵效率低，運行成本高；降低過濾器的空氣速度，提高清潔能力，延長清潔周期，延長使用壽命，降低運行成本和除塵效率。然而，過濾速度太低，過濾面積增加，如0.1 ～ 0.25 m/min，過濾面積增長10 %，設備投資增加近10 %，經濟效益不高。

3.3? ? 粉塵的理化特性

灰塵的大小與除塵效率有關。粉末顆粒越小，擴散速率越高。粉末的黏度、粒度和表觀密度直接影響粉末的清潔度。當過濾流速為0.28 m/s時，直徑為10 mm的粉塵顆粒與濾布之間的黏附力可達到顆粒自重的1 000倍，直徑為5 μm的粉塵顆粒的4 200倍。這種黏附對濾袋的初始灰塵形成和清潔性能以及除塵器的效率有很大影響。國內試驗表明，對于光滑的細滑石粉，在各種工作條件和提取條件下，只需要一次反沖洗，濾袋阻力恢復到初始值，幾乎完全消除了二次灰沉積。濾袋再生良好，反吹氣泡風量小。對于黏性超細氧化鐵粉末，為了有效降低濾袋的阻力，需要多次吹灰。濾袋阻力不易恢復，輸送風量大。高爐煤氣粉塵中含有較多的超細氧化鐵粉末，使粉塵黏稠，影響除塵性能。粉末的體積密度或沉積材料的比例是每單位體積粉末的重量。單位體積包括灰塵本身的體積、吸附在灰塵顆粒表面的空氣的體積、灰塵顆粒本身的微孔以及與它們的清潔度密切相關的灰塵顆粒之間的空間。

3.4? ? 高爐操作

高爐的穩定運行，是干法除塵正常運行的基礎。進入除塵箱體的氣體溫度必須控制在100 ℃至230 ℃之間，最高不能超過250 ℃。這與高爐正常工作條件（200 ～ 300 ℃）下的爐溫范圍基本一致。爐頂溫度反映高爐煤氣的利用率和高爐的運行狀況。高溫表明，高爐煤氣利用率低、指標低，不利于高爐設備的保護。如果溫度過低，高爐往往是不均勻的，因此必須嚴格控制高爐的頂部溫度，以實現現代高爐的高效生產。同時，如果爐況不穩定且氣體溫度高或低，濾袋可能燃燒或冷凝。原材料的壓力波動和高含水量也可能影響除塵濾袋。例如，在高爐運行過程中，進料管道薄弱，進料質量顯著降低，高爐焦炭含水量增加，或大量購買濕焦炭、大量濕礦石或含有結晶水的塊狀礦石。在改造開始時，由于某種原因，高爐的空氣減少，爐況不佳。爐頂泄漏將影響除塵效率。因此，如果高爐精料和操作水平進一步提高，使爐頂煤氣溢度降低以減少噴霧打水次數 ，則干法除塵運行效果將會更佳[3]。

3.5? ? 干法除塵的運行與管理

國內干法除塵的工藝流程和設備水平大同小異，但人為操作跟設備保養對除塵布袋影響很大。嚴格按照操作規程進行操作管理，定期觀察檢查。損壞的濾袋必須立即更換，有缺陷的閥門必須立即修理，必須及時清理和放灰，并且定時反吹。只有加強運行管理，才能使其穩定運行。

參考文獻

[1]? ? 呂曉云，邱世厚.大型高爐的干法除塵系統及接口工藝控制[J].中國冶金，2010，20（10）：44-47+53.

[2]? ? 王平，李家新，周莉英.高爐爐頂煤氣連續分析系統的開發與應用[J].鋼鐵，2004（6）：6-9.

[3]? ? 向君中.太鋼1 200m3高爐煤氣干法除塵裝置試運行狀況[J].煉鐵，1989（2）：36-39.