提升轉(zhuǎn)爐余熱回收及煙氣凈化系統(tǒng)效能的實踐

馮 雙，李高升，賈立國

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧鞍山 114000）

引言

轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過程中，會不斷釋放大量CO 和少量CO2及其他成分的煙塵氣體（O2、N2等）。煉鋼產(chǎn)生大量煙塵氣體蘊含的物理熱、化學(xué)熱和氧化鐵粉塵，同樣具有可觀的經(jīng)濟效益，應(yīng)當(dāng)采用有效措施對其加以利用，達到變廢為寶的效果［1-2］。對此，鞍鋼股份煉鋼總廠轉(zhuǎn)爐煉鋼一次除塵采用全濕法除塵系統(tǒng)對高溫?zé)煔膺M行降溫除塵處理并收集再利用［3］。其煙氣凈化系統(tǒng)包括煙氣收集冷卻、余熱回收以及煤氣回收等主要部分。近些年，由于對轉(zhuǎn)爐煤氣、蒸汽回收效率要求更高，除塵顆粒物濃度指數(shù)要求更嚴格，當(dāng)前的自然循環(huán)法和塔文式濕法除塵技術(shù)未能滿足實際生產(chǎn)需求。鞍鋼股份煉鋼總廠一分廠陸續(xù)對4#、5#和6#轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)進行強制循環(huán)法和重錘環(huán)縫式除塵系統(tǒng)項目改造升級，并在改造項目完成之后對轉(zhuǎn)爐的實際生產(chǎn)參數(shù)比對分析，總結(jié)出新型設(shè)備在煤氣、蒸汽回收方面提高效率和在轉(zhuǎn)爐一次除塵系統(tǒng)中大幅度降低煙氣排放濃度的技術(shù)優(yōu)勢，對同類型轉(zhuǎn)爐具有實際參考意義。

本文所討論煙氣回收系統(tǒng)使用的是管式結(jié)構(gòu)水冷煙罩，主要工作原理是使用冷水吸收煙氣之中的熱量進行降溫，并對煙氣中的熱量進行回收。在轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，含塵煙的高溫氣流在爐口處噴射而出，并進入到活動煙罩和煙氣凈化系統(tǒng)中，此時爐口處表現(xiàn)出有棕紅色的濃煙，即是氧化鐵、金屬鐵細小顆粒和其他煙塵顆粒所組成。當(dāng)爐氣（爐內(nèi)原生氣體）從爐體中出來后與空氣接觸并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為煙氣［4］。除塵系統(tǒng)分為干式除塵和濕式除塵，本文主要研究的對象為洗滌塔濕式除塵方法。采用此類方法處理煙氣時，通常有氮幕法、雙煙罩法和控制爐口微壓差法三種方法，其中第三種方法通常控制爐口微壓差的壓力值在-18 kPa 左右，同時這也是應(yīng)用最為普遍的控制煙罩吸入空氣量的措施。在此轉(zhuǎn)爐背景條件下，對提升轉(zhuǎn)爐余熱回收及煙氣收集凈化系統(tǒng)效能進行實踐研究。

1 轉(zhuǎn)爐煙氣收集和余熱回收系統(tǒng)

1.1 強制循環(huán)法

轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的爐氣在爐口處與空氣發(fā)生接觸，轉(zhuǎn)化為煙氣，在經(jīng)過汽化冷卻煙道時，將煙氣的熱量傳遞到余熱鍋爐中。傳遞介質(zhì)為二級除鹽水，經(jīng)低壓循環(huán)泵由除氧器傳遞到活動煙罩中，經(jīng)高壓循環(huán)泵由汽包傳遞到固定煙罩和汽化冷卻煙道中，并產(chǎn)生大量的蒸汽，通過管道傳遞到蓄熱器當(dāng)中，最后送至用戶。此系統(tǒng)為強制循環(huán)法，余熱回收工藝流程示意圖見圖1［5］。

圖1 強制循環(huán)法余熱回收工藝流程示意圖

其中除氧器的工作原理是：當(dāng)容器內(nèi)上部空間的氧氣分壓降低時，氧氣將從液體逸散出來。氧氣的溶解度會隨著水中的溫度提升而減弱，在溫度為104 ℃時，氧氣在水中的溶解度最小，故對除氧器的溫度有著明確的要求。在除鹽水通過水泵到達除氧器后，經(jīng)過低壓循環(huán)泵，將除鹽水供到活動煙罩，在完成冷卻降溫后，返回除氧器當(dāng)中，以保證其恒定溫度值。此外，除氧器中的除鹽水由高壓給水泵將水供到汽包中，又經(jīng)過高壓循環(huán)泵供到固定煙罩和汽化冷卻煙道中，在完成冷卻降溫之后，其產(chǎn)生的蒸汽和熱水返回到汽包中，此時汽包中水位高度范圍一般控制在1/2 以上和2/3 以下，汽包安全水位極限范圍控制在不高于80%，不低于30%，最終汽包中的蒸汽排至蓄熱器中。

由圖2 可知，汽包的主要作用是：提供熱除鹽水、收集蒸汽和汽水分離。汽包中的蒸汽經(jīng)過汽水分離，傳遞到蓄熱器中，通過增加蓄熱器壓力使蒸汽液化，在送出供使用時降低壓力，通過減壓蒸發(fā)回到氣態(tài)，最終輸送至用戶處［6］。

圖2 煙氣收集與余熱回收系統(tǒng)

由于高壓循環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐蒸汽額定工作壓力維持在4 MPa 以上，所以對此系統(tǒng)的鍋爐用水明確為優(yōu)先使用除鹽水供給，以保證鍋爐的有效工作壽命，從而保證煤氣回收、蒸汽回收的高效性。除鹽水的制備過程見圖3。冬季時需要在一級保安過濾器之前加板式換熱器，以提升除鹽水制備效率。將水電導(dǎo)率由原來的750 μS/cm 左右降至10 μS/cm 以下，以保證除鹽水在強制循環(huán)的系統(tǒng)中，長時間保持良好的導(dǎo)熱性和低堿性，提升轉(zhuǎn)爐的整體工作壽命。

圖3 除鹽水制備流程

1.2 自然循環(huán)法

自然循環(huán)法的余熱回收是使軟水通過壓力差自流進入儲水罐，再經(jīng)過常溫泵將軟水打入汽包中。此時，汽包中的軟水通過重力高位差分別輸送到煙罩、爐口段、上段、末段之中，吸收煙氣中的熱量，轉(zhuǎn)化為水蒸汽返回到汽包之中。最后，汽包上方的水蒸汽輸送到蓄熱器中，傳遞給用戶。此系統(tǒng)的工藝流程如圖4所示。

圖4 自然循環(huán)法余熱回收工藝流程圖

1.3 余熱回收方式優(yōu)劣性分析

自然循環(huán)法較強制循環(huán)法有明顯的不足之處。強制循環(huán)法使除鹽水通過高壓循環(huán)泵在鍋爐系統(tǒng)中高速流通，產(chǎn)生高壓水流，快速降溫，全面冷卻，對煙氣熱量進行全面吸收，最終產(chǎn)生高熱值效應(yīng)，有效增加了蒸汽回收量。由于高壓水流的壓力大，可以沖擊到鍋爐的每個角落，確保了全面降溫性能，有效避免了鍋爐局部損耗增大而降低整體使用壽命。

強制循環(huán)法與自然循環(huán)法在某月實際生產(chǎn)的蒸汽回收數(shù)據(jù)對比見圖5。自然循環(huán)法蒸汽回收平均值為263 GJ/d；強制循環(huán)法蒸汽回收平均值為570 GJ/d。基于蒸汽回收數(shù)據(jù)（包括轉(zhuǎn)爐蒸汽自用和轉(zhuǎn)爐送VD 爐蒸汽），結(jié)合當(dāng)月鋼產(chǎn)量值，計算出自然循環(huán)法轉(zhuǎn)爐蒸汽回收量為107 m3/t 鋼；強制循環(huán)法轉(zhuǎn)爐蒸汽回收量為132 m3/t 鋼。兩種回收方法相差25 m3/t鋼，轉(zhuǎn)爐蒸汽單價為53 元/GJ，折算實際成本為0.025×53=1.325 元/t 鋼，由此得出強制循環(huán)法具有更好的經(jīng)濟使用價值。

圖5 自然循環(huán)法與強制循環(huán)法蒸汽回收數(shù)據(jù)對比

此外，煤氣回收效益也受此系統(tǒng)影響。如圖6所示，對比某月實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，自然循環(huán)法轉(zhuǎn)爐的煤氣回收平均濃度為28.82%，強制循環(huán)法轉(zhuǎn)爐的煤氣回收平均濃度為42.48%，在煤氣回收方面產(chǎn)生效益差值。這一結(jié)論與采用強制循環(huán)法時轉(zhuǎn)爐具有的降罩功能有關(guān)，可全面吸收轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的煙氣，進而提升轉(zhuǎn)爐煤氣回收量。

圖6 自然循環(huán)法與強制循環(huán)法煤氣回收濃度對比

2 轉(zhuǎn)爐煙氣凈化系統(tǒng)

煙氣的溫度、成分、產(chǎn)量時刻波動，具有間歇式的產(chǎn)生表現(xiàn)形式。轉(zhuǎn)爐煙氣的化學(xué)成分較為復(fù)雜，處理方法通常分為燃燒法與未燃法。燃燒法是在煙氣進入煙罩的過程中與空氣相混合，將煙氣中的CO 完全燃燒，導(dǎo)致廢氣的成分發(fā)生根本性變化，并對其進行降溫、除塵等處理，完成排放。此法操作性強，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，安全可靠，但缺點同樣明顯，未對煤氣回收，產(chǎn)生巨大能源損失，吸入空氣量大，廢氣量排放同比提升，適用于不回收煤氣的小型轉(zhuǎn)爐。未燃法的優(yōu)點更為顯著，煙氣排放量低，煙塵粒度大，便于后期除塵系統(tǒng)回收處理，相關(guān)設(shè)施投入較低，煤氣回收率較高，煙氣中的CO 只有15%左右參與燃燒，其余的煙氣經(jīng)過冷卻、除塵處理，最后進行煤氣回收，此法是目前國內(nèi)外采用較為普遍的煙氣處理方法［7］。

2.1 轉(zhuǎn)爐煙氣凈化系統(tǒng)工藝流程

煙塵溫度通常在1 400～1 600 ℃之間，所以轉(zhuǎn)爐的煙氣凈化系統(tǒng)中需要有冷卻裝置為煙氣快速降溫。煙氣從爐口處被收集到煙罩時的溫度大概為950 ℃，經(jīng)過煙罩和汽化冷卻煙道，快速降溫至80 ℃，此時煙氣進入洗滌塔，在旋流脫水器中煙塵溫度降至60 ℃，最終進入一次除塵風(fēng)機［8］。轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)中常用的煙氣凈化系統(tǒng)有塔文式濕法除塵和重錘環(huán)縫式新型除塵系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)爐煙氣凈化系統(tǒng)工藝流程如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及煤氣回收系統(tǒng)工藝流程圖

2.2 塔文式濕法除塵

轉(zhuǎn)爐煙氣經(jīng)過冷卻煙道初步降溫，進入溢流定徑文氏管再次降溫滅火，在喉口處煙塵氣體經(jīng)高速氣流噴射而出，與噴頭噴出的一定水霧相結(jié)合，并將水流擊穿成若干微小水滴，再與空中懸浮的煙塵顆粒相接觸，此時，顆粒被小水滴結(jié)合吸收，被下步工序中的彎頭脫水器濾除，煙氣進入可調(diào)喉口文氏管進行精除塵，最后經(jīng)過脫水器送入一次除塵風(fēng)機中，其工作原理如圖8所示［9］。

圖8 轉(zhuǎn)爐煙氣濕式凈化回收系統(tǒng)

2.3 重錘環(huán)縫式除塵

高效噴霧洗滌塔主要作用為快速降溫和粗除塵。除塵技術(shù)手段是使用位于非金屬補償器下面的噴槍（雙管結(jié)構(gòu)式）和噴嘴組合裝置，在噴嘴噴出水的同時，噴出高壓氮氣將水擊散，形成細小水滴，產(chǎn)生大量水霧，達到水霧除塵效果。噴槍氮氣壓力要始終保持與供水量相適配，一般氮氣壓力值控制在低于水壓0.4 MPa 左右。重錘文氏管主要通過液壓控制，調(diào)節(jié)爐口處的微壓差為0～20 Pa 左右的正壓值，使喉口的開度與之相適配，完成自動調(diào)節(jié)，以確保爐口處的CO 處于未燃燒狀態(tài)；喉口處的重錘還可以調(diào)節(jié)煙塵的流動速率，以保證精除塵時煙塵在喉口處有高速穩(wěn)定的氣流值。在重錘文氏管的精除塵工藝后，煙塵溫度值快速降低至64 ℃左右，此時凈化后的煙氣進入下一步工序，在旋流脫水器中完成精脫水處理，最后進入風(fēng)機中。其工作原理如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)爐煙氣重錘式凈化系統(tǒng)

洗滌塔的兩個關(guān)鍵參數(shù)分別是噴嘴水量值和塔體入口溫度值，若實際參數(shù)與設(shè)計參數(shù)有較大出入，需分析水壓的穩(wěn)定情況和噴嘴是否有顆粒阻塞。洗滌塔入口溫度值不能過高，否則將破壞滅火水封與塔體結(jié)構(gòu)。煙塵氣體經(jīng)過重錘文氏管的環(huán)縫結(jié)構(gòu)，使煙塵加速通過至旋流脫水器中，快速沖擊到內(nèi)置風(fēng)葉板上，使得氣、液分離，完成精除塵處理。旋流脫水器結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，脫水完成效果理想，設(shè)備故障發(fā)生率很低，脫水器風(fēng)葉板運行阻力較小，在1～1.5 kPa之間。

2.4 除塵方式的優(yōu)劣性分析

兩種除塵方式的具體實施有差異，在使用新型重錘文氏管除塵工作時，分為粗除塵和經(jīng)過環(huán)縫之后的精除塵，在煙塵處理效果上有一定提升。除塵原理可以總結(jié)為三部分：水的霧化、捕捉含塵顆粒凝聚、氣體和液體分離系統(tǒng)。在含塵顆粒凝聚捕捉過程中，小于1 μm的顆粒懸浮在空中作無規(guī)則布朗運動，顆粒處于強烈紊亂狀態(tài)［10］。

環(huán)縫結(jié)構(gòu)除塵與文氏管除塵相比效果有顯著提升，具體表現(xiàn)在以下三點：①對除塵設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升工作效率。②清理除塵設(shè)備難度降低。③除塵顆粒物濃度指數(shù)降低，由原先50 mg/m3降至30 mg/m3。

3 結(jié)論

本文針對轉(zhuǎn)爐的余熱回收和煙氣凈化系統(tǒng)進行設(shè)備提升處理。在余熱回收系統(tǒng)中，將介質(zhì)為軟水的自然循環(huán)法和介質(zhì)為除鹽水的強制循環(huán)法對比，在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，強制循環(huán)法對蒸汽回收量、煤氣回收濃度均有大幅度提升，產(chǎn)生更好經(jīng)濟效益。在煙氣凈化流程中，采用重錘文氏管系統(tǒng)，除塵顆粒物濃度指數(shù)大幅度降低，除塵效果提升較為顯著，滿足綠色生產(chǎn)的理念。