李博¹ 趙京¹ 周晴¹ 王鳳鈺¹ 劉晨^1，2                       

（1.中國科學(xué)院力學(xué)研究所；2.斯普瑞噴霧系統(tǒng)（上海）有限公司）

摘要 針對轉(zhuǎn)爐煤氣傳統(tǒng)干法、濕法的能耗高、碳排高、水耗高、易結(jié)垢維修量大等問題，我們開發(fā)了轉(zhuǎn)爐煤氣全干法除塵工藝與裝備，可以在實現(xiàn)超低排放的同時，并回收余熱附產(chǎn)蒸汽60kg/t、節(jié)電50%，不耗新水并能處理廢水，設(shè)備維修量少，本文介紹轉(zhuǎn)爐煤氣全干法的工藝及裝備的開發(fā)實踐。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐煤氣；全干法；顯熱回收

1  概述

自從1952年純氧轉(zhuǎn)爐煉鋼投入工業(yè)應(yīng)用以來，到如今世界上共有1000多座轉(zhuǎn)爐，絕大多數(shù)在中國。轉(zhuǎn)爐一次除塵一直多用濕法、也有用干法、半干法，這些除塵方法都存在各自的問題，濕法的問題是循環(huán)水處設(shè)施理龐大、浪費嚴(yán)重，水質(zhì)很難保證；干法的干式靜電除塵器卸爆、粘灰一直難以徹底解決，只能靠加強(qiáng)維修來維持。主要針對濕法改造的半干法，設(shè)計初衷是兼收濕法、干法的優(yōu)點、克服各自不足，但一直改得不徹底，沒能淘汰濕法的水處理系統(tǒng)。轉(zhuǎn)爐煤氣除塵現(xiàn)有共同的問題是余熱都沒有回收利用，并且還需要耗水耗能冷卻。

2  轉(zhuǎn)爐煤氣全干法除塵工藝及裝備的開發(fā)

中科院力學(xué)所研發(fā)團(tuán)隊承擔(dān)了國家863、國家重點研發(fā)計劃及中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)等項目，形成了一支20余人的科研隊伍，針對轉(zhuǎn)爐煉鋼的節(jié)能降碳問題，一直從事節(jié)能新技術(shù)研發(fā)，取得了顯著的成績，獲得國家發(fā)明專利50多項。

l  在國家863課題支持下建成轉(zhuǎn)爐煤氣爆燃實驗平臺，得到煤氣濃度、溫度等參數(shù)與火焰速度和壓力波峰值相互關(guān)系，總結(jié)出一套煤氣爆燃遏制方法；

l  在中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(A類)課題支持下，建成轉(zhuǎn)爐煤氣全干法中試平臺，完成煉鋼轉(zhuǎn)爐煤氣顯熱回收關(guān)鍵技術(shù)研究；

l  在國家863課題支持下，在廣東珠鋼建成國內(nèi)首臺套 10 MW電爐余熱回收發(fā)電裝置，成功實現(xiàn)年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1.9萬噸，減排CO₂ 5萬噸；

l  在唐山春興特鋼建成國內(nèi)首座轉(zhuǎn)爐余熱蒸汽拖動2.24MW二次除塵風(fēng)機(jī)示范工程，成功實現(xiàn)年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤0.59萬噸，減排CO₂ 1.56萬噸；

l  合作單位蘇州海陸重工長期從事廢熱余熱利用和環(huán)境保護(hù)相結(jié)合的新技術(shù)和開發(fā)，為余熱鍋爐行業(yè)龍頭企業(yè)，余熱鍋爐產(chǎn)品噸數(shù)行業(yè)第二，臺數(shù)第一；主導(dǎo)產(chǎn)品干熄焦余熱鍋爐市場占有率達(dá)85%以上、氧氣轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐達(dá)90%、有色冶金余熱鍋爐達(dá)85%；產(chǎn)品主要技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)國內(nèi)領(lǐng)先水平和國際先進(jìn)水平。

3  轉(zhuǎn)爐煤氣全干法工藝

項目團(tuán)隊在前期研究工作的基礎(chǔ)上攻克了轉(zhuǎn)爐煤氣爆炸性、多塵粘結(jié)性以及間歇性導(dǎo)致的余熱資源回收難題，開發(fā)了轉(zhuǎn)爐煤氣全干法，工藝流程見圖1。全干工藝的核心包括兩部分，一個是粗除塵換熱一體化裝置，二是精除塵裝置。

圖2 轉(zhuǎn)爐煤氣全干法除塵工藝流程

2021年在包鋼建成并成功試運行了首臺套轉(zhuǎn)爐煤氣全干法新工藝工業(yè)裝置，汽化尾部煙道出口的高溫?zé)煔?，通過三通切換裝置，進(jìn)入粗除塵換熱一體化裝置，去除回收70%的干灰，經(jīng)過余熱鍋爐回收飽和蒸汽后，煙氣溫度冷卻到200°C以下，進(jìn)入干靜電除塵器，原蒸發(fā)冷卻器完整保留備用，與新系統(tǒng)切換使用，干式靜電除塵器及后部設(shè)備均直接利用。轉(zhuǎn)爐煤氣全干法工藝適合現(xiàn)有干法、半干法改造，用于濕法改造的效益更顯著。既可以完整采用，也可以分步采用，可以采用在線改造，采用旁路布置方式更靈活安全，改造施工和維修對正常生產(chǎn)幾乎沒有影響。轉(zhuǎn)爐煤氣全干法與干法、濕法的比較參考表1、2。

表1 轉(zhuǎn)爐煤氣全干法與現(xiàn)有干法的主要對比

表2 轉(zhuǎn)爐煤氣全干法與濕法的對比

轉(zhuǎn)爐煉鋼工序超低排放改造的重點和難點是一次除塵，節(jié)能減碳潛力大的是二次和崗位除塵，雖然政府還沒要求全部超低排放，但對一些重污染區(qū)域有要求，也有越來越多企業(yè)自主要求。轉(zhuǎn)爐一次除塵市場上已經(jīng)有幾種超低排放改造方案，比如濕法旁路增加濕電、聲波，干法前移煤冷、放散側(cè)增加噴淋除塵、金屬濾袋除塵器等，比較混亂，還沒有一個統(tǒng)一的工藝。這些技術(shù)共同存在的致命問題，一是企業(yè)只有投入、沒有經(jīng)濟(jì)回報，二是能耗和二氧化碳排放都增加，不符合國家雙碳目標(biāo)要求。轉(zhuǎn)爐煤氣全干法除塵技術(shù)的開發(fā)為轉(zhuǎn)爐煉鋼超低排放同時有效益、低碳提供了一個新的選擇方案。初步估算，一座100噸轉(zhuǎn)爐現(xiàn)有干法改造為全干法，每年預(yù)期有1200萬元的效益，年節(jié)能量1萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤、年減排二氧化碳2.65萬噸，濕法改造效益會更好。

4  轉(zhuǎn)爐煤氣顯熱回收技術(shù)的開發(fā)回顧

轉(zhuǎn)爐一次煙氣余熱的節(jié)能潛力和傳統(tǒng)噴水冷卻、除塵的巨大浪費是眾所周知的，幾十年來國內(nèi)外很多企業(yè)和研究人員一直在嘗試淘汰噴水冷卻、除塵、回收余熱，國內(nèi)外的相關(guān)專利有幾十項。由于轉(zhuǎn)爐冶煉工藝的特殊性，轉(zhuǎn)爐煤氣回收利用余熱回收利用，一直面臨三個難點：

l 急冷急熱

l 爆炸隱患

l 粘灰結(jié)垢

轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝是間隙性的，煙氣溫度和爐氣量頻繁大幅波動，能耐得住長期、頻繁、大幅急冷急熱的材料、設(shè)備和方法選擇就是一大難題。轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，空氣-煙氣-煤氣之間的變換每爐都在周期性發(fā)生，含CO煤氣與含氧煙氣混合爆炸的條件隨時都具備，爆炸隱患很難徹底消除。轉(zhuǎn)爐粉塵中含有10%生石灰粉，就是不噴水，遇到空氣中的水分都會活化為熟石灰粉，再遇煙氣中的CO₂就會反應(yīng)形成石灰石，曾有在高溫下收集的粉塵在送試驗室的途中就結(jié)殼的記錄^[2]，這種結(jié)垢采用一般的清灰方法是難以除凈的。實踐證明，這三個難點是轉(zhuǎn)爐一次煙氣冷卻和余熱回收工藝和設(shè)備選型和設(shè)計、操作維護(hù)的關(guān)鍵。

國內(nèi)外進(jìn)行了一些轉(zhuǎn)爐煤氣余熱回收試驗項目，簡要回顧如下：

l 太鋼引進(jìn)50噸轉(zhuǎn)爐：轉(zhuǎn)爐煤氣采用全燃燒法，配套余熱鍋爐回收蒸汽，鍋爐出口煙氣溫度250°C，運行了一段時間后拆除。目前一些獨聯(lián)體國家仍然在用，噸鋼回收蒸汽可達(dá)180kg/t，但不回收煤氣，煤氣全部在系統(tǒng)內(nèi)燃燒，跟電爐煙氣除塵類似。在線原設(shè)計。

l 德國一鋼廠：將汽化冷卻煙道延長，出口溫度500°C，噸鋼增加蒸汽回收量20kg/t，不經(jīng)濟(jì)不徹底。在線原設(shè)計。

l 河北承鋼40噸轉(zhuǎn)爐：汽化煙道出口煙氣通過130米耐高溫?zé)煹酪鲕囬g外，進(jìn)入熱管余熱鍋爐，鍋爐出口煙氣進(jìn)入耐高溫布袋除塵器，運行了幾十爐，余熱鍋爐運行正常，但布袋除塵器被燒出孔洞，導(dǎo)致排放超標(biāo)，主要因為擔(dān)心安全隱患，停止試驗。原濕法三通旁路改造。

l 內(nèi)蒙古包鋼80噸轉(zhuǎn)爐：開始將汽化煙道出口煙氣引導(dǎo)車間外，通過余熱鍋爐回收余熱降溫后，返回收一文，通過OG濕法除塵，因為除塵超標(biāo)被停止試驗。后來又將鍋爐出口煙氣引進(jìn)干法電除塵器入口前煙道，鍋爐回收余熱正常運行5000多爐，存在問題：鍋爐底部、高溫?zé)煹馈㈦姵龎m入口都頻繁快速嚴(yán)重，影響正常生產(chǎn)，停止試驗。原濕法、干法三通旁路改造。

這些前期努力嘗試雖然沒能最后成功，但獲得了的寶貴經(jīng)驗和教訓(xùn)。針對積灰問題，我們在余熱鍋爐前增加了耐高溫粗除塵器，粗除塵效率70%。

5  升級提高

轉(zhuǎn)爐煤氣全干法除塵工藝和裝備的開發(fā)，主要是為企業(yè)同步滿足國家超低和碳達(dá)峰、最終碳中和提供可選擇方案，需要在以下方面進(jìn)行升級提高：

5.1  精除塵工藝和設(shè)備開發(fā)

轉(zhuǎn)爐煤氣原始含顆粒物濃度最高可達(dá)200g/Nm³，實現(xiàn)超低排放必須采用多級除塵，粗除塵和降溫采用粗除塵換熱一體化是可行性的、合理的，精除塵工藝和設(shè)備還需要開發(fā)。綜合國內(nèi)近幾年的轉(zhuǎn)爐煤氣精除塵改造的實踐，至少已經(jīng)有以下幾種方法：

l 干法放切換站前增加噴淋水洗除塵和冷卻塔（煤冷潛移）

l 干法放散側(cè)增加噴淋洗滌塔、金屬濾袋除塵器

l 干法靜電除塵器并聯(lián)旁路增加金屬濾袋除塵器

l 濕法風(fēng)機(jī)前、或放散側(cè)旁路增加濕式靜電除塵器

l 濕法風(fēng)機(jī)前增加聲波除塵系統(tǒng)

   這些技術(shù)應(yīng)該都可以實現(xiàn)超低排放，需要進(jìn)一步研究比較，是否能穩(wěn)定超低？更主要的比較投入、運行成本和碳排放是增還是減。由于國家還沒有強(qiáng)制要求，企業(yè)在自主開發(fā)還在摸索之中，哪種方法和裝備既能穩(wěn)定實現(xiàn)超低排放，同步還能實現(xiàn)低碳，并且要求投資省、運行能耗成本低，還需要繼續(xù)研究和實踐驗證，我們比較看好濕式靜電除塵技術(shù)的升級改進(jìn)。

5.2  轉(zhuǎn)爐煤氣余熱的極限回收利用

目前汽化煙道出口煤氣溫度700-1000°C，通過余熱鍋爐可以回收到200°C，一方面轉(zhuǎn)爐煤氣還含有一定量潛熱，另一方面，轉(zhuǎn)爐煤氣進(jìn)煤氣柜要求的溫度是70°C，還需要冷卻，需要開發(fā)轉(zhuǎn)爐煤氣余熱極限回收到25°C的工藝和設(shè)備。轉(zhuǎn)爐煤氣余熱極限回收可以低成本有效益實現(xiàn)排放脫白和提高煤氣熱值。另外，轉(zhuǎn)爐煤氣余熱目前主要都是回收飽和蒸汽，飽和蒸汽輸送過程凝結(jié)損失20%，發(fā)電汽耗高，需要結(jié)合行業(yè)、企業(yè)實際，開發(fā)更多余熱回收和利用方式，比如：

l 回收過熱蒸汽：輸送凝結(jié)損失少，用于發(fā)電相同蒸汽量可增加發(fā)電量60%以上，效益好。采用蓄熱、補(bǔ)熱產(chǎn)生更高參數(shù)的蒸汽，發(fā)電量更多

l 回收熱風(fēng)：用于廢鋼、渣料等原料的預(yù)熱，余熱就近回用于本工序是投入最少、效率最大。

l 處理廢水：轉(zhuǎn)爐煤氣余熱最簡單高效的一種可選擇利用方式，就是利用蒸發(fā)冷卻器，處理利用難處理、處理成本高的廢水、污泥，比如焦化廢水、污水處理廠濃鹽水、污泥等，不僅不耗水，還相當(dāng)廢水處理廠，與成熟可靠的其它水處理技術(shù)結(jié)合，將廢水變新水、軟水、飲用水。

5.3  轉(zhuǎn)爐煉鋼碳中和

轉(zhuǎn)爐煤氣全干法極限回收余熱和節(jié)電的同時，研究轉(zhuǎn)爐一次除塵二氧化碳的回收和循環(huán)利用，提前實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煉鋼碳中和。

6  結(jié)論與建議

1. 轉(zhuǎn)爐煤氣粗除塵和換熱一體化設(shè)備，可以替代傳統(tǒng)干法、半干法的蒸發(fā)冷卻器、濕法一文和洗滌塔，不僅回收余熱附產(chǎn)蒸汽，還節(jié)省了降溫的蒸汽、新水、循環(huán)水處理費用，具有顯著節(jié)能低碳效益；

2. 轉(zhuǎn)爐煤氣全干法除塵為轉(zhuǎn)爐煉鋼同步實現(xiàn)超低排放和低碳改造提供的一個可選擇方案，特別是采用并聯(lián)旁路方式使改造項目實施和運行都靈活；

3. 轉(zhuǎn)爐煉鋼通過回收余熱、節(jié)電和碳循環(huán)利用，具備提前低成本實現(xiàn)碳中和條件。

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