許文斐¹   李新強^1,2   李晨曦¹  崔明元¹

（1. 中國重型機械研究院股份公司  陜西 西安 710018；

（2. 西安交通大學機械工程學院  陜西 西安 710049）

摘  要：面對我國日益嚴峻的環保形勢，為滿足轉爐煙氣超低排放的要求，通過分析轉爐一次煙氣干法除塵的工藝流程和設備原理，研發了配置有柔性調節裝置的轉爐一次煙氣干法除塵新工藝。柔性調節裝置采用了智能化調節控制系統，通過其自有的水汽調節裝置實時分析轉爐狀態，智能化的適應轉爐的不同冶煉狀態，并能及時切換運行模式。生產實踐表明，柔性調節裝置結構合理，安全可靠，新工藝能有效解決企業在控制成本前提下對轉爐一次煙氣超低排放的問題，滿足環保排放指標要求的同時節約成本。

關鍵詞：轉爐；一次煙氣；超低排放；柔性調節

隨著我國冶金工業的不斷發展，相應的對煙氣污染治理的標準也提出了更高的要求。濕法除塵已經被證明無法適應超低排放要求（煙囪口顆粒物濃度≤10mg/Nm³），而目前已經建設運營的大多數干法系統，或因投產早導致的先天技術要求低，或經過長時間使用導致設備損耗嚴重，也無法滿足超低排放。因此，針對企業自身發展情況，對老舊一次煙氣處理系統的改造已經迫在眉睫。

1 傳統轉爐一次煙氣干法除塵工藝分析

在轉爐冶煉過程中會產生大量的高溫煙氣，首先由活動煙罩捕集，然后經汽化冷卻煙道，在回收熱能的同時對煙氣進行初次降溫，一般汽化冷卻煙道出口溫度約為800~1000℃。之后煙氣經過蒸發冷卻的方式進行煙氣的二次急冷降溫，并迅速越過燃爆點，同時捕集粗顆粒粉塵。為滿足電除塵器工作的溫度條件，蒸發冷卻器出口溫度控制在350~200℃范圍內。冷卻后的煙氣進入靜電除塵器進行精除塵，再經除塵風機送至切換站。凈化后的煙氣CO濃度達標時，經由切換站回收鐘型閥送入煤氣冷卻器進行噴淋降溫，送入煤氣柜儲存；CO濃度不達標時，經由切換站放散鐘型閥送入放散煙囪，進入放散煙囪點火放散。

圖1 傳統轉爐一次煙氣干法除塵工藝流程圖

絕大多數的傳統轉爐一次煙氣干法除塵工藝在設計合理的情況下，理論上均可以滿足企業超低排的基本需求。但在實際應用中，存在企業點檢維護工作缺失，爐前操作簡單粗暴導致頻繁泄爆，初始設計并未考慮超低排放要求等一系列客觀因素，致使煙囪口顆粒物濃度超標或不理想。因此，需要在盡量不增加成本的基礎上，考慮新的一次煙氣除塵處理工藝。

2 轉爐干法除塵柔性調節裝置

2.1 轉爐干法除塵柔性調節裝置的設計思路

目前，大多數不滿足超低排放的傳統轉爐一次煙氣干法除塵系統，最大的問題出在圓筒形電除塵器上。因企業存在的各種客觀因素，導致企業缺少點檢維護、頻繁泄爆或設備初始設計存在缺陷，導致圓筒形電除塵器出現各種“硬傷”，經過精除塵的煙氣無法達到顆粒物濃度≤10mg/Nm³的超低排放標準。后續的設備包括風機、切換站、放散煙囪等，均起不到除塵作用，因此必須在系統內增加新一級的精除塵設備以滿足排放要求。

2.2 轉爐干法除塵柔性調節裝置的工藝原理

轉爐一次煙氣中含有大量的CO，轉爐干法除塵柔性調節裝置必須采用防爆的圓筒形結構，并在頂部設置有合適尺寸的泄爆閥。煙氣進入裝置采用下進氣上出氣的方式，從柔性調節裝置本體的下部進氣導流裝置進入本體內。

（1）當煙氣中CO含量及O₂含量滿足CO回收標準時，柔性調節裝置的水汽噴淋系統切換運行在CO回收模式階段中，通過水噴槍向柔性調節裝置本體內部噴入大量粗顆粒冷卻水，使CO和水充分熱交換，確保CO溫度滿足回收條件（＜75℃）。水噴槍采用2~3層均布布置，根據實際煙氣量計算換熱，確定每層數量及分布角度；

（2）當CO含量不滿足回收標準時，柔性調節裝置運行在CO放散模式階段中，柔性調節裝置的水汽噴淋系統會自動切換至冷凝核化除塵模式，在此模式下，水噴槍關閉，雙介質噴槍啟用（中國重型機械研究院股份公司專利產品），柔性調節裝置會根據粉塵含量及趨勢，自動調節噴入的氣量及水量，以超細顆粒水霧進行除塵，最終達到滿足超低排放，雙介質噴槍布置1~2層，考慮到煙氣不能攜帶大量機械水，雙介質噴槍的噴水量及液氣比需要進行詳細的換熱計算，以確定最優值。

（3）轉爐干法除塵柔性調節裝置的模式切換，由設置于柔性調節裝置出口煙道處的水汽調節裝置進行實時控制。水汽調節裝置由CO分析儀、O₂分析儀、CO₂分析儀、H₂分析儀、水路氣路快速切斷閥、調節閥、壓力變送器、溫度變送器等儀表閥門組成。水汽調節裝置內部各儀表均采用4-20mA模擬量防爆儀表，并用撓性防爆管進行連接，采集到的各信號均進入到配備有西門子S7-1500 PLC 作為主站、 ET200SP 作為分站，并使用Profibus-DP 通信的智能化控制系統中進行統一控制。通過智能化控制系統，水汽調節裝置可以根據轉爐狀態及煙氣成分實時進行快速調節轉換，智能化的適應轉爐的不同冶煉狀態。

在使用轉爐干法除塵柔性調節裝置新工藝的冶煉過程中，經過轉爐干法除塵柔性調節裝置的一次煙氣，無論處在以上任何的運行模式中，其都會經過水汽噴淋系統的洗滌。因此，在新的工藝流程中，可以完全取消原工藝流程中的煤氣冷卻器以節省投資，由柔性調節裝置實現CO降溫的功能。同時，煙氣中攜帶了少量的機械水。雖然水氣含量經過理論的嚴格計算，但為避免煙囪口機械水外溢造成二次污染，也避免回收時將大量機械水送入煤氣柜，需要對煙氣中的機械水進行脫除，需在本體上部設置脫水裝置。

圖2 使用轉爐干法除塵柔性調節裝置的新工藝流程圖

2.3 轉爐干法除塵柔性調節裝置的結構

轉爐干法除塵柔性調節裝置由柔性調節裝置本體、走梯平臺、水汽噴淋系統、水汽調節裝置、脫水裝置、走梯平臺等組成。柔性調節裝置本體是該裝置的主體，在下部進氣口設置有進氣導流裝置，使煙氣平緩進入本體內，避免氣流沖擊本體內壁。在柔性調節裝置本體中部設置有水汽噴淋系統，隨時根據轉爐冶煉狀態，由設置在出口煙道處的水汽調節裝置進行實時控制，切換運行狀態。在柔性調節裝置本體上部設置有脫水裝置，脫水裝置根據系統煙氣量、轉爐容量、水質條件、水汽噴淋系統供水量、換熱計算等多種因素選用不同形式的脫水裝置，包括但不限于折板式、屋脊式、管束式、絲網式，并根據所需要的脫除效率選擇2~3層布置在柔性調節裝置本體上部的脫水裝置支撐結構上，并配備有沖洗裝置，定期在轉爐冶煉間歇期進行沖洗，保證脫水裝置正常運行。柔性調節裝置本體頂部設置泄爆閥，避免在事故狀態下CO爆燃損壞本體內結構。在柔性調節裝置本體下部設置排水泵，排水泵兩用一備，及時將本體內的污水外排至企業水處理設施。水泵由本體上的液位計進行控制。在本體外部，設置有走梯平臺，用以連接柔性調節裝置本體上各使用點，并保證人機功能。

圖3 轉爐干法除塵柔性調節裝置

3 轉爐干法除塵柔性調節裝置的工藝計算

轉爐干法除塵柔性調節裝置設置在圓筒形電除塵器出口端，作為電除塵器精除塵的重要補充部分，需要對其選型進行計算。

假定某鋼廠有150T轉爐一座，其一次除塵需增設轉爐干法除塵柔性調節裝置一臺，已知參數如下：

系統干煙氣量V_干=110000Nm³/h；

轉爐干法除塵柔性調節裝置進氣端煙氣溫度為T₁，T₁=180℃；

轉爐干法除塵柔性調節裝置出氣端煙氣溫度為T₂，T₂=70℃；

初始水溫度為t₁，t₁=20℃；

熱交換后水溫度變為t₂，t₂=30℃；

原有一次除塵蒸發冷卻器噴水量V_水=60t/h；

風機全壓P=10kPa；

大氣壓力P₀=101.325kPa；

熱力學溫度常數T₀=273.15℃；

經查資料可知，1T水在標準狀態下完全蒸發可產生水蒸氣的量V₀=1244.4m³；

則在T₁溫度下可計算出濕煙氣量V_T1：

經計算得V_T1= 288812m³/h。

在T₂溫度下可計算出濕煙氣量V_T2：

經計算得V_T2=219686m³/h。

取煙氣平均摩爾熱容C₁=29.1kJ/（kmol·K）；

水平均摩爾熱容C₂=32.021 kJ/（kmol·K）；

并已知氣體標況摩爾體積常數V_m=22.4L/mol

可以計算出煙氣中換熱熱量q：

經計算得q= 29430205 kJ/h

再由初始條件可計算水與煙氣的對數平均溫差△T_m：

經計算得△T_m=91.024℃。

取熱容量有效系數W=800kJ/（m³·h·K）

可以計算出轉爐干法除塵柔性調節裝置的有效容積B：

經計算得B= 404.155 m³。

取煙氣流速S=3m/s，由公式可反算轉爐干法除塵柔性調節裝置的直徑D：

經計算并取圓整，D=5.1m。

前文已計算轉爐干法除塵柔性調節裝置的有效容積B，由公式可反算有效高度H：

經計算并取圓整，H=20m。

取水的質量比熱容C_水=4.19kJ/（kg·K），水蒸氣的質量比熱容C_氣= 2.14kJ/（kg·K），水的汽化潛熱取值L=2257kJ/kg，可計算用水量Q_水：

經計算并取圓整，Q_水=136t/h（斷續使用）。最大Q_N2使用量根據經驗取十倍水量：1400Nm³/h（斷續使用）。

因此，若某鋼廠150T轉爐一次除塵需增設轉爐干法除塵柔性調節裝置一臺，在系統干煙氣量V_干=110000Nm³/h的情況下，增設的裝置選用5.1m直徑、20m有效高度的本體，消耗介質的用水量為136t/h（斷續使用），Q_N2使用量1400Nm³/h（斷續使用）。

4 轉爐干法除塵柔性調節裝置在實際工程中的運用

4.1 采用濕法除塵處理一次煙氣的企業改造

采用濕法除塵處理轉爐一次煙氣的企業，大部分濕法設備建設較早，設備在長期使用中已經無法適應當下的冶煉工況和冶煉節奏，加之煤氣回收率低，環保排放無法達標，亟需進行改造。

但這類企業也存在廠區建設成熟緊湊，轉爐車間空間有限無法使用大直徑及足夠有效高度的蒸發冷卻器，并且在原有濕法系統拆除后場地不足以擺放大直徑圓筒形靜電除塵器的情況。因此，該類企業常常在濕法改干法后，勉強投運的干法系統不堪重負，環保依舊不達標，既投入了巨大成本，也無法取得良好的回報。

轉爐干法除塵柔性調節裝置可以很好的解決該類問題。相較直接配備大直徑圓筒形電除塵器的干法系統，使用轉爐干法除塵柔性調節裝置的干法系統在改造前的選型上可以選擇較小一型號的電除塵器，放置在風機系統后端。這樣既節省了投資，還能保證在有限的場地上完成傳統干法系統不能完成的環保排放指標。

4.2 老舊干法除塵工藝的改造

如前文所述，部分老舊干法除塵存在企業點檢維護工作缺失，轉爐操作工藝簡單粗暴導致頻繁泄爆，初始設計并未考慮超低排放要求等客觀因素，導致系統無法滿足超低排放要求。然而若將原有干法系統拆除重新建造，3-6個月的工期則會嚴重耽誤企業正常生產，極大的損害企業經濟效益。

在該類企業的改造中，可以在老干法系統旁獨立建設轉爐干法除塵柔性調節裝置，安裝完畢并冷態調試后，擇企業自身爐役情況，選擇合適時間進行煙道對接工作即可。這種改造方案，投資少、占地小、不耽誤生產、不給系統增加過多的額外負擔。而且相比傳統干法工藝，使用柔性調節裝置后對進入煤氣柜的CO還進行了進一步脫水，減少了煤氣柜負擔。

4.3 新建轉爐干法一次除塵系統

新建的轉爐干法一次系統，可以參照濕法改干法的案例，在使用轉爐干法除塵柔性調節裝置后極大的提升了系統對粉塵的處理能力，相應的可以選擇小一級的電除塵器，降低項目整體投資，具有極強的市場競爭力。

5 結論

（1）轉爐干法除塵柔性調節裝置具備智能化調節功能，適應轉爐各種工況條件，及時切換運行模式，滿足企業超低排放要求。

（2）轉爐干法除塵柔性調節裝置結構合理，安全可靠，適應性廣，可以大量運用在改造項目中。

（3）轉爐干法除塵柔性調節裝置對新建干法除塵項目起到降低投資節約成本的作用。

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