許文斐¹   李新強(qiáng)^1,2   李晨曦¹  崔明元¹

（1. 中國重型機(jī)械研究院股份公司  陜西 西安 710018；

（2. 西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院  陜西 西安 710049）

摘  要：面對我國日益嚴(yán)峻的環(huán)保形勢，為滿足轉(zhuǎn)爐煙氣超低排放的要求，通過分析轉(zhuǎn)爐一次煙氣干法除塵的工藝流程和設(shè)備原理，研發(fā)了配置有柔性調(diào)節(jié)裝置的轉(zhuǎn)爐一次煙氣干法除塵新工藝。柔性調(diào)節(jié)裝置采用了智能化調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，通過其自有的水汽調(diào)節(jié)裝置實時分析轉(zhuǎn)爐狀態(tài)，智能化的適應(yīng)轉(zhuǎn)爐的不同冶煉狀態(tài)，并能及時切換運(yùn)行模式。生產(chǎn)實踐表明，柔性調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)合理，安全可靠，新工藝能有效解決企業(yè)在控制成本前提下對轉(zhuǎn)爐一次煙氣超低排放的問題，滿足環(huán)保排放指標(biāo)要求的同時節(jié)約成本。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐；一次煙氣；超低排放；柔性調(diào)節(jié)

隨著我國冶金工業(yè)的不斷發(fā)展，相應(yīng)的對煙氣污染治理的標(biāo)準(zhǔn)也提出了更高的要求。濕法除塵已經(jīng)被證明無法適應(yīng)超低排放要求（煙囪口顆粒物濃度≤10mg/Nm³），而目前已經(jīng)建設(shè)運(yùn)營的大多數(shù)干法系統(tǒng)，或因投產(chǎn)早導(dǎo)致的先天技術(shù)要求低，或經(jīng)過長時間使用導(dǎo)致設(shè)備損耗嚴(yán)重，也無法滿足超低排放。因此，針對企業(yè)自身發(fā)展情況，對老舊一次煙氣處理系統(tǒng)的改造已經(jīng)迫在眉睫。

1 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐一次煙氣干法除塵工藝分析

在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中會產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?，首先由活動煙罩捕集，然后?jīng)汽化冷卻煙道，在回收熱能的同時對煙氣進(jìn)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(jīng)過蒸發(fā)冷卻的方式進(jìn)行煙氣的二次急冷降溫，并迅速越過燃爆點(diǎn)，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(fā)冷卻器出口溫度控制在350~200℃范圍內(nèi)。冷卻后的煙氣進(jìn)入靜電除塵器進(jìn)行精除塵，再經(jīng)除塵風(fēng)機(jī)送至切換站。凈化后的煙氣CO濃度達(dá)標(biāo)時，經(jīng)由切換站回收鐘型閥送入煤氣冷卻器進(jìn)行噴淋降溫，送入煤氣柜儲存；CO濃度不達(dá)標(biāo)時，經(jīng)由切換站放散鐘型閥送入放散煙囪，進(jìn)入放散煙囪點(diǎn)火放散。

圖1 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐一次煙氣干法除塵工藝流程圖

絕大多數(shù)的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐一次煙氣干法除塵工藝在設(shè)計合理的情況下，理論上均可以滿足企業(yè)超低排的基本需求。但在實際應(yīng)用中，存在企業(yè)點(diǎn)檢維護(hù)工作缺失，爐前操作簡單粗暴導(dǎo)致頻繁泄爆，初始設(shè)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(biāo)或不理想。因此，需要在盡量不增加成本的基礎(chǔ)上，考慮新的一次煙氣除塵處理工藝。

2 轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置

2.1 轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計思路

目前，大多數(shù)不滿足超低排放的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐一次煙氣干法除塵系統(tǒng)，最大的問題出在圓筒形電除塵器上。因企業(yè)存在的各種客觀因素，導(dǎo)致企業(yè)缺少點(diǎn)檢維護(hù)、頻繁泄爆或設(shè)備初始設(shè)計存在缺陷，導(dǎo)致圓筒形電除塵器出現(xiàn)各種“硬傷”，經(jīng)過精除塵的煙氣無法達(dá)到顆粒物濃度≤10mg/Nm³的超低排放標(biāo)準(zhǔn)。后續(xù)的設(shè)備包括風(fēng)機(jī)、切換站、放散煙囪等，均起不到除塵作用，因此必須在系統(tǒng)內(nèi)增加新一級的精除塵設(shè)備以滿足排放要求。

2.2 轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置的工藝原理

轉(zhuǎn)爐一次煙氣中含有大量的CO，轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置必須采用防爆的圓筒形結(jié)構(gòu)，并在頂部設(shè)置有合適尺寸的泄爆閥。煙氣進(jìn)入裝置采用下進(jìn)氣上出氣的方式，從柔性調(diào)節(jié)裝置本體的下部進(jìn)氣導(dǎo)流裝置進(jìn)入本體內(nèi)。

（1）當(dāng)煙氣中CO含量及O₂含量滿足CO回收標(biāo)準(zhǔn)時，柔性調(diào)節(jié)裝置的水汽噴淋系統(tǒng)切換運(yùn)行在CO回收模式階段中，通過水噴槍向柔性調(diào)節(jié)裝置本體內(nèi)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(jù)實際煙氣量計算換熱，確定每層數(shù)量及分布角度；

（2）當(dāng)CO含量不滿足回收標(biāo)準(zhǔn)時，柔性調(diào)節(jié)裝置運(yùn)行在CO放散模式階段中，柔性調(diào)節(jié)裝置的水汽噴淋系統(tǒng)會自動切換至冷凝核化除塵模式，在此模式下，水噴槍關(guān)閉，雙介質(zhì)噴槍啟用（中國重型機(jī)械研究院股份公司專利產(chǎn)品），柔性調(diào)節(jié)裝置會根據(jù)粉塵含量及趨勢，自動調(diào)節(jié)噴入的氣量及水量，以超細(xì)顆粒水霧進(jìn)行除塵，最終達(dá)到滿足超低排放，雙介質(zhì)噴槍布置1~2層，考慮到煙氣不能攜帶大量機(jī)械水，雙介質(zhì)噴槍的噴水量及液氣比需要進(jìn)行詳細(xì)的換熱計算，以確定最優(yōu)值。

（3）轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置的模式切換，由設(shè)置于柔性調(diào)節(jié)裝置出口煙道處的水汽調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行實時控制。水汽調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥、壓力變送器、溫度變送器等儀表閥門組成。水汽調(diào)節(jié)裝置內(nèi)部各儀表均采用4-20mA模擬量防爆儀表，并用撓性防爆管進(jìn)行連接，采集到的各信號均進(jìn)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(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一控制。通過智能化控制系統(tǒng)，水汽調(diào)節(jié)裝置可以根據(jù)轉(zhuǎn)爐狀態(tài)及煙氣成分實時進(jìn)行快速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換，智能化的適應(yīng)轉(zhuǎn)爐的不同冶煉狀態(tài)。

在使用轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置新工藝的冶煉過程中，經(jīng)過轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置的一次煙氣，無論處在以上任何的運(yùn)行模式中，其都會經(jīng)過水汽噴淋系統(tǒng)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(jié)省投資，由柔性調(diào)節(jié)裝置實現(xiàn)CO降溫的功能。同時，煙氣中攜帶了少量的機(jī)械水。雖然水氣含量經(jīng)過理論的嚴(yán)格計算，但為避免煙囪口機(jī)械水外溢造成二次污染，也避免回收時將大量機(jī)械水送入煤氣柜，需要對煙氣中的機(jī)械水進(jìn)行脫除，需在本體上部設(shè)置脫水裝置。

圖2 使用轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置的新工藝流程圖

2.3 轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置由柔性調(diào)節(jié)裝置本體、走梯平臺、水汽噴淋系統(tǒng)、水汽調(diào)節(jié)裝置、脫水裝置、走梯平臺等組成。柔性調(diào)節(jié)裝置本體是該裝置的主體，在下部進(jìn)氣口設(shè)置有進(jìn)氣導(dǎo)流裝置，使煙氣平緩進(jìn)入本體內(nèi)，避免氣流沖擊本體內(nèi)壁。在柔性調(diào)節(jié)裝置本體中部設(shè)置有水汽噴淋系統(tǒng)，隨時根據(jù)轉(zhuǎn)爐冶煉狀態(tài)，由設(shè)置在出口煙道處的水汽調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行實時控制，切換運(yùn)行狀態(tài)。在柔性調(diào)節(jié)裝置本體上部設(shè)置有脫水裝置，脫水裝置根據(jù)系統(tǒng)煙氣量、轉(zhuǎn)爐容量、水質(zhì)條件、水汽噴淋系統(tǒng)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(wǎng)式，并根據(jù)所需要的脫除效率選擇2~3層布置在柔性調(diào)節(jié)裝置本體上部的脫水裝置支撐結(jié)構(gòu)上，并配備有沖洗裝置，定期在轉(zhuǎn)爐冶煉間歇期進(jìn)行沖洗，保證脫水裝置正常運(yùn)行。柔性調(diào)節(jié)裝置本體頂部設(shè)置泄爆閥，避免在事故狀態(tài)下CO爆燃損壞本體內(nèi)結(jié)構(gòu)。在柔性調(diào)節(jié)裝置本體下部設(shè)置排水泵，排水泵兩用一備，及時將本體內(nèi)的污水外排至企業(yè)水處理設(shè)施。水泵由本體上的液位計進(jìn)行控制。在本體外部，設(shè)置有走梯平臺，用以連接柔性調(diào)節(jié)裝置本體上各使用點(diǎn)，并保證人機(jī)功能。

圖3 轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置

3 轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置的工藝計算

轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置設(shè)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(bǔ)充部分，需要對其選型進(jìn)行計算。

假定某鋼廠有150T轉(zhuǎn)爐一座，其一次除塵需增設(shè)轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置一臺，已知參數(shù)如下：

系統(tǒng)干煙氣量V_干=110000Nm³/h；

轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置進(jìn)氣端煙氣溫度為T₁，T₁=180℃；

轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)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?yōu)閠₂，t₂=30℃；

原有一次除塵蒸發(fā)冷卻器噴水量V_水=60t/h；

風(fēng)機(jī)全壓P=10kPa；

大氣壓力P₀=101.325kPa；

熱力學(xué)溫度常數(shù)T₀=273.15℃；

經(jīng)查資料可知，1T水在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下完全蒸發(fā)可產(chǎn)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(jīng)計算得V_T1= 288812m³/h。

在T₂溫度下可計算出濕煙氣量V_T2：

經(jīng)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?dú)怏w標(biāo)況摩爾體積常數(shù)V_m=22.4L/mol

可以計算出煙氣中換熱熱量q：

經(jīng)計算得q= 29430205 kJ/h

再由初始條件可計算水與煙氣的對數(shù)平均溫差△T_m：

經(jīng)計算得△T_m=91.024℃。

取熱容量有效系數(shù)W=800kJ/（m³·h·K）

可以計算出轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置的有效容積B：

經(jīng)計算得B= 404.155 m³。

取煙氣流速S=3m/s，由公式可反算轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置的直徑D：

經(jīng)計算并取圓整，D=5.1m。

前文已計算轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置的有效容積B，由公式可反算有效高度H：

經(jīng)計算并取圓整，H=20m。

取水的質(zhì)量比熱容C_水=4.19kJ/（kg·K），水蒸氣的質(zhì)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(jīng)計算并取圓整，Q_水=136t/h（斷續(xù)使用）。最大Q_N2使用量根據(jù)經(jīng)驗取十倍水量：1400Nm³/h（斷續(xù)使用）。

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

4 轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置在實際工程中的運(yùn)用

4.1 采用濕法除塵處理一次煙氣的企業(yè)改造

采用濕法除塵處理轉(zhuǎn)爐一次煙氣的企業(yè)，大部分濕法設(shè)備建設(shè)較早，設(shè)備在長期使用中已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)下的冶煉工況和冶煉節(jié)奏，加之煤氣回收率低，環(huán)保排放無法達(dá)標(biāo)，亟需進(jìn)行改造。

但這類企業(yè)也存在廠區(qū)建設(shè)成熟緊湊，轉(zhuǎn)爐車間空間有限無法使用大直徑及足夠有效高度的蒸發(fā)冷卻器，并且在原有濕法系統(tǒng)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(yè)常常在濕法改干法后，勉強(qiáng)投運(yùn)的干法系統(tǒng)不堪重負(fù)，環(huán)保依舊不達(dá)標(biāo)，既投入了巨大成本，也無法取得良好的回報。

轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)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(tǒng)，使用轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置的干法系統(tǒng)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(fēng)機(jī)系統(tǒng)后端。這樣既節(jié)省了投資，還能保證在有限的場地上完成傳統(tǒng)干法系統(tǒng)不能完成的環(huán)保排放指標(biāo)。

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(yè)點(diǎn)檢維護(hù)工作缺失，轉(zhuǎn)爐操作工藝簡單粗暴導(dǎo)致頻繁泄爆，初始設(shè)計并未考慮超低排放要求等客觀因素，導(dǎo)致系統(tǒng)無法滿足超低排放要求。然而若將原有干法系統(tǒng)拆除重新建造，3-6個月的工期則會嚴(yán)重耽誤企業(yè)正常生產(chǎn)，極大的損害企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

在該類企業(yè)的改造中，可以在老干法系統(tǒng)旁獨(dú)立建設(shè)轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置，安裝完畢并冷態(tài)調(diào)試后，擇企業(yè)自身爐役情況，選擇合適時間進(jìn)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(chǎn)、不給系統(tǒng)增加過多的額外負(fù)擔(dān)。而且相比傳統(tǒng)干法工藝，使用柔性調(diào)節(jié)裝置后對進(jìn)入煤氣柜的CO還進(jìn)行了進(jìn)一步脫水，減少了煤氣柜負(fù)擔(dān)。

4.3 新建轉(zhuǎn)爐干法一次除塵系統(tǒng)

新建的轉(zhuǎn)爐干法一次系統(tǒng)，可以參照濕法改干法的案例，在使用轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置后極大的提升了系統(tǒng)對粉塵的處理能力，相應(yīng)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(qiáng)的市場競爭力。

5 結(jié)論

（1）轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置具備智能化調(diào)節(jié)功能，適應(yīng)轉(zhuǎn)爐各種工況條件，及時切換運(yùn)行模式，滿足企業(yè)超低排放要求。

（2）轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)合理，安全可靠，適應(yīng)性廣，可以大量運(yùn)用在改造項目中。

（3）轉(zhuǎn)爐干法除塵柔性調(diào)節(jié)裝置對新建干法除塵項目起到降低投資節(jié)約成本的作用。

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