既要滿足環(huán)保要求又要進行能量回收已成為近幾年煉鋼廠的一個主要問題。具有清潔、綠色和可持續(xù)特性的鋼鐵技術得到了廣泛關注。
在回收轉爐煤氣的轉爐煉鋼廠，目前可采用濕式洗滌器或靜電除塵器（ESP）進行煙氣凈化。隨著環(huán)保條例的日益嚴格，濕式洗滌器可能不再能滿足這些要求，新一代干式ESP將是一個適合的選擇方案。然而，轉爐一次煙氣凈化用的第一代ESP已不滿足對ESP技術的最新發(fā)展需求。為此，SMS Siemag和ELEX兩家公司創(chuàng)建了一家合資公司即 SMS ELEX股份公司，準備開發(fā)新一代煙氣凈化設備用于轉爐煉鋼廠的轉爐煙氣凈化。該公司已設計出第二代圓形干式ESP，采納了最新的電除塵器技術訣竅。
此外還開發(fā)出一種新的凈化工藝并獲得專利，這項新工藝采用濕式洗滌器和圓形濕式ESP提升了現有煙氣凈化系統(tǒng)。這兩種技術的結合被稱為濕式混合除塵系統(tǒng)，可用于現有的轉爐洗滌器裝置上，使其以較低的投資費用來滿足最嚴格的環(huán)保要求。
本文論述了第二代干式ESP的改進重點，還介紹了濕式混合除塵系統(tǒng)的原理，著重說明了投資費用及對操作成本的影響。
1 轉爐煙氣凈化技術的發(fā)展
在采取轉爐煤氣回收的轉爐煉鋼廠，目前凈化煤氣可采用濕式洗滌器和圓形ESP。當環(huán)保條例將變得更加嚴格，濕式洗滌器不再能夠滿足這些要求時，圓形干式和濕式ESP將是另一種選擇。
圓形干式ESP與濕式洗滌器系統(tǒng)相比有以下主要優(yōu)點：
1）凈煤氣的粉塵含量較低；
2）操作成本較低；
3）維護工作少；
4）無需水處理系統(tǒng)；
5）水耗量小。
不過，用于轉爐煙氣凈化的第一代ESP已不符合最新的先進ESP技術的發(fā)展潮流。鑒于此情況，SMS Siemag和ELEX兩家公司創(chuàng)建了一家合資公司——新的SMS ELEX股份公司，準備開發(fā)新一代煙氣凈化設備，用于轉爐煉鋼車間的轉爐煙氣凈化。
因此，該公司設計出了第二代圓形干式ESP并加入了最新電除塵技術訣竅，而且還開發(fā)出一種新的煙氣凈化系統(tǒng)并獲得了專利。這項新技術采用濕式洗滌器和圓形濕式ESP提升了現有煤氣凈化系統(tǒng)等級。這兩種技術結合構成的裝備被稱為濕式混合除塵系統(tǒng)，能應用于現有轉爐洗滌器裝置上，使其以較低的投資費用來滿足最嚴格的環(huán)保要求。該系統(tǒng)另一個優(yōu)點是接入此系統(tǒng)對現有洗滌器的改造只需要很短的停機時間。
2 第二代干式ESP系統(tǒng)
轉爐煙氣先在冷卻水塔中冷卻。冷卻水管網會使煙氣溫度從1600℃下降到約900℃。為了創(chuàng)造ESP最佳運行條件，煙氣必須在冷卻水塔后進行二次冷卻。因此，煙氣在進入ESP之前要流經煙氣調節(jié)塔（GCT）。在GCT出口處煙氣溫度降至200℃，并處于部分飽和狀態(tài)。由于這些優(yōu)化的煙氣條件，ESP能夠高效率地去除煙氣中的粉塵，使凈煤氣中的粉塵含量小于10mg/m3（所有煙氣流的溫度和壓力均處于標準狀態(tài)（STP））。因此ESP的除塵效率達到99.98%。ESP內底部裝有刮板，用于把粉塵推入ESP下面的鏈式輸送機上，通過吹氮輸送機運送到細粉塵倉。也可采用另一種作法，即用氣動系統(tǒng)輸送粉塵。
煙氣流經GCT，位于ESP下游的抽風機（ID風機）使ESP投入運行。根據CO含量的多少，ESP出口的凈煤氣或者引入下游的煤氣回收工序，或者直接排入廢氣燃燒煙道。CO含量大于45%的煤氣可以回收利用，因此要將該煤氣回收貯存在煤氣柜中。煤氣回收工藝要求進一步調節(jié)煤氣，以使其可以在大氣環(huán)境下貯存。CO含量小于45%的煤氣屬于廢氣，直接排入廢氣燃燒煙道以便安全地燒盡剩余的CO。
2.1 煙氣調節(jié)塔（GCT）
GCT有兩個基本功能：第一是要將煙氣溫度降低到更低水平，以便作下一步處理；第二是要調節(jié)煤氣，以使ESP工作效率最佳。
冷卻塔末端的煙氣最高溫度在900-1000℃之間。在第二代GCT中，首先是合理分布輸入煙氣，以獲得整個GCT斷面上的最佳煙氣流動。在GCT入口設有特殊部件用于最佳煙氣分布，這樣就可避免可能在噴射點近處側壁上聚積粉塵及煙氣倒流。在許多第一代GCT上，這些聚積的沉積物逐漸變大墜落，可能對粉塵運輸裝置造成重大損壞。
不過，通過煙氣在GCT入口上的合理分配，整個系統(tǒng)變得更可靠，因而在轉爐換襯期間，很少需要維護，并且有助于確保GCT下游的ESP效率更高。
為了將煙氣溫度降低到200℃，用回流噴嘴把水噴進煙氣分配裝置下面的高溫煙氣流中。回流噴嘴產生的水滴最大，直徑為400μm。為保持水滴尺寸要求噴嘴最小水壓30bar。一旦水滴噴進高溫煙氣流中，即開始從氣體到水的熱傳遞，最后產生水蒸汽。因此，GCT出口煙氣溫度連續(xù)下降到200℃。由于有蒸發(fā)的水，煙氣得到更好的調節(jié)，使ESP能在水蒸汽含量達30%的條件下運行。
利用回流噴嘴的主要優(yōu)勢是此系統(tǒng)只需要一個供水系統(tǒng)，可使操作成本保持在較低水平。采用內裝煤氣分配裝置，整個GCT產生的最大壓降也不超過4.5mbar。
在GCT中，由于重力作用掉落的粗粉塵用鏈式運輸機系統(tǒng)輸送到GCT粉塵倉。
2.2 第二代干式ESP
干式ESP的功能主要以靜電除塵為主。電子是由高壓充電的放電電極發(fā)射。由于電位差，電子轉移到接地集塵板上。在此期間，電子聚集在煙氣中的粉塵顆粒上。因此，粉塵顆粒帶有負電荷且由電場把它們吸向集塵板，在板上沉積起來。
在第二代圓形ESP上，集塵電極由異形板組成。這些板形成煙氣流經的通路系統(tǒng)。在400mm寬通路的正中安置放電電極。除塵器內裝有機械振打裝置，定期振落集塵板上的粉塵。
ESP被分成所謂的“區(qū)段”，通常，轉爐煙氣凈化用的ESP有4個區(qū)段，各區(qū)段在機械和電氣方面都各自獨立配置。機械上的獨立意味著每個區(qū)段有其自己的振打裝置和粉塵刮板。電氣上的獨立是指每個區(qū)段各自采用1套高壓電氣裝置。采用這種設計的好處是一個區(qū)段失靈不會影響其他區(qū)段的正常運行。
2.3 放電電極
在靜電除塵器中放電電極是關鍵部件，如果此電極不能正確運行，那么粉塵的適當離子化就不可能實現，這樣ESP的效率就會大幅下降。而且，確保放電電極不中斷和不導致電場短路對ESP的運行至關重要。許多用戶都報告過此類故障，特別是轉爐煙氣凈化所用ESP發(fā)生的問題。造成此類故障的原因在于分離出的粉塵——在轉爐吹氧階段，分離出的粉塵由于一氧化碳產生的還原氣氛而未被氧化，在非吹氧期間，環(huán)境空氣流經ESP后，粘附在內部部件上的粉塵開始在部件表面積聚。由于熱膨脹和材料溫度極高，內部部件產生巨大應力，特別是第一區(qū)段放電電極受到的影響最大。因此，根據用戶報告，電極會扭曲、斷裂并使此區(qū)段停機。
基于上述用戶報告和ELEX公司75年的經驗，放電電極的結構被設計成一種特殊的管狀形式（已獲專利），抗應力和堅固性都極高。此外，放電電極懸掛系統(tǒng)（已獲專利）能保證電極順暢地熱膨脹。
簡而言之，該部件結構設計的兩大優(yōu)勢即管式電極和最佳懸掛裝置，既可確保ESP可靠、高效地運行，又能使維護、操作費用很低。
2.4 集塵板
在第二代圓形ESP上，集塵板設計為異型板。為了能使每塊板都熱膨脹、容易振打和避免任何機械應力，設計了一種新的集塵板系統(tǒng)（已獲專利），而且此系統(tǒng)保證易于組裝。
這些板在ESP正中心對開分為“懸掛”和“站立”兩種。如上所述，兩面板墻之間形成煙氣通路。一面板墻由11塊懸掛板和11塊站立板組成，按煤氣流動方向布置。
每面板墻上的所有懸掛板都連接到位于ESP頂部下面的支撐板上。站立的集塵板也固定在ESP底部的這種支撐板上。而且每面板墻上的所有板子都要導向位于ESP正中的振打棒。每對集塵板（一塊懸掛板和一塊站立板）接觸振打棒上的一個制動器，由此制動器發(fā)送振打脈沖。振打棒自身由兩個螺栓固定在上部兩塊板上，或者用區(qū)外擺式結構來固定。
每個區(qū)段的每塊板可以不受其他板牽制單獨移動，因為各塊板彼此互不連接。因此，新的懸掛結構（已獲專利）允許每個板都能夠熱伸長。因而集塵板不會受機械應力影響，振打不再損壞集塵板。
2.5 振打系統(tǒng)
在第二代干式ESP中，放電電極和集塵板用機械方式振打。2臺振打機彼此不連接，有各自的驅動裝置。每個ESP區(qū)段裝有1個電極和1套振打裝置。2套振打裝置都采用鍛制整體振錘。該公司生產這種應用系統(tǒng)已有75年之久，到目前為止未發(fā)生過振錘損失或破裂這類故障。這種可靠性使此振打系統(tǒng)獨一無二，并使操作及維護費用保持在較低水平。
除了可靠性以外，此振打裝置還有另一個優(yōu)點：因為集塵板彼此不相連且采用振打棒結構，所以振打效果已經達到最佳化。用振錘進行物理振打可確保整個板面的加速值。而相互連接的集塵板系統(tǒng)需要2套振打系統(tǒng)，每側各設1套。
此振打系統(tǒng)確保了最佳的振打效果，足以防止粉塵粘附在集塵板上。而且此系統(tǒng)可確?？煽啃院洼^低的操作及維護成本。
3 濕式混合除塵系統(tǒng)
該公司還開發(fā)了新的濕式混合除塵系統(tǒng)（已獲專利）。設計此系統(tǒng)是為了提高轉爐現有濕式洗滌系統(tǒng)（共2套，每側各設,1套）的除塵效率以便滿足最嚴格的環(huán)保條例，同時保持較低的投資費用。
上述升級措施能在現有濕式洗滌器與換向站之間接入圓形濕式ESP。此時洗滌器排出的氣體溫度為70℃，并且處于完全飽和狀態(tài)。這些煙氣數據對濕式ESP而言是除塵的最佳條件。濕式靜電除塵原理與干式ESP相同。ESP出口的煤氣直接進入煤氣回收系統(tǒng)或排入廢氣燃燒煙道。
此系統(tǒng)與干式ESP系統(tǒng)相比較，在結構上有兩大差異：首先，濕式ESP中的集塵板不上下分開，集塵板只是下懸在上部支撐板上；其次是內部部件凈化方法不同。代替機械振打，濕式ESP是簡單地用水清潔，水通過位于煙氣通道上部的噴嘴噴射。除此之外，在每個區(qū)段開始處還噴射所謂的“霧水”以便保持集塵板總是潮濕，易于通暢。
3.1 濕式混合系統(tǒng)的主要優(yōu)點
這種新系統(tǒng)有以下主要優(yōu)點：
1）凈煤氣粉塵含量小于10mg/m3。
2）與只用濕式洗滌器相比，能耗減少50%。
3）可以與幾乎所有現有的濕式洗滌器相結合。
4）洗滌器現有水處理設施可以用于濕式ESP，無需擴大。
5）投資成本低。
6）在安裝時現有系統(tǒng)停機時間短。
7）煤氣罐下游無需再用濕式ESP作煤氣的最終凈化。
3.2 采用濕式混合系統(tǒng)時的能耗控制
濕式混合系統(tǒng)有助于用戶實現極嚴的環(huán)保要求，同時又可減少整個系統(tǒng)的能耗。
3.2.1 案例1
洗滌器凈煤氣粉塵含量為100mg/m3。因此，洗滌器兩端的壓降需消耗2000kW的能量用于抽風機（ID風機）。
把1臺第一區(qū)域的濕式ESP連接到洗滌器上，可以使凈煤氣粉塵含量達到10mg/m3。ESP動力消耗對總能耗只有微小的影響，因為只需要增加75kW。
3.2.2 案例2
與案例1相比，洗滌器凈煤氣粉塵含量增加到300mg/m3，相應地ID風機動力消耗顯著降低50%。連接第二區(qū)域的濕式ESP，凈煤氣粉塵含量下降到10mg/m3。ESP動力消耗120kW，與節(jié)省的能耗相比微不足道。
洗滌器和濕式ESP的最佳結合可以大幅降低動力消耗，同時仍能達到最嚴格的環(huán)保要求并保證最低的投資成本。
4 總結
SMS ELEX的干式ESP和濕式ESP均符合官方對粉塵排放量的規(guī)定。由于在結構上的最新改進，操作及維護費用均有所降低。ESP的技術訣竅可保證設計、安裝和售后服務達到最高水平。
第二代干式ESP最適合安裝在新建轉爐煉鋼廠或用于現有轉爐煉鋼廠的改造。濕式混合除塵系統(tǒng)可用于需升級的現有各種轉爐洗滌器系統(tǒng)，其投資成本較低。