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(huán)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(fā)了配置有柔性調節(jié)裝置的轉爐一次煙氣干法除塵新工藝。柔性調節(jié)裝置采用了智能化調節(jié)控制系統(tǒng)，通過其自有的水汽調節(jié)裝置實時分析轉爐狀態(tài)，智能化的適應轉爐的不同冶煉狀態(tài)，并能及時切換運行模式。生產(chǎn)實踐表明，柔性調節(jié)裝置結構合理，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爐一次煙氣超低排放的問題，滿足環(huán)保排放指標要求的同時節(jié)約成本。
關鍵詞：轉爐；一次煙氣；超低排放；柔性調節(jié)
隨著我國冶金工業(yè)的不斷發(fā)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(jīng)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(jīng)建設運營的大多數(shù)干法系統(tǒng)，或因投產(chǎn)早導致的先天技術要求低，或經(jīng)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(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)轉爐一次煙氣干法除塵工藝分析
在轉爐冶煉過程中會產(chǎn)生大量的高溫煙氣，首先由活動煙罩捕集，然后經(jīng)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(jīng)過蒸發(fā)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(fā)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(jīng)除塵風機送至切換站。凈化后的煙氣CO濃度達標時，經(jīng)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(jīng)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(tǒng)轉爐一次煙氣干法除塵工藝流程圖
絕大多數(shù)的傳統(tǒng)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(yè)超低排的基本需求。但在實際應用中，存在企業(yè)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(jié)裝置
2.1 轉爐干法除塵柔性調節(jié)裝置的設計思路
目前，大多數(shù)不滿足超低排放的傳統(tǒng)轉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，導致企業(yè)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(xiàn)各種“硬傷”，經(jīng)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(xù)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(tǒng)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)裝置的水汽噴淋系統(tǒng)切換運行在CO回收模式階段中，通過水噴槍向柔性調節(jié)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(jù)實際煙氣量計算換熱，確定每層數(shù)量及分布角度；
（2）當CO含量不滿足回收標準時，柔性調節(jié)裝置運行在CO放散模式階段中，柔性調節(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，水噴槍關閉，雙介質噴槍啟用（中國重型機械研究院股份公司專利產(chǎn)品），柔性調節(jié)裝置會根據(jù)粉塵含量及趨勢，自動調節(jié)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(yōu)值。
（3）轉爐干法除塵柔性調節(jié)裝置的模式切換，由設置于柔性調節(jié)裝置出口煙道處的水汽調節(jié)裝置進行實時控制。水汽調節(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、調節(jié)閥、壓力變送器、溫度變送器等儀表閥門組成。水汽調節(jié)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(tǒng)中進行統(tǒng)一控制。通過智能化控制系統(tǒng)，水汽調節(jié)裝置可以根據(jù)轉爐狀態(tài)及煙氣成分實時進行快速調節(jié)轉換，智能化的適應轉爐的不同冶煉狀態(tài)。
在使用轉爐干法除塵柔性調節(jié)裝置新工藝的冶煉過程中，經(jīng)過轉爐干法除塵柔性調節(jié)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(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械水。雖然水氣含量經(jīng)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(jié)裝置的新工藝流程圖
2.3 轉爐干法除塵柔性調節(jié)裝置的結構
轉爐干法除塵柔性調節(jié)裝置由柔性調節(jié)裝置本體、走梯平臺、水汽噴淋系統(tǒng)、水汽調節(jié)裝置、脫水裝置、走梯平臺等組成。柔性調節(jié)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(jié)裝置本體中部設置有水汽噴淋系統(tǒng)，隨時根據(jù)轉爐冶煉狀態(tài)，由設置在出口煙道處的水汽調節(jié)裝置進行實時控制，切換運行狀態(tài)。在柔性調節(jié)裝置本體上部設置有脫水裝置，脫水裝置根據(jù)系統(tǒng)煙氣量、轉爐容量、水質條件、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層布置在柔性調節(jié)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(jié)裝置本體頂部設置泄爆閥，避免在事故狀態(tài)下CO爆燃損壞本體內結構。在柔性調節(jié)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(yè)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(jié)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(jié)裝置
3 轉爐干法除塵柔性調節(jié)裝置的工藝計算
轉爐干法除塵柔性調節(jié)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(jié)裝置一臺，已知參數(shù)如下：
系統(tǒng)干煙氣量V干=110000Nm³/h；
轉爐干法除塵柔性調節(jié)裝置進氣端煙氣溫度為T1，T1=180℃；
轉爐干法除塵柔性調節(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；
風機全壓P=10kPa；
大氣壓力P0=101.325kPa；
熱力學溫度常數(shù)T0=273.15℃；
經(jīng)查資料可知，1T水在標準狀態(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VT1：
經(jīng)計算得VT1= 288812m³/h。
在T2溫度下可計算出濕煙氣量VT2：
經(jīng)計算得VT2=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(shù)Vm=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△Tm：
經(jīng)計算得△Tm=91.024℃。
取熱容量有效系數(shù)W=800kJ/（m³·h·K）
可以計算出轉爐干法除塵柔性調節(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，由公式可反算轉爐干法除塵柔性調節(jié)裝置的直徑D：
經(jīng)計算并取圓整，D=5.1m。
前文已計算轉爐干法除塵柔性調節(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(jīng)計算并取圓整，Q水=136t/h（斷續(xù)使用）。最大QN2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轉爐一次除塵需增設轉爐干法除塵柔性調節(jié)裝置一臺，在系統(tǒng)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(xù)使用），QN2使用量1400Nm³/h（斷續(xù)使用）。
4 轉爐干法除塵柔性調節(jié)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(yè)改造
采用濕法除塵處理轉爐一次煙氣的企業(yè)，大部分濕法設備建設較早，設備在長期使用中已經(jīng)無法適應當下的冶煉工況和冶煉節(jié)奏，加之煤氣回收率低，環(huán)保排放無法達標，亟需進行改造。
但這類企業(yè)也存在廠區(qū)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(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，勉強投運的干法系統(tǒng)不堪重負，環(huán)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(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)，使用轉爐干法除塵柔性調節(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，放置在風機系統(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。
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(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個月的工期則會嚴重耽誤企業(yè)正常生產(chǎn)，極大的損害企業(yè)經(jīng)濟效益。
在該類企業(yè)的改造中，可以在老干法系統(tǒng)旁獨立建設轉爐干法除塵柔性調節(jié)裝置，安裝完畢并冷態(tài)調試后，擇企業(yè)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(chǎn)、不給系統(tǒng)增加過多的額外負擔。而且相比傳統(tǒng)干法工藝，使用柔性調節(jié)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(tǒng)
新建的轉爐干法一次系統(tǒng)，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(jié)裝置后極大的提升了系統(tǒng)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(jié)裝置具備智能化調節(jié)功能，適應轉爐各種工況條件，及時切換運行模式，滿足企業(yè)超低排放要求。
（2）轉爐干法除塵柔性調節(jié)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(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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