高爐出鐵場除塵方案研究

陶鋒勇，石 峻

（合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，合肥 230051）

1 概述

在鋼鐵工業(yè)中，煉鐵是一個(gè)最基本的生產(chǎn)工藝過程，其主體設(shè)備為高爐；高爐冶煉是還原過程，將氧化鐵還原成含有碳硅錳硫磷等雜質(zhì)的生鐵，為煉鋼廠提供煉鋼生鐵和合金生鐵，也為機(jī)械制造廠提供鑄造生鐵。其主體設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖如下圖所示。

高爐結(jié)構(gòu)圖

由上圖可知，高爐生產(chǎn)過程中的煙氣污染主要來自于高爐煤氣及出鐵口后對應(yīng)的出鐵場部分，而其中出鐵場的粉塵污染主要是高爐在開爐、堵鐵口及出鐵的過程中產(chǎn)生的大量煙塵，其揚(yáng)塵點(diǎn)主要分布在出鐵口、出渣口、撇渣器、鐵溝、渣溝、鐵水罐、擺動(dòng)流嘴等處。

出鐵場不僅煙氣量大，崗位含塵濃度高（每噸鐵水產(chǎn)生2.5kg煙塵，操作區(qū)含塵濃度高達(dá)2～3g/Nm3），且塵粒細(xì)，使煙塵處于擴(kuò)散狀態(tài)；加上出鐵場出鐵次數(shù)多、時(shí)間長，使出鐵場大面積受到煙塵、輻射熱及CO、SO2等有害氣體的嚴(yán)重污染，因而生產(chǎn)條件惡劣，對工人的身體健康影響嚴(yán)重，同時(shí)大量微細(xì)煙塵在大氣中擴(kuò)散，又造成廠區(qū)環(huán)境嚴(yán)重污染。因此，對于出鐵場的煙塵問題，在當(dāng)前環(huán)保要求日趨嚴(yán)格的形勢下，必須引起足夠的重視，并采取有效措施進(jìn)行治理。

以西昌新鋼業(yè)有限責(zé)任公司的煙塵治理為例。該企業(yè)380m3高爐出鐵場的揚(yáng)塵點(diǎn)主要為出鐵口附近及鐵水罐兩處。粉塵采用集中收塵，在各揚(yáng)塵點(diǎn)設(shè)置集塵罩，然后通過非標(biāo)支管匯集到收塵設(shè)備集中處理。另考慮到周邊其它相關(guān)設(shè)備的參數(shù)（高爐鼓風(fēng)機(jī)Q = 1850m3/min，P=0.31MPa；鐵水罐Φ=3240mm；行車高7m），可初步計(jì)算得出該高爐出鐵場的綜合處理風(fēng)量約在46萬m3/h（其具體風(fēng)量必須依據(jù)具體參數(shù)及現(xiàn)場設(shè)備布置確定系統(tǒng)捕集風(fēng)速來計(jì)算得出）。

2 治理標(biāo)準(zhǔn)及原則

2.1 采用的標(biāo)準(zhǔn)

粉塵排放按照《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 9078-1996）實(shí)施。

2.2 治理原則

（1）選用的除塵器必須能保證可靠運(yùn)行，因此要選用有技術(shù)保證及合理設(shè)計(jì)，并有良好售前售后服務(wù)的正規(guī)廠家的產(chǎn)品。（2）除塵工藝設(shè)計(jì)中盡量選用技術(shù)先進(jìn)、成熟可靠的高效除塵技術(shù)，以保證達(dá)標(biāo)排放并且滿足勞動(dòng)衛(wèi)生要求。（3）設(shè)備所選用的零部件必須性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠，隨主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)100%，將設(shè)備維修工作量降至最低，并做到可不停機(jī)檢修。（4）高效除塵技術(shù)可使用一級(jí)除塵系統(tǒng)，以簡化工藝流程、減少漏風(fēng)、降低系統(tǒng)阻力，從而降低投資及運(yùn)行費(fèi)用，保證系統(tǒng)可靠長期運(yùn)行。（5）沒有二次污染，回收的粉塵易于利用。

3 出鐵場煙氣粉塵的性質(zhì)及治理方法

3.1 出鐵場煙氣的形成

在出鐵的中間過程中，出鐵口產(chǎn)生的煙塵較少，而鐵水溝產(chǎn)生的煙塵量較大；出鐵場在剛開鐵口時(shí)和出鐵快結(jié)束時(shí)，由于爐內(nèi)壓力的作用，出鐵口位置的前方會(huì)產(chǎn)生大量煙塵四處飛濺，流速高，擴(kuò)散面積大，捕集困難，污染極為嚴(yán)重。出鐵的過程中，鐵水罐位的煙塵主要是由于流嘴和鐵水罐存在落差，導(dǎo)致鐵水剛落入鐵水罐的瞬間產(chǎn)生大量煙塵，隨著落差逐漸減小，產(chǎn)生的煙氣也逐漸減少，由于煙氣沒有壓力作用，所以流動(dòng)較為穩(wěn)定，在鐵水罐的上方采用吸風(fēng)罩即可收到較好的收塵效果。

3.2 出鐵場煙氣粉塵的性質(zhì)

治理出鐵場煙氣選擇除塵器時(shí)，要考慮除塵器對運(yùn)行工況條件的適應(yīng)性，而煙氣與粉塵的物理、化學(xué)性質(zhì)是關(guān)鍵參數(shù)，高爐出鐵場煙氣、粉塵有關(guān)參數(shù)見表1、表2、表3。

表1 煙塵粒徑百分含量

表2 煙塵化學(xué)成分及含量

表3 煙氣成分含量

3.3 出鐵場煙氣粉塵治理方法

出鐵場除塵一般采用兩個(gè)系統(tǒng)，即一次除塵系統(tǒng)和二次除塵系統(tǒng)。所謂一次除塵系統(tǒng)就是將鐵水溝、鐵水罐等處用密封罩罩起來，在罩子的適當(dāng)部位設(shè)置除塵吸風(fēng)口進(jìn)行抽風(fēng)除塵。但是在開鐵口和出鐵過程中仍會(huì)有大量煙氣溢出，鐵口處所設(shè)的除塵系統(tǒng)稱為二次除塵系統(tǒng)。二次除塵系統(tǒng)一般有4種：1）自然抽風(fēng)氣簾式，即將整個(gè)房頂看成是一個(gè)通風(fēng)罩，在房子周圍設(shè)有通風(fēng)氣簾抽風(fēng)除塵；2）防塵垂幕式，即由活動(dòng)垂幕組成的抽風(fēng)通道將粉塵抽走；3）各產(chǎn)塵點(diǎn)分散設(shè)置密封罩統(tǒng)一抽風(fēng)除塵；4）天車通過式，在出鐵時(shí)利用煙氣本身的熱力采用天車移動(dòng)式集煙罩捕集煙塵而達(dá)到抽風(fēng)除塵的效果。目前在較小的高爐出鐵場除塵設(shè)計(jì)中，多為采用第3種方式（即分散捕集、統(tǒng)一抽風(fēng)的除塵方式），具體方法是在每個(gè)鐵水罐位設(shè)計(jì)一個(gè)吸風(fēng)罩（管道采用切換閥門，交替使用），在出鐵口和鐵水溝的上方設(shè)計(jì)一個(gè)較大的密封罩（具體尺寸依照現(xiàn)場情況確定）。

3.4 出鐵場密封罩的技術(shù)要求

塵源密封是一種防止操作人員與粉塵接觸的隔離措施，并能緩沖氣流的運(yùn)動(dòng)、消耗粉塵飛揚(yáng)的能量、減少粉塵的外逸，為除塵創(chuàng)造良好的條件。除塵的效果取決于揚(yáng)塵點(diǎn)的密封程度。密封罩的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：

（1）密封罩應(yīng)力求嚴(yán)密、盡量減少罩上的孔洞和縫隙。

（2）密封罩的布置應(yīng)不影響操作和檢修。根據(jù)生產(chǎn)要求，設(shè)置必要的進(jìn)出門和觀察孔，門、孔應(yīng)關(guān)閉靈活，密封罩應(yīng)便于拆卸安裝或移動(dòng)。

（3）密封罩的設(shè)計(jì)須考慮到熱輻射對罩子的影響及熱應(yīng)力的消除和對活動(dòng)部件的影響。

（4）密封罩的設(shè)計(jì)應(yīng)注意罩內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。要選擇合理的密封罩的形式和排風(fēng)點(diǎn)的位置，以使罩內(nèi)氣流保持負(fù)壓。密封罩內(nèi)應(yīng)有一定的空間，以緩沖氣流、減少正壓。進(jìn)出門的位置選擇，應(yīng)避開氣流速度較高的地點(diǎn)且能方便操作工人進(jìn)出罩內(nèi)。

4 出鐵場除塵方式簡介及分析

高爐出鐵場的粉塵分析表明，出鐵場粉塵多為微細(xì)粉塵，其中粒徑≤10μm的粉塵占50%～60%，因此采用重力、慣性和離心力之類的除塵器，顯然不適宜。濕式除塵器由于難以收集≤1μm的粉塵，又易造成二次污染，因此高爐出鐵場的煙氣凈化主要采用袋式除塵器和電除塵器。

4.1 靜電除塵器

20世紀(jì)70年代末，德國、前蘇聯(lián)、日本開始將電除塵器用于出鐵場除塵，20世紀(jì)80年代中期，我國冶金界從事通風(fēng)除塵的工程技術(shù)人員對高爐出鐵場電除塵器也進(jìn)行了深入研究，并于80年代末期首次在武鋼5#高爐出鐵場除塵系統(tǒng)中采用了三電場除塵器，之后又在武鋼3#高爐出鐵場除塵系統(tǒng)中采用了三電場除塵器。實(shí)際運(yùn)行和實(shí)測結(jié)果表明，這兩臺(tái)電除塵器的除塵效果均＞98%，煙塵排放濃度＜50mg/m3。

高爐出鐵場除塵采用兩電場電除塵器是可行的。一般情況下，粉塵從荷電到附著電極需要0.5～2s，煙氣在電除塵器的停留時(shí)間大都在6～10s就能取得好的收塵效果。出鐵場除塵電場的風(fēng)速一般取1～1.1m/s，按煙氣在電除塵器停留時(shí)間為8s計(jì)算，則電場總長度要求8m，根據(jù)我國的實(shí)際情況，單電場長度為3～4.5m，因此電除塵器只需設(shè)計(jì)為兩電場，就能取得好的收塵效果。理論和實(shí)踐證明兩電場除塵效率＞95%，排放濃度＜100mg/Nm3。

綜合上述理論分析和多年的實(shí)踐結(jié)果，高爐出鐵場電除塵器采用兩電場和三電場都是可行的，選型應(yīng)視除塵效率、排放標(biāo)準(zhǔn)的要求而定。除此之外，在處理相同煙氣量的條件下，兩電場電除塵器在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上顯然優(yōu)于三電場電除塵器，不僅設(shè)備投資減少，運(yùn)行成本也相對減少。

4.2 袋式除塵器

目前，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)高爐出鐵場的除塵設(shè)備多采用電除塵和袋式除塵，但袋除塵應(yīng)用比例正在加大，特別是以長袋脈沖除塵器為代表的新除塵技術(shù)正在迅速推廣，這種形式的出現(xiàn)有其歷史背景，也取決于當(dāng)前的技術(shù)進(jìn)步。

（1）隨著環(huán)保要求不斷提高，電除塵很難在不同的工況條件下長期保持排放濃度小于50mg/m3。

（2）十余年前，我國的袋除塵技術(shù)還比較落后，除塵器阻力高、性能質(zhì)量差，不能保持長期可靠運(yùn)行，且維護(hù)工作量大，用戶不愿使用。相對而言，電除塵器的可靠性較好，排放濃度基本上能保持在200mg/m3以下，所以用戶喜歡用。但現(xiàn)在這種格局正在發(fā)生變化，十年來，我國的袋除塵在結(jié)構(gòu)型式、技術(shù)性能、加工質(zhì)量、濾料和自動(dòng)控制等方面有了飛躍發(fā)展，特別是在保持長期可靠運(yùn)行和減少維護(hù)工作量方面有了顯著的進(jìn)步，完全能夠滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

（3）電除塵器的阻力一般為200～300Pa，袋式除塵器阻力高達(dá)1000Pa以上，因此，人們認(rèn)為袋式除塵器的能耗大，實(shí)際上這是一個(gè)誤區(qū)。如果排放要求在50mg/m3以下，電除塵最少采用三個(gè)電場，若將電除塵的電場供電能耗也考慮進(jìn)去，其與袋除塵的能耗基本持平。

袋式除塵器也有多種形式，如反吹風(fēng)型、橫插扁袋、高壓脈沖、低壓脈沖等，從目前的應(yīng)用情況來看，長袋脈沖除塵器占優(yōu)勢，這是由該技術(shù)和設(shè)備的特點(diǎn)所決定的。

長袋脈沖除塵器的特點(diǎn)：1）清灰能力強(qiáng)（是反吹風(fēng)型的數(shù)十倍乃至上百倍），運(yùn)行阻力低；2）濾袋與花板間特殊的安裝方式，保證了設(shè)備高效率運(yùn)行；3）機(jī)械活動(dòng)部件少，能夠保證設(shè)備長期可靠運(yùn)行，維護(hù)工作量少；4）可實(shí)現(xiàn)除塵器單元離線檢修（如換袋），工作量少，快速；5）過濾風(fēng)速高，占地面積少；6）配套的PLC電腦控制技術(shù)非常成熟，功能齊全，能實(shí)現(xiàn)袋式除塵器的全自動(dòng)檢測和控制。

5 袋除塵、電除塵設(shè)備選型

由以上分析比較可知，使用袋除塵、電除塵設(shè)備在治理出鐵場粉塵時(shí)各有優(yōu)勢，兩種設(shè)備的選擇均能滿足當(dāng)前鋼鐵廠的環(huán)保要求，故在以下選型中，可分別列出電、袋兩種除塵器的選型方案，供廠家參考。

以西昌新鋼業(yè)股份有限公司的出鐵場治理情況為例，根據(jù)其提供的高爐參數(shù)，高爐公稱容積380m3，鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量1850m3/min，風(fēng)機(jī)壓頭310kPa，冶煉時(shí)間按1h計(jì)算，出鐵時(shí)間為10～20min，儲(chǔ)鐵罐直徑為3.24m，據(jù)此可以初步推算出高爐出鐵場總風(fēng)量約為46萬m3/h（包括出鐵口及儲(chǔ)鐵罐兩部分煙塵的處理風(fēng)量）。設(shè)備初步選型考慮了CDMC154-2×8長袋脈沖除塵器和CDPKE/145/2電除塵器兩個(gè)方案（設(shè)備參數(shù)可查閱合肥水泥研究設(shè)計(jì)院相關(guān)樣本資料），最終采用了第2方案，運(yùn)行至今狀況良好，基本達(dá)到各項(xiàng)環(huán)保要求，粉塵排放一直控制在50mg/Nm3以下。

類似除塵狀況，在蕪湖繁昌富鑫鋼鐵有限公司出鐵場的治理中，采用了長袋脈沖除塵方案，經(jīng)兩次對除塵罩進(jìn)行改造后，收塵效果良好，環(huán)保達(dá)標(biāo)。

6 袋除塵、電除塵設(shè)備綜合比較

經(jīng)分析核算可知，靜電除塵設(shè)備較袋式除塵設(shè)備的一次投資及運(yùn)行電耗費(fèi)用均較低，但其缺點(diǎn)主要是不能保證長期穩(wěn)定排放。靜電除塵器是一種高效除塵設(shè)備，除塵效率可達(dá)99%以上，具有使用范圍廣、處理煙氣量大、阻力小、能量消耗小、運(yùn)行費(fèi)用低、自動(dòng)化程度高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，并可用于處理400℃的高溫?zé)煔?，但其對粉塵比電阻有一定的范圍要求（104～1010Ω·cm），且安裝、維護(hù)、管理要求嚴(yán)格。袋式除塵器相對具有更高的除塵效率，煙塵排放可低于30mg/Nm3（與濾料材質(zhì)有關(guān)）的標(biāo)準(zhǔn)，并可保證長期穩(wěn)定排放，但其阻力較大、運(yùn)行費(fèi)用較高，并須經(jīng)常對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，濾袋也需定期檢查更換。因此，廠家在選擇除塵形式的時(shí)候，應(yīng)該根據(jù)各廠不同的情況及當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保要求，做合理的選擇。