高爐出鐵場除塵系統(tǒng)性能優(yōu)化技術(shù)綜述

朱紅兵/上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司

倪正*/寶鋼股份工程設(shè)備部

高爐出鐵場除塵系統(tǒng)性能優(yōu)化技術(shù)綜述

朱紅兵/上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司

倪正*/寶鋼股份工程設(shè)備部

0 引言

高爐煉鐵作為鋼鐵廠的重要生產(chǎn)單元，除塵系統(tǒng)的運行狀況對大氣污染防治至關(guān)重要，同時煉鐵系統(tǒng)的能耗約占鋼鐵工業(yè)總能耗的55％，因此煉鐵系統(tǒng)的節(jié)能減排工作應(yīng)是鋼鐵行業(yè)的重點所在。高爐煉鐵由原燃料貯運系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、爐頂系統(tǒng)、煤粉噴吹系統(tǒng)、風(fēng)口平臺出鐵場系統(tǒng)、熱風(fēng)爐系統(tǒng)等工藝系統(tǒng)組成。其中的風(fēng)口平臺出鐵場除塵系統(tǒng)是高爐煉鐵生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，在出鐵過程和開堵鐵口時，平均每生產(chǎn)1t鐵水散發(fā)2.5kg的煙塵，其中正常出鐵時各污染源產(chǎn)生的煙塵有2.15g，占86％，通過開堵鐵口時產(chǎn)生的煙塵為0.35kg，占14％?？梢姵鲨F場除塵系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行則是實現(xiàn)高爐高產(chǎn)、低耗和改善高爐作業(yè)區(qū)環(huán)境質(zhì)量的有力保證。

茲選擇國內(nèi)外級別相當?shù)拇笮弯撹F企業(yè)的高爐出鐵場作為調(diào)查對象，各企業(yè)大氣污染物排放統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1～表3，作為該工段節(jié)能減排的參考數(shù)據(jù)。

表1 美國高爐煉鐵顆粒物排放濃度限值表

表2 德國TA Luft中關(guān)于鋼鐵行業(yè)的排放標準表

表3 國內(nèi)部分鋼鐵企業(yè)高爐出鐵場顆粒物排放統(tǒng)計表

綜合以上的因素，并在征求了行業(yè)專家和企業(yè)意見的基礎(chǔ)上，國家相關(guān)部門對高爐出鐵場顆粒物最高允許排放濃度做出了如下定值，見表4。

表4 顆粒物排放限值表

目前國內(nèi)大高爐在煙氣治理上基本沿襲了國外的技術(shù)模式，而小高爐則大部分處于放任自流的原始狀態(tài)，少部分設(shè)有除塵裝置。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國高爐出鐵場煙塵近60％未得到有效控制，污染嚴重；已治理的近70％的除塵系統(tǒng)運行狀況不良或效果不佳。概言之，我國的高爐出鐵場煙塵治理具有很大的提升空間，系統(tǒng)工藝應(yīng)開發(fā)出適合國情、廠情的工藝路線。

1 工藝方案創(chuàng)新描述

進行除塵系統(tǒng)的綜合性能改善必須了解工藝，明確工藝流程對除塵系統(tǒng)的需求。在滿足工藝效率和產(chǎn)能的前提下，對運行模式進行研究，輔之以有效的調(diào)節(jié)和改善措施，實現(xiàn)工藝和除塵系統(tǒng)效率的同步提升。

運行模式的研究則是針對規(guī)律變化的工藝過程，以滿足工藝為前提確定風(fēng)機系統(tǒng)相應(yīng)的運行模式，減少風(fēng)機系統(tǒng)滿負荷運行時間，以起到節(jié)能的目的。在工藝系統(tǒng)低負荷運行的同時，風(fēng)機系統(tǒng)也控制在低負荷下運行。

系統(tǒng)工藝方案的創(chuàng)新主要表現(xiàn)在以下五個方面：

1.1 系統(tǒng)工藝采用低阻大流量工藝

針對專有系統(tǒng)去改造系統(tǒng)中存在的高耗能和不合理因素，對系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，使風(fēng)機由“大電機、小流量”過渡到“小電機、大流量”，最終降低風(fēng)機設(shè)備的功流比。

1.2 煙氣捕集工藝的創(chuàng)新

改變強制捕集和消極捕集方式為誘導(dǎo)捕集方式，技術(shù)要點：利用煙氣的熱動力和放射性抬升特點使煙氣順暢地進入捕集罩中，而不是強制地改變煙氣飄逸方向，盡量采用一次捕集和全過程捕集方式，而不采用多點捕集和多次捕集方式，使原先的僅對煙氣進行局部范圍內(nèi)的控制擴大到對煙氣在全局范圍內(nèi)的控制，大大減小捕集罩口的局部阻力，并能提高煙氣捕集率。

1.3 煙氣凈化工藝的突破

根據(jù)對鋼鐵廠在役的多套除塵系統(tǒng)的初步統(tǒng)計，其中有近40％是由于除塵器與系統(tǒng)不匹配或管理不善引起失效和效果欠佳的。因此凈化工藝必須遵循系統(tǒng)工藝的原則，除塵器的結(jié)構(gòu)型式、清灰方式和濾材的選擇必須與特定的除塵系統(tǒng)相適應(yīng)才能發(fā)揮相應(yīng)的凈化效果。

采用阻力曲線低平、清灰功能強和抗結(jié)露的除塵器替代阻力曲線高陡、清灰能力差和易結(jié)露的除塵器，是煙氣凈化工藝追求的目標。

1.4 系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)控制技術(shù)的研發(fā)

該技術(shù)強調(diào)可靠性和節(jié)能的統(tǒng)一性：通過對除塵風(fēng)機、電機的運行特性和風(fēng)機轉(zhuǎn)子件的評估，確保在不影響風(fēng)機運行安全性的前提下實現(xiàn)除塵系統(tǒng)的深度節(jié)能。

除塵風(fēng)機的風(fēng)量經(jīng)常要根據(jù)工藝的需要變化。在使用擋板閥或液力耦合器調(diào)節(jié)時，出現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的開度與流量的非線性問題，致使調(diào)節(jié)失誤，并且這兩種方法的調(diào)節(jié)效率低下。采用自主知識產(chǎn)權(quán)的控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用開閉對應(yīng)吸塵點電動閥門與調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速相結(jié)合的控制方式，調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，平滑穩(wěn)定地調(diào)整風(fēng)機運行參數(shù)，節(jié)約風(fēng)機系統(tǒng)能耗。

1.5 高效葉輪節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

該技術(shù)側(cè)重于葉片型線、安裝角、葉片數(shù)、葉片直徑等參數(shù)對離心風(fēng)機氣動性能的影響程度的試驗研究，對風(fēng)機性能進行對比試驗，結(jié)合流場計算分析工作，掌握各設(shè)計參數(shù)變化對風(fēng)機的流量-壓力曲線及效率的影響。使用該技術(shù)重新設(shè)計可互換的高匹配性葉輪，換裝于原風(fēng)機機殼內(nèi)即可達到提高運行效率、降低能耗的目的。

2 工藝技術(shù)路線描述

根據(jù)煉鐵廠出鐵場煙氣治理的工藝流程：捕集裝置—管道—除塵器—風(fēng)機—排放，可以看出：系統(tǒng)工藝、煙氣捕集、煙氣凈化以及系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)控制是除塵系統(tǒng)的四個關(guān)鍵要素。為此對四個要素的研究是除塵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵。

2.1 系統(tǒng)工藝優(yōu)化模塊

根據(jù)“低阻、中溫、大流量”的原則，通過短流程化，低阻化，風(fēng)機工作點高效化，使之由“大電機、小流量”過渡到“小電機、大流量”，最終降低功流比。其主要措施為：1）系統(tǒng)工藝流程在確保其功能的前提下刪除導(dǎo)致阻力增加的每一個環(huán)節(jié)，或?qū)蓚€及兩個以上的功能單元組合為一個功能單元；2）在確保煙塵不沉降的前提下，降低動壓頭、局部阻力系數(shù)；3）選擇合適的混合風(fēng)量，使進入除塵器的煙氣溫度確保濾袋既不燒損也不產(chǎn)生“結(jié)露”；4）選擇與系統(tǒng)相匹配的風(fēng)機。通過上述措施，使得單位功耗下得到的有效流量最大。

2.2 煙氣捕集方式改進模塊

出鐵場的污染源比較分散、污染范圍廣，覆蓋了整個出鐵場面積的50％左右。出鐵場內(nèi)的煙塵散發(fā)點主要位于鐵口、撇渣器、鐵溝和擺動流嘴等處，在操作工呼吸帶以下。出鐵口煙塵捕集方式采用的是雙側(cè)吸式，在正常出鐵過程中效果尚可。但是，實際的生產(chǎn)證明這種方式對出鐵口煙氣的捕集不徹底，沒有考慮到在整個出鐵過程中，還有開、堵鐵口的過程。此時，由于鐵溝上的壓蓋已移走，由鐵口噴射出的煙氣在爐內(nèi)高壓的作用下，會瞬時沖出鐵口的“負壓區(qū)”，迅速脫離煙塵捕集區(qū)域并上升擴散，造成大量煙塵外溢處于失控狀態(tài)，煙塵彌漫在整個出鐵場內(nèi)，對環(huán)境污染相當嚴重。針對此狀況，對原有鐵口的側(cè)吸方式進行了改進，將原低位強制捕集，改為高位側(cè)吸和上部誘導(dǎo)側(cè)吸，徹底解決了開堵鐵口的捕集難題；同時，取消了原有溝蓋，并加高溝蓋，不但解決了煙氣的擴散、橫風(fēng)干擾，也有效地解決了大噴引起的強大煙氣，其捕集效率高達95％以上，現(xiàn)場基本不見煙塵。若按國外的模式，必須加設(shè)屋頂大罩，其風(fēng)量一般在80～100萬m3之間，功耗約3 000kW。這項應(yīng)用在大高爐出鐵場的煙氣治理實踐上具有很強的指導(dǎo)意義。

2.3 煙氣凈化功能改善模塊

從現(xiàn)場應(yīng)用的角度看，系統(tǒng)阻力是決定除塵系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵因素之一。而除塵系統(tǒng)的阻力與管網(wǎng)系統(tǒng)、除塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、氣流速度、進出口形狀等因素有關(guān)。根據(jù)出鐵場粉塵特性，優(yōu)先選用直通式長袋低壓脈沖袋式除塵器，其具有強力清灰、機械故障少、檢修方便、阻力低等特點。盡管高爐出鐵場煙氣中含有大量微細顆粒，使用脈沖噴吹袋式除塵器完全可以將排放濃度控制在國家標準的范圍內(nèi)。

2.4 系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)控制模塊

除塵風(fēng)機是除塵器除塵的核心動力源，風(fēng)機的運行狀態(tài)直接關(guān)系到吸塵點的除塵效果和系統(tǒng)能耗。為達到既保證除塵效果又節(jié)約電能的目的，應(yīng)采用智能化調(diào)節(jié)控制方式，調(diào)節(jié)出鐵場除塵風(fēng)機的轉(zhuǎn)速跟隨出鐵過程煙氣量的變化。并對系統(tǒng)需要風(fēng)量、系統(tǒng)負荷變化范圍、系統(tǒng)負荷變化頻率、系統(tǒng)壓降等參數(shù)進行檢測和計算分析，確認系統(tǒng)與風(fēng)機的匹配性。

實施調(diào)速運行后，由于周期性的加減速會對旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備產(chǎn)生一定程度的機械沖擊，因此必須根據(jù)風(fēng)機負載的特性和承受能力，計算出加減速時間。在實際應(yīng)用時，采取按負載和經(jīng)驗預(yù)先設(shè)定較長的加減速時間，根據(jù)實際運行情況，最終確定出合適的加減速斜率，保證風(fēng)機設(shè)備和調(diào)速裝置長期穩(wěn)定可靠運行。

3 已完成的研究開發(fā)和中試情況

目前已全面啟動面向出鐵場除塵系統(tǒng)性能優(yōu)化技術(shù)的試驗和研究工作，并完成了煙氣凈化方式改造工程和系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)控制改造工程，高效葉輪節(jié)能技術(shù)和煙氣捕集改造方式已經(jīng)成熟，在此不再贅述。這些成果和工作成果都將作為組合技術(shù)應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。

(2)針對基于轉(zhuǎn)移系數(shù)建立起的可靠性約束，本文利用換流站有功調(diào)節(jié)量與線路、設(shè)備間潮流的線性關(guān)系，通過靈敏度系數(shù)對可靠性約束進行修正，將故障發(fā)生后對線路潮流的校正體現(xiàn)在約束條件上，充分發(fā)揮了換流站的快速調(diào)節(jié)能力。

3.1 煙氣凈化改造技術(shù)

長袋脈沖噴吹袋式除塵器在國外發(fā)展很快，有取代分室反吹袋式除塵器的趨勢。它與分室反吹袋式除塵器相比，有以下優(yōu)點：

1）可節(jié)省能源(1/4～1/3)，降低設(shè)備運行費（脈沖噴吹袋式除塵器本體設(shè)備阻力≤1 200Pa；分室反吹袋式除塵器本體設(shè)備阻力≤2 500Pa）。

2）除塵效率高，除塵器出口含塵濃度＜20mg/Nm3。

3）可節(jié)省投資，減少占地面積。脈沖噴吹袋式除塵器過濾風(fēng)速為1.2～2.0m/min(分室反吹袋式除塵器全過濾風(fēng)速＜1m/min)，所以體積小,可節(jié)省基建投資三分之一左右。

對于在線運行的分室反吹袋式除塵器，能否將其改造成脈沖噴吹袋式除塵器是值得研究的新舊除塵器示意圖見圖1和圖2。目前國內(nèi)分室反吹袋式除塵器的濾袋長度為6～10米，多數(shù)為過濾面積≥4 000m2，濾袋長度為10米。要想把這種除塵器改造成脈沖噴吹袋式除塵器，從技術(shù)經(jīng)濟等綜合方面考慮，應(yīng)首先解決以下三個方面的關(guān)鍵性技術(shù)問題：一是研制出一種在濾袋長9米左右的情況下能夠使其清灰效果達到6米長濾袋清灰效果的脈沖噴吹清灰裝置；二是開發(fā)出既拆裝方便又能在風(fēng)量負荷作用下減少擺動的9米左右長的新型籠骨；三是解決好3英寸脈沖閥一次性的壓縮空氣消耗量≤500NL的問題。這三個關(guān)鍵性的問題已經(jīng)通過試驗得到解決，并且在寶鋼分別改造成一臺濾袋長7.6米、過濾面積1 600m2的低壓在線式脈沖噴吹袋式除塵器和一臺濾袋長9米、過濾面積31 000m2的低壓在線式脈沖噴吹袋式除塵器。

圖1 新除塵器示意圖

圖2 舊除塵器示意圖

使用效果：

1）采用自主開發(fā)的長袋脈沖噴吹清灰裝置等多項專利技術(shù)，改造后的除塵器運行良好。

2）在處理相同風(fēng)量時，結(jié)合風(fēng)量調(diào)節(jié)控制技術(shù)的應(yīng)用，新除塵器與舊除塵器相比，可節(jié)省除塵風(fēng)機運行功率45％左右。

3）新除塵器與舊除塵器相比，由于設(shè)備阻力≤1 200Pa，有利于延長濾袋使用壽命、節(jié)省維護費用。

3.2 系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)改造

本系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成:高壓變頻器回路部分、監(jiān)控部分（HMI）、PLC控制部分和現(xiàn)場操作盤部分，見圖3。其中高壓變頻器回路部分主要完成調(diào)速控制；監(jiān)控部分主要完成人機界面操作、數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)保存等功能；PLC控制部分主要完成風(fēng)機電機的變頻調(diào)速等重要參數(shù)的實時采集,實現(xiàn)風(fēng)機安全、節(jié)能運行,達到對風(fēng)量進行優(yōu)化控制的目的；現(xiàn)場操作盤部分完成風(fēng)機啟停、電動閥開閉等功能。

方案設(shè)計為每臺風(fēng)機電機對應(yīng)一臺高壓變頻器，實施一對一調(diào)速控制。圖3中高壓室內(nèi)變頻器回路和一次動力回路為一臺電機控制原理圖。其中高壓開關(guān)（VCB1、VCB2）和電抗器是原有的電抗器降壓啟動裝置，仍然作為系統(tǒng)的后備啟動方式。高壓開關(guān)（VCB3、VCB4）是原有開關(guān)，作為高壓變頻器的輸入開關(guān)和負載隔離開關(guān)。增加負載隔離開關(guān)（VCB4），主要考慮一旦變頻器故障能夠退出動力系統(tǒng)，保證通過切換到VCB1、VCB2使風(fēng)機繼續(xù)運行。

圖3 除塵系統(tǒng)控制框圖

高壓變頻器具有現(xiàn)場和本機控制功能。本機控制時通過高壓變頻器控制柜上觸摸屏可就地人工啟動、停止高壓變頻器,可以調(diào)整電機轉(zhuǎn)速、頻率?，F(xiàn)場控制考慮到安全和原有操作習(xí)慣，平時風(fēng)機啟動、停止操作仍在風(fēng)機現(xiàn)場，現(xiàn)場操作盤增加工頻與變頻選擇及頻率顯示等功能。選擇工頻運行，直接控制VCB不經(jīng)過PLC控制器。

出鐵場4個閥操作盤增加工作方式選擇，爐前操作工可以根據(jù)出鐵工藝選擇電動閥工作方式。根據(jù)高爐除塵的重要性，閥操作盤還增加電動閥自動、手動選擇功能，一旦PLC控制器出現(xiàn)故障，通過手動進行電動閥開閉動作，確保生產(chǎn)不受影響。

PLC控制柜與變頻器柜信息傳遞通過光纜通訊方式，以保證長距離信號傳遞可靠。并在PLC控制器預(yù)留通訊口。

4 結(jié)束語

通過以上的分析和闡述，表明煉鐵廠高爐出鐵場除塵系統(tǒng)性能優(yōu)化組合技術(shù)中的一些關(guān)鍵技術(shù)已基本成熟，部分技術(shù)已在前期的產(chǎn)品研發(fā)中進行研究和攻關(guān)，并得到應(yīng)用和驗證。但必須提出的是，該組合技術(shù)在實際應(yīng)用中可能會受到一些因素的影響，有可能存在的風(fēng)險和采取的相應(yīng)對策總結(jié)如下：

風(fēng)險一：由于該產(chǎn)業(yè)涉及到很多老系統(tǒng)的升級換代和利舊改造，利舊設(shè)備的性能可能會成為技術(shù)應(yīng)用的瓶頸環(huán)節(jié)。

對策:對于個性化的項目實施，在相同的技術(shù)平臺支撐下，加強利舊設(shè)備的性能檢測和評估是相當重要的一個步驟。同時借助于系統(tǒng)部件的技術(shù)升級，降低新技術(shù)運用的風(fēng)險。

風(fēng)險二：系統(tǒng)管網(wǎng)特性曲線偏移，導(dǎo)致工況點改變，對環(huán)保與節(jié)能的指標產(chǎn)生制約。

對策：為了兼顧除塵系統(tǒng)的環(huán)保指標與系統(tǒng)節(jié)能的考核指標，必須理清除塵工藝原始設(shè)計與實際工藝需求之間存在的差異，排除造成該差異的各種因素和條件，并對主導(dǎo)因素進行診斷分析，排除系統(tǒng)干擾因素，恢復(fù)系統(tǒng)管網(wǎng)特性，使除塵工況點復(fù)位。

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根據(jù)對國內(nèi)高爐煉鐵出鐵場除塵系統(tǒng)的技術(shù)統(tǒng)計可以看出，大型除塵風(fēng)機與除塵系統(tǒng)工況的緊密結(jié)合可大幅降低除塵風(fēng)機的電力消耗。通過對煉鐵系統(tǒng)出鐵場除塵工藝特點的研究、工藝系統(tǒng)的數(shù)據(jù)把握和除塵系統(tǒng)對風(fēng)機控制方式的要求等大量基礎(chǔ)性工作，形成針對于煉鐵廠高爐出鐵場布袋除塵風(fēng)機系統(tǒng)的性能優(yōu)化組合技術(shù)。

出鐵場；除塵風(fēng)機；性能優(yōu)化；煙氣凈化；節(jié)能優(yōu)化

Summarization of Performance Optim ization Technology of Dust Pelletizing Systems in Blast Furnace Casing Houses

Zhu Hong-bing/Shanghai Baosteel Energy SavingTechnologyCo.Ltd
NiZheng/ProjectEquipmentDepartmentof Baosteel
Wang Guan/China Metallurgical ConstructionResearch Institute

Abstract：According to the statistical analysisofdomestic dustpelletizing systems in blast-furnace casting houses in,a proper balance between fan working points and system conditionsmay substantially reduce the fan's electric power consumption.A technique for optimizing the performance of dust pelletizing systems in blast-furnace castinghouseshasbeen developed based on the combined research of technological characteristics and controlmethods of dust exhausting fans.

casting house;dustexhausting fan;performance optimization;flue gas cleaning;energy-savingoptimization

TH432；TK05

A

1006-8155（2016）03-0084-05

10.16492/j.fjjs.2016.03.0014

*本文其他作者：王冠/中冶集團建筑研究總院

2016-01-15上海201900