熱風(fēng)爐煙氣使高爐煤氣脫濕的研究

施萬玲，吳炳成，夏朝暉

1　高爐煤氣水分問題概述

干法除塵串聯(lián)余壓透平發(fā)電（TRT）系統(tǒng)，因其發(fā)電量高、除塵效率高、節(jié)水、節(jié)電等優(yōu)點(diǎn)顯著，目前已經(jīng)發(fā)展成鋼鐵企業(yè)高爐煤氣余能回收的首選流程。然而干法除塵系統(tǒng)無法除掉高爐煤氣中的酸性氣體，TRT出口靜煤氣管道腐蝕嚴(yán)重的問題逐漸在各大鋼廠顯露出來。大量研究表明，當(dāng)高爐煤氣溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，高爐煤氣中大量的Cl離子溶于煤氣冷凝水造成酸露點(diǎn)腐蝕是靜煤氣管道腐蝕的主要原因。而干煤氣中的Cl離子幾乎沒有腐蝕性，所以控制好煤氣的露點(diǎn)溫度，使煤氣管道沒有冷凝水析出，可有效避免煤氣管道腐蝕問題。

張琰等人提出加保溫材料[1]、蓋東興等人提出采用外加熱源[3]的辦法來提高高爐煤氣溫度的方法，避免煤氣管道結(jié)露腐蝕。但上述方法只能保證局部區(qū)域煤氣管道不結(jié)露，隨著煤氣傳輸，冷凝水還會(huì)在其他區(qū)域冷凝，造成管道結(jié)露腐蝕。

高爐煤氣中的水分不僅會(huì)造成煤氣管道結(jié)露腐蝕，還會(huì)降低煤氣熱值。同時(shí)煤氣燃燒過程中，水分會(huì)消耗大量的氣化潛熱與顯熱，過多的水分會(huì)造成燃燒器熄火。降低高爐煤氣含水量，使其露點(diǎn)溫度低于大氣常溫，可有效解決管道腐蝕問題，同時(shí)提高煤氣熱值[4]，提高熱風(fēng)爐風(fēng)溫[5]等，產(chǎn)生一系列的節(jié)能降耗作用。

2　高爐煤氣含濕量的計(jì)算及對(duì)煤氣熱值的影響

雖然我國大中型高爐多采用干法布袋除塵，但隨著高爐噴煤量的增加，高爐煤氣的含濕量不斷增加，通過TRT的降溫降壓后煤氣基本達(dá)到飽和狀態(tài)，飽和煤氣含濕量計(jì)算公式為：

de=804×P汽/（P－P汽）

式中，de——工作狀態(tài)飽和氣體的含水量，g/m3；

P——煤氣絕對(duì)壓力，Pa；

P汽——飽和水蒸汽分壓，Pa。

通過上式計(jì)算出，在不同溫度下、TRT出口高爐煤氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的含濕量如表1所示。

假設(shè)通過濕法精除塵后的煤氣溫度為55℃，煤氣壓力為0.35 MPa（絕壓），則TRT入口前含濕量為37.88 g/m3；假設(shè)通過TRT煤氣溫度降到30℃，出口壓力同樣取0.118 MPa，則此時(shí)飽和煤氣含濕量為30.01 g/m3。

生產(chǎn)實(shí)踐表明高爐采用的原料含有較多水分或者噴煤量較大時(shí)，TRT出口將有冷凝水析出，此時(shí)高爐煤氣溫度～55℃，達(dá)到飽和狀態(tài)。則由表1可知，采用干法除塵后高爐煤氣攜帶的水分反而比濕法除塵大，隨著TRT后管路不斷降溫將有大量水分析出。

表1　飽和狀態(tài)高爐煤氣含濕量

高爐煤氣攜帶大量水汽將帶來以下弊端：（1）降低了熱風(fēng)爐風(fēng)溫；由于攜帶水分的原因，使高爐煤氣的熱值降低，見表2；（2）水分的析出將使煤氣中攜帶的鹽溶解，尤其使用海運(yùn)來的礦石，因?yàn)榈V石輸運(yùn)過程中混入大量氯離子，對(duì)管路造成嚴(yán)重腐蝕。

表2　不同飽和溫度下高爐煤氣的成分及熱值 %

由表2知，隨著煤氣含濕量的增加，煤氣熱值迅速下降，且露點(diǎn)溫度越高，下降越快，60℃的飽和煤氣的熱值是干煤氣熱值的83.11%。

熱風(fēng)爐的送風(fēng)溫度等于拱頂溫度減去150℃，而拱頂溫度取決于煤氣的燃燒溫度，煤氣的燃燒溫度計(jì)算如下：

式中，t——高爐煤氣燃燒溫度，℃；

Hl——煤氣熱值，kJ/m3；

Qk——助燃空氣帶入顯熱，kJ/m3；

Qm——煤氣帶入顯熱，kJ/m3；

cp——煙氣的平均熱容，kJ/（m3·℃）；

V——產(chǎn)生煙氣量，m3/m3；

η——高溫系數(shù)，取0.92。

高爐鼓風(fēng)溫度：t風(fēng)溫＝t-150。

假設(shè)煤氣預(yù)熱到200℃，空氣預(yù)熱到300℃，空氣過剩系數(shù)均取1.1，筆者分別計(jì)算了富氧率6%和不富氧兩種情況下，40～50～60℃的飽和狀態(tài)高爐煤氣脫濕后其可達(dá)到的熱風(fēng)溫度，如圖1所示。由圖1可知，隨著脫濕率的增加，熱風(fēng)爐送風(fēng)溫度呈線性增加。

圖1　脫濕后熱風(fēng)爐送風(fēng)溫度

假設(shè)煤氣的飽和溫度分別為40℃、50℃和60℃，本文研究了不同的脫濕率下高爐熱風(fēng)爐的送風(fēng)溫度提升量，如圖2所示。由圖2可知，脫濕50%后，熱風(fēng)爐送風(fēng)溫度提高40～80℃不等，對(duì)于大噴煤或原料含水較多的高爐，通過煤氣脫濕將能有效提高熱風(fēng)爐風(fēng)溫。對(duì)于采用富氧的熱風(fēng)爐，相同脫濕率的情況下，其風(fēng)溫提高量更大。

圖2　脫濕后熱風(fēng)提升溫度與脫濕率的關(guān)系

高爐煤氣除濕對(duì)于提高煤氣的燃燒溫度具有重要作用，煤氣燃燒溫度的提高將直接提高高爐鼓風(fēng)的溫度，研究表明：高爐鼓風(fēng)溫度每提高100℃可降低焦比20～25 kg/tFe，同時(shí)可增產(chǎn)3%～5%，還可增加噴吹煤粉40～50 kg/tFe，達(dá)到降低煉鐵成本的目的[6]。

3　熱風(fēng)爐煙氣干燥高爐煤氣除濕系統(tǒng)

筆者提出采用干燥劑對(duì)高爐煤氣中的飽和水進(jìn)行吸附，降低高爐煤氣的含水量，從根本上將煤氣露點(diǎn)溫度降至常溫以下，避免管道腐蝕的同時(shí)，提高高爐煤氣熱值，提高熱風(fēng)爐風(fēng)溫。干燥劑選用13X型分子篩（球狀，直徑3～5 mm）；可以順著隔板2自由滾落。高爐熱風(fēng)爐排放煙氣溫度在280～350℃，將之通過空氣預(yù)熱器之后溫度降為150℃左右，通常直接排放于大氣中而造成能源浪費(fèi)。筆者提出利用熱風(fēng)爐150℃左右的排煙對(duì)干燥劑進(jìn)行再生。其工藝系統(tǒng)如圖3。

圖3　工藝系統(tǒng)簡圖

本工藝系統(tǒng)由干燥器、再生器、兩組輸送提升裝置和干燥劑等組成。

從高爐來的已經(jīng)凈化過的高爐煤氣從高爐煤氣入口進(jìn)入干燥器，與從上而下滾落的干燥劑充分接觸，煤氣中的水分將被吸收；經(jīng)干燥的煤氣進(jìn)入熱風(fēng)爐燃燒，其燃燒產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入干燥劑再生器，利用煙氣（約150℃）的余熱使干燥劑再生，重復(fù)使用。

干燥器的干燥劑排料口通過一組輸送提升裝置連接至再生器的干燥劑進(jìn)料口，再生器的干燥劑排料口通過另一組輸送提升裝置連接至干燥器的干燥劑進(jìn)料口。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)除濕能力為針對(duì)煤氣不同含濕量，其脫濕能力在50%，根據(jù)圖2可知，可提高高爐鼓風(fēng)溫度40～80℃，降低高爐焦比約10 kg/tFe，使高爐綜合能耗降低約4～6 kgce/tFe。

該系統(tǒng)在脫濕的過程中，也會(huì)吸附煤氣中的某些鹽分，降低鹽分對(duì)管路的腐蝕。

4　結(jié)論

筆者討論了一種利用熱風(fēng)爐煙氣間接干燥高爐煤氣的工藝系統(tǒng)，不對(duì)高爐煤氣產(chǎn)生污染，降低高爐煤氣的含水量與露點(diǎn)溫度。其優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）提高高爐煤氣熱值，從而提高熱風(fēng)爐的送風(fēng)溫度40～80℃。

（2）降低高爐的焦比約10 kg/tFe，節(jié)能效果4～6 kgce/t鐵。

（3）降低TRT出口凈煤氣管道露點(diǎn)腐蝕。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張琰.干法除塵高爐煤氣的管道腐蝕機(jī)理與防護(hù)對(duì)策研究[D].東北大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014：11－14.

[2]張清慧.三鋼南區(qū)高爐煤氣存在的問題與應(yīng)對(duì)措施[J].福建冶金，2017，2：47-49.

[3]蓋東興，周全，胡建亮，等.高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)除鹽研究[J].冶金動(dòng)力，2013，158(4)：23-24.

[4]談付安.高爐煤氣含水量對(duì)煤氣熱值的影響[J].冶金動(dòng)力，2006，116(4)：23-24.

[5]賀友多，張胤，竇立威，等.提高熱風(fēng)爐風(fēng)溫的途徑[J].鋼鐵，2003，38(3)：69-72.

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