高爐出鐵口煙塵捕集模式的探討

郭 戌，吳志宏

（中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京，100176）

0 引言

高爐出鐵口處煙塵受自身特性及工藝操作的因素，成為整個(gè)出鐵場(chǎng)除塵治理的重點(diǎn)及難點(diǎn)，為此眾多冶金工作者開(kāi)展了大量的研究，尤其是隨著對(duì)環(huán)保的日益重視，國(guó)內(nèi)各大鋼廠根據(jù)各自的生產(chǎn)實(shí)踐開(kāi)發(fā)出適合自身發(fā)展的鐵口除塵技術(shù)，取得了較大的進(jìn)步，但然存在因捕集罩設(shè)置不合理、風(fēng)量分配不合理、密閉不嚴(yán)導(dǎo)致煙塵外溢，設(shè)備維護(hù)量大，運(yùn)行成本高等不足。本文在總結(jié)各鋼廠出鐵口煙塵治理改造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，推薦采用鐵口強(qiáng)力抽風(fēng)+爐前密閉設(shè)計(jì)的組合式捕集模式，實(shí)現(xiàn)鐵口煙塵高效捕集，滿足工作崗位濃度要求。

1 高爐出鐵口煙塵治理的必要性

據(jù)統(tǒng)計(jì)，高爐出鐵場(chǎng)煙塵平均每生產(chǎn)1 t 鐵水就散發(fā)2.5 kg[1]，受原材料及冶煉工藝的影響，部分鋼廠產(chǎn)塵量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2.5 kg，而出鐵口處作為出鐵場(chǎng)主要產(chǎn)塵點(diǎn)，產(chǎn)塵量可達(dá)出鐵場(chǎng)總產(chǎn)塵量的30%左右。

出鐵口煙氣主要由正常出鐵時(shí)產(chǎn)生的“一次煙塵”以及開(kāi)堵鐵口時(shí)產(chǎn)生的“二次煙塵”組成，“一次煙塵”較容易捕集，“二次煙塵”則受熱壓及爐壓的共同作用，呈現(xiàn)出溫度高、流速快、射程遠(yuǎn)、噴射瞬時(shí)量大、擴(kuò)散面積大、煙塵顆粒小等特點(diǎn)，導(dǎo)致煙塵的捕集難度大，而且一旦失去控制就會(huì)迅速擴(kuò)散至整個(gè)出鐵場(chǎng)內(nèi)，并會(huì)長(zhǎng)時(shí)間在空氣中飄散無(wú)法沉降，對(duì)出鐵場(chǎng)工作環(huán)境造成很大的污染，同時(shí)對(duì)人體健康也存在很大的隱患[2]。

隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，加強(qiáng)鐵口煙塵治理，實(shí)現(xiàn)鐵口高效除塵，成為爐前工作的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

2 國(guó)內(nèi)鋼廠鐵口除塵技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

在國(guó)內(nèi)鋼廠煙塵治理的應(yīng)用實(shí)踐中表明，除塵器的凈化效率已經(jīng)滿足粉塵排放要求，而煙塵的捕集效率成為煙塵治理的限制性環(huán)節(jié)，而要想獲得良好捕集效率，關(guān)鍵在于對(duì)產(chǎn)塵點(diǎn)處捕集罩的布置以及風(fēng)量的分配。國(guó)內(nèi)各鋼廠根據(jù)各自的工藝布置特點(diǎn)，引進(jìn)或開(kāi)發(fā)了適應(yīng)本廠鐵口煙塵的捕集模式，形成了各具特色鐵口煙塵捕集方式。

2.1 屋頂罩的應(yīng)用

屋頂罩設(shè)置出鐵場(chǎng)廠房頂部，其布置受廠房屋頂結(jié)構(gòu)的影響，但因其不影響工藝操作，曾經(jīng)被廣泛用于出鐵場(chǎng)“二次煙塵”的捕集，同時(shí)在出鐵口設(shè)置頂吸罩、側(cè)吸罩，實(shí)現(xiàn)鐵口煙塵的捕集。但隨著除塵技術(shù)的發(fā)展，各大高爐在實(shí)施出鐵場(chǎng)煙塵治理中，均逐步取消了屋頂罩，僅有部分小高爐仍保留屋頂罩除塵。

攀鋼[3-4]作為大型鋼鐵企業(yè)，對(duì)出鐵場(chǎng)煙塵的治理一直進(jìn)行著摸索，取得很大的進(jìn)步。但因攀鋼冶煉釩鈦磁鐵礦的特殊工藝，與普通高爐相比，其出鐵場(chǎng)煙塵溫度更高，噸鐵產(chǎn)塵量更大，因此在多次高爐出鐵場(chǎng)煙塵治理中均保留了屋頂罩捕集技術(shù)，并將風(fēng)量增大到50～60 萬(wàn)m3/h，新3 號(hào)高爐更是增加到140 萬(wàn)m3/h，還加大了屋頂罩口尺寸，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，采用了吊車移動(dòng)罩、可移動(dòng)式頂吸罩等形式頂吸罩，并加強(qiáng)鐵口周圍的封閉處理，提高頂吸罩風(fēng)量，最大的提高到～60 萬(wàn)m3/h，同時(shí)對(duì)側(cè)吸罩位置也進(jìn)行了改進(jìn)，使出鐵場(chǎng)環(huán)境得到了較大的改善。

可以說(shuō)攀鋼因其高爐冶煉釩鈦磁鐵礦的工藝特點(diǎn)，以提高出鐵口頂吸及側(cè)吸除塵風(fēng)量，設(shè)置屋頂“二次除塵”系統(tǒng)，換取較好的出鐵場(chǎng)工作環(huán)境，但既增加了一次投資，又提高了后期運(yùn)行成本，實(shí)屬無(wú)奈之舉。

2.2 垂幕罩的應(yīng)用

垂幕罩是引進(jìn)日本技術(shù)，其工作原理是將煙氣限制在鐵口區(qū)域范圍內(nèi)，然后借助引風(fēng)機(jī)的負(fù)壓作用，在頂吸罩處實(shí)現(xiàn)對(duì)煙塵的捕集。垂幕罩需要在出鐵時(shí)降下來(lái)，出完鐵后再升起來(lái)，操作較頻繁。首鋼2#高爐（已拆除）[5]、寶鋼 1#高爐[6]及攀鋼新 3#高爐[3]曾采用垂幕罩捕集出鐵場(chǎng)二次煙塵，但應(yīng)用實(shí)踐表明，受鐵口區(qū)域惡劣環(huán)境的影響，垂幕容易燒壞，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)容易損壞，設(shè)備維護(hù)量大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響工藝操作，進(jìn)而影響高爐生產(chǎn)，因此也逐漸被淘汰。

攀鋼新3#高爐鐵口除塵經(jīng)過(guò)改造形成了出鐵口雙側(cè)吸罩（分配12+12 萬(wàn)m3/h 風(fēng)量）+頂吸罩（分配50 萬(wàn)m3/h 風(fēng)量）+屋頂除塵罩（分配140 萬(wàn)m3/h風(fēng)量）的鐵口煙塵捕集模式[4]。

寶鋼1#高爐出鐵口除塵也經(jīng)過(guò)多次改造形成了側(cè)吸+小垂幕擋簾+集塵擋板的捕集模式，捕集效率有了很大的提高[6]。而寶鋼3#、4#高爐出鐵口煙塵捕集則采用頂吸+兩側(cè)吸的方式，頂吸采用獨(dú)立的除塵管道系統(tǒng)，確保頂吸除塵風(fēng)量，除塵效率高，可有效避免開(kāi)堵口過(guò)程黃煙溢出[7]。寶鋼高爐也均設(shè)有獨(dú)立二次除塵系統(tǒng)，運(yùn)行成本也較高。

2.3 鐵口強(qiáng)力抽風(fēng)捕集的應(yīng)用

鐵口強(qiáng)力抽風(fēng)煙塵捕集模式，就是將一、二次煙塵捕集合并，設(shè)置側(cè)吸與頂吸，分配較大的除塵風(fēng)量，同時(shí)利用風(fēng)口平臺(tái)，設(shè)置適當(dāng)?shù)膰鷵?，在出鐵口與吸塵罩之間形成一個(gè)負(fù)壓環(huán)境，為煙氣捕集創(chuàng)造條件，強(qiáng)化出鐵口區(qū)域的煙塵捕集模式[8-10]。

表1 列舉了國(guó)內(nèi)部分鋼廠出鐵口捕集罩設(shè)置及風(fēng)量分配，此外萊鋼3200 m3高爐[14]，宣鋼2500 m3高爐，寧鋼2500 m3高爐等也均采用了鐵口強(qiáng)力抽風(fēng)模式，從國(guó)內(nèi)鋼廠改造的效果來(lái)看，各鋼廠高爐均設(shè)置了頂吸罩，并分配了較大的捕集風(fēng)量，在不影響工藝操作的情況下，頂吸罩采用了固定式、上下移動(dòng)及左右移動(dòng)多種形式，同時(shí)為了獲取較好的捕集效果，盡量增大頂吸罩的罩口面積，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵口區(qū)域的煙塵的有效捕集，避免了開(kāi)、堵鐵口時(shí)煙塵向出鐵場(chǎng)區(qū)域的擴(kuò)散，基本滿足了國(guó)家對(duì)操作崗位粉塵濃度的要求。

表1 出鐵口捕集罩設(shè)置及風(fēng)量分配[11-13]

對(duì)比屋頂罩、垂幕罩及鐵口強(qiáng)力捕集模式，前兩種需單獨(dú)設(shè)置二次除塵系統(tǒng)，一次性投資大，后期運(yùn)行成本、維護(hù)成本都比較高，國(guó)內(nèi)鋼廠已經(jīng)很少使用，而鐵口強(qiáng)力捕集模式將一次除塵與二次除塵合并，降低了一次投資，還可實(shí)現(xiàn)煙塵的高效捕集，滿足出鐵場(chǎng)環(huán)境除塵要求，在國(guó)內(nèi)高爐出鐵口煙塵治理過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。

3 鐵口強(qiáng)力抽風(fēng)+爐前密閉設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)踐

伴隨著環(huán)境友好、資源節(jié)約口號(hào)的提出，對(duì)出鐵場(chǎng)除塵，特別是鐵口煙塵的控制提出了更高的要求，即在滿足工藝操作的前提下，合理布置吸塵罩，有效封閉塵源點(diǎn)，盡量做到以較小的風(fēng)量實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵口煙塵的有效控制及捕集。不影響工藝操作是前提，捕集罩設(shè)置及風(fēng)量分配是關(guān)鍵，爐前密閉設(shè)計(jì)是保障。

3.1 側(cè)吸罩與頂吸罩設(shè)置

研究出鐵口煙塵的流動(dòng)擴(kuò)散規(guī)律，是確定出鐵口捕集罩的基礎(chǔ)。從生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)看，側(cè)吸罩罩口頂部應(yīng)緊貼風(fēng)口平臺(tái)梁底，側(cè)面距離出鐵口側(cè)以1～1.5 m 為宜，同時(shí)還要與鐵口框、爐前封板、主溝上風(fēng)口平臺(tái)護(hù)板相互配合，實(shí)現(xiàn)鐵口區(qū)的有效封閉；頂吸罩則應(yīng)在滿足爐前設(shè)備操作的條件下，與風(fēng)口平臺(tái)和爐前密閉設(shè)計(jì)統(tǒng)一考慮，隨著風(fēng)口平臺(tái)的加寬，頂吸罩一般布置在風(fēng)口平臺(tái)外側(cè)，罩口下部可與風(fēng)口平臺(tái)平齊。

對(duì)于出鐵口的風(fēng)量分配理論上講越大越好，可以避免煙塵的外溢，但是風(fēng)量大能耗高，不經(jīng)濟(jì)，此外風(fēng)量大會(huì)吸入一些大顆粒，加快除塵管道的磨損，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致主溝鐵水溫降較大，為此出鐵口區(qū)域總除塵風(fēng)量建議為35～40 萬(wàn)m3/h，其中當(dāng)設(shè)置雙側(cè)吸罩時(shí)，每點(diǎn)分配風(fēng)量為5～10 萬(wàn)m3/h，當(dāng)設(shè)置單側(cè)吸罩時(shí)，風(fēng)量可提升至10～15 萬(wàn)m3/h；頂吸罩分配15～20 萬(wàn)m3/除塵風(fēng)量為宜。

在高爐出鐵過(guò)程中，側(cè)吸罩一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)煙塵在出鐵口近端一次捕集，另一方面削弱煙氣力度，改變氣流方向，為頂吸罩的二次捕集創(chuàng)造條件，頂吸罩則借助煙氣本身的熱動(dòng)力作用和負(fù)壓作用實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣的二次捕集。合理的側(cè)吸罩及頂吸罩布置，再輔以適當(dāng)?shù)娘L(fēng)量，完成鐵口煙氣的高效捕集。

3.2 爐前密閉設(shè)計(jì)

爐前密閉設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)鐵口煙塵高捕集效率的保障，就是將煙塵限制在有限的空間內(nèi)，即使側(cè)吸與頂吸一時(shí)無(wú)法將所有煙塵捕集，也不至于擴(kuò)散到整個(gè)出鐵場(chǎng)。爐前密閉設(shè)計(jì)是擴(kuò)大了的“密閉小室”，是利用風(fēng)口平臺(tái)，同時(shí)在出鐵場(chǎng)平臺(tái)上設(shè)立柱，將泥炮、開(kāi)鐵口機(jī)和主溝前段全部封閉，靠近高爐本體側(cè)也進(jìn)行封閉，爐前操作在密閉小房中進(jìn)行，在封閉小房屋頂設(shè)置頂吸罩，與通風(fēng)主管連接，捕集到的煙塵進(jìn)入出鐵場(chǎng)環(huán)境除塵系統(tǒng)。

爐前封閉設(shè)計(jì)具體要求如下：

（1）密閉小屋凈高要求5 m，在泥炮開(kāi)口機(jī)側(cè)設(shè)置檢修門，用于工人進(jìn)行開(kāi)鐵口機(jī)換桿及裝炮泥和清理炮嘴作業(yè)；將泥炮開(kāi)口機(jī)上部屋頂設(shè)置為活動(dòng)蓋板，滿足泥炮開(kāi)口機(jī)檢修設(shè)備吊裝的需要；正對(duì)出鐵口側(cè)設(shè)置固定封板，主溝兩側(cè)則設(shè)置活動(dòng)門，凈高3 m，凈寬3 m，滿足主溝解體機(jī)進(jìn)入密閉小屋進(jìn)行主溝解體作業(yè)。檢修門及活動(dòng)門均可作為疏散門。

（2）封閉小屋靠近風(fēng)口平臺(tái)側(cè)應(yīng)保證與風(fēng)口平臺(tái)間密封，另一側(cè)封閉至撇渣器除塵罩處，建議撇渣器除塵罩伸進(jìn)封閉小屋100～200 mm，形成一個(gè)整體的密閉空間。

（3）封閉小屋設(shè)置通風(fēng)降溫照明設(shè)施，增設(shè)軸流風(fēng)機(jī)用于臨時(shí)降溫，照明設(shè)備要求耐熱防爆。

（4）為保證封閉小屋使用壽命，要求小屋側(cè)封板及頂蓋板均進(jìn)行耐熱噴涂處理，也可在封板上設(shè)置水冷管。

（5）設(shè)置相應(yīng)的安全措施。

以上列舉了爐前密閉設(shè)計(jì)的基本原則，對(duì)于改造項(xiàng)目可根據(jù)具體實(shí)際情況進(jìn)行修改，目的是在不影響爐前操作及保證安全的條件下，實(shí)現(xiàn)爐前的有效密閉，煙塵捕集效率極大提高。

3.3 工程設(shè)計(jì)案例

以國(guó)內(nèi)某鋼廠高爐設(shè)計(jì)為例，對(duì)煙氣捕集罩的設(shè)置、鐵口風(fēng)量分配及爐前密閉設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。

高爐基本情況如下：

高爐有效容積2300 m3，產(chǎn)量189 萬(wàn)t/a ，雙出鐵場(chǎng)，兩個(gè)鐵口，鐵口夾角180，2 個(gè)出鐵場(chǎng)交替出鐵，鐵水溫度 1350～1460 ℃，出鐵次數(shù) 12～13 次/d ，主溝及渣鐵溝均為澆注料，上部設(shè)有溝蓋。采用雙側(cè)吸罩+頂吸罩+爐前密閉設(shè)計(jì)，每個(gè)鐵口的捕集罩風(fēng)量分配見(jiàn)表2。

表2 鐵口捕集罩風(fēng)量分配

圖1、圖2、圖3 為出鐵口捕集罩及爐前密閉設(shè)計(jì)布置示意圖，密閉小屋凈高5 m，設(shè)置檢修門兩個(gè)，主溝兩側(cè)設(shè)置活動(dòng)門兩個(gè)，泥炮開(kāi)口機(jī)處屋頂為活動(dòng)蓋板，其它地方均為固定封板，封板及蓋板上均噴涂50 mm 厚耐火噴涂料；設(shè)置側(cè)吸罩兩個(gè)，側(cè)吸罩與風(fēng)口平臺(tái)梁及爐前護(hù)板配合密封，頂吸罩與密閉小屋統(tǒng)一設(shè)計(jì)，罩口尺寸為4.7 m×6 m，寬度上覆蓋主溝，密閉小屋靠近風(fēng)口平臺(tái)側(cè)設(shè)置封板進(jìn)行密封，撇渣器除塵罩伸進(jìn)密閉小屋，使鐵口區(qū)域形成完整的密封區(qū)域。

目前，爐前密閉設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用到江陰興澄特鋼、泰鋼、河北縱橫豐南鋼鐵、邢臺(tái)德龍等多座改造或新建高爐中，取得良好的應(yīng)用效果。

圖1 鐵口捕集罩平面布置示意圖

圖2 側(cè)吸罩?jǐn)嗝媸疽鈭D

4 結(jié)論

（1）采用鐵口強(qiáng)力抽風(fēng)+爐前密閉設(shè)計(jì)是一種有效的鐵口煙氣捕集模式，煙塵捕集效率高，極大改善出鐵場(chǎng)工作環(huán)境。

（2）側(cè)吸罩罩口頂應(yīng)靠近風(fēng)口平臺(tái)梁布置，頂吸罩應(yīng)借助風(fēng)口平臺(tái)，布置在風(fēng)口平臺(tái)外側(cè)。

（3）出鐵口區(qū)域總除塵風(fēng)量建議為35～40 萬(wàn)m3/h，其中當(dāng)設(shè)置雙側(cè)吸罩時(shí)，每點(diǎn)分配風(fēng)量為5～10 萬(wàn)m3/h，當(dāng)設(shè)置單側(cè)吸罩時(shí)，風(fēng)量可提升至10～15 萬(wàn)m3/h；頂吸罩分配15～20 萬(wàn)m3/h 除塵風(fēng)量為宜。

圖3 頂吸罩?jǐn)嗝媸疽鈭D

（4）爐前密閉設(shè)計(jì)是鐵口區(qū)域獲得較好捕集效率的保障，前提是不能影響爐前作業(yè)，應(yīng)與頂吸罩統(tǒng)一考慮。