高爐沖渣乏汽冷凝污染物減排實(shí)例研究

萬大陽，呂 鳳，邵 松

（洛陽瑞昌環(huán)境工程有限公司，河南471300）

0 引言

高爐煉鐵生產(chǎn)過程中，主要采用水力沖渣方式對融渣進(jìn)行處理。由于融渣溫度較高，約1400 ℃，采用高速水流對其進(jìn)行水淬?；倪^程中，沖渣水在短時間內(nèi)急劇升溫氣化，形成沖渣乏汽。沖渣乏汽成分非常復(fù)雜，其中絕大部分是水蒸氣和空氣，但也含有大量的粉塵（主要是渣粒），SO2、H2S 等酸性氣和氣溶膠等。這些沖渣乏汽沿渣溝擴(kuò)散或經(jīng)渣溝收集煙囪排出到大氣環(huán)境中，遇冷會形成濃濃“白煙”，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。高爐沖渣乏汽具有工況不穩(wěn)定，溫度和流量周期性變化，濕熱大，污染物含量大等特點(diǎn)，較難治理。

采用冷凝工藝對沖渣乏汽進(jìn)行處理后再排放，能有效減少污染物排量。

1 項(xiàng)目概況

河北遷安某鋼A 鐵廠有一座660 m3高爐和一座1080 m3高爐，均采用底濾法沖渣。高爐煉鐵沖渣過程并不是一個穩(wěn)定均勻的過程，而是一個波動且呈現(xiàn)周期性變化的過程。沖渣時長一般約為60～100 min/次，一個周期內(nèi)沖渣乏汽溫度約為50～95℃，峰值溫度持續(xù)時間約15 min。

經(jīng)過反復(fù)測量，該660 m3高爐沖渣乏汽約17 萬m3/h，90 ℃時工況下。沖渣乏汽顆粒物含量約168 mg/m3，二氧化硫含量未檢出，氮氧化物34 mg/m3。

1080 m3高爐沖渣乏汽量約 24 萬 m3/h（90 ℃時工況）。沖渣乏汽顆粒物含量約120 mg/m3，二氧化硫含量約22 mg/m3，氮氧化物含量約8 mg/m3。

2019 年1 月起開始對該兩座高爐沖渣乏汽進(jìn)行冷凝減排改造，2019 年6 月項(xiàng)目完成，運(yùn)行效果良好。改造完成后，達(dá)到以下排放標(biāo)準(zhǔn)：

（1）高爐沖渣水乏汽最大限度減少煙氣中含濕量，渣溝含濕量降低比例不低于50%。[1]

（2）顆粒物、二氧化硫最終排放濃度不高于10 mg/m3。

（3）環(huán)境溫度0 ℃以上，視覺基本無白煙（大霧、雨雪等極端天氣除外）。

2 工藝方案

本項(xiàng)目中高爐沖渣乏汽冷凝減排方案設(shè)計(jì)采用空冷除濕減排+熱干空氣混兌消白工藝路線。具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 高爐沖渣乏汽冷凝減排工藝流程圖

在渣溝和渣池上方架設(shè)高爐沖渣乏汽收集系統(tǒng)，將沖渣過程中產(chǎn)生的乏汽進(jìn)行收集，通過乏汽引風(fēng)機(jī)的作用，將收集到的乏汽送入絲網(wǎng)除沫器，先進(jìn)行初步過濾，以降低乏汽攜帶的粉塵顆粒物含量。再用沖渣水對濕乏氣進(jìn)行初步的噴淋沖洗，因?yàn)闆_渣水基本呈堿性（PH 約8～9），中和一部分乏汽中的SO2等酸性物質(zhì)。初步?jīng)_洗后的乏汽送入玻璃板式空冷除水器，和環(huán)境冷空氣進(jìn)行間壁式換熱。乏汽溫度降低，產(chǎn)生大量冷凝水，冷凝水析出的同時會帶走乏汽中的可溶性鹽類等超細(xì)顆粒物，從而進(jìn)一步起到減排污染物的作用。與此同時，環(huán)境冷空氣和濕乏氣進(jìn)行間壁式換熱后成為熱干空氣。

降溫冷凝除濕后的濕乏氣，再經(jīng)過除霧器的作用，去除小液滴后，與熱干空氣充分混合均勻，成為不飽和氣體，其相對不飽和度大大提高，這樣從煙囪排出后，遇冷就不易冷凝結(jié)露，不形成“白煙”。[2，3]

3 沖渣乏汽冷凝設(shè)備選型

高爐沖渣乏汽含有大量的酸性物質(zhì)和水蒸氣，水蒸氣含量高達(dá)30～70%，遇冷極易形成冷凝水霧，會對金屬設(shè)備造成極嚴(yán)重的酸性腐蝕和氯離子腐蝕。

根據(jù)方案設(shè)計(jì)，在本項(xiàng)目改造過程中，與沖渣乏汽接觸的主要關(guān)鍵設(shè)備有乏汽引風(fēng)機(jī)和空氣—乏汽冷凝器（換熱器）。

高爐沖渣水循環(huán)使用，其氯離子濃度極高，一般在1000 mg/l 左右，甚至更高。這就導(dǎo)致高爐乏汽冷凝水中的氯離子含量也相對較高，本項(xiàng)目中達(dá)97mg/l（見表2）。乏汽引風(fēng)機(jī)在收集乏汽時，乏汽往往會攜帶有沖渣水滴，因此，乏汽風(fēng)機(jī)葉輪和蝸殼應(yīng)選用耐腐蝕性不低于316L 不銹鋼的材質(zhì)，最好是2205 雙相不銹鋼級別。曾做過驗(yàn)證，ND 鋼材質(zhì)風(fēng)機(jī)在該同類環(huán)境下使用不超過兩個月，即出現(xiàn)殼體腐蝕穿孔。

綜合性價(jià)比，該方案中空氣—乏汽冷凝器材質(zhì)易選用非金屬材質(zhì)。本項(xiàng)目中選用REGLASS 玻璃板式換熱器，采用特種耐熱玻璃材質(zhì)，幾乎能抗除氫氟酸以外的所有酸性腐蝕。板式結(jié)構(gòu)，采用大平板玻璃，平直通道，阻力小，流速高，不易積灰結(jié)垢。[4]結(jié)構(gòu)緊湊，同樣體積下，換熱面積是管式結(jié)構(gòu)的兩倍多。設(shè)計(jì)使用壽命不低于8 年。

同等結(jié)構(gòu)條件下，非金屬換熱器傳熱性能比金屬略低，但其整體性能優(yōu)異，性價(jià)比高，有其自身優(yōu)勢，在電力行業(yè)煙氣冷凝再熱，工業(yè)爐煙氣余熱回收等領(lǐng)域已大量應(yīng)用，相當(dāng)成熟。[4]

4 項(xiàng)目運(yùn)行效果

本項(xiàng)目在建成調(diào)試完成后，即投入運(yùn)行。運(yùn)行三個月后，委托當(dāng)?shù)氐谌綄I(yè)檢測機(jī)構(gòu)，中環(huán)（唐山）環(huán)境檢測有限公司進(jìn)行檢測。檢測主要結(jié)果見表1。

根據(jù)表1 中數(shù)據(jù)，可以得出：

（1）660 m3高爐和 1080 m3高爐乏汽含濕量降低比例分別為62.1%、67.3%，均大于50%，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

排放乏汽含濕量降幅=（（改造裝置入口含濕度-出口含濕量）/入口含濕量）×100%[1]

表1 第三方檢測主要乏汽數(shù)據(jù)表

（2）660 m3高爐和 1080 m3高爐乏汽顆粒物排放值均低于5 mg/m3，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）項(xiàng)目投運(yùn)后，高爐沖渣溝白煙基本消除；環(huán)境溫度0 ℃以上時，視覺白煙消除率達(dá)90%以上。消白效果如圖2 所示。該項(xiàng)目系統(tǒng)安全運(yùn)行至今，效果穩(wěn)定，完全滿足業(yè)主生產(chǎn)需求，獲得好評。

圖2 系統(tǒng)開啟前后“白煙”變化情況

5 冷凝減排分析

和許多工業(yè)現(xiàn)場測量一樣，受限于現(xiàn)場檢測條件如檢測孔位置不太理想，或不滿足測量孔前后直管段要求，或測量儀器精度、環(huán)境適配性等原因，工業(yè)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)往往會有一定偏差，不像實(shí)驗(yàn)室獲得的數(shù)據(jù)那樣精準(zhǔn)。為了進(jìn)一步研究分析沖渣乏汽冷凝減排的實(shí)際效果，分別對該項(xiàng)目中A 鋼鐵公司兩套沖渣乏汽冷凝減排系統(tǒng)和唐山B 鋼鐵公司某460 m3高爐沖渣乏汽冷凝減排系統(tǒng)產(chǎn)生的冷凝水進(jìn)行了取樣分析。冷凝水組份分析見表2。

A 鋼鐵公司和B 鋼鐵公司三座高爐沖渣乏汽冷凝減排系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和主要核心設(shè)備均相同，差別主要存在于處理量和高爐生產(chǎn)負(fù)荷容量、高爐生產(chǎn)原材料、沖渣溝渣池布局長短、大小等的差異。由表2 可以看出：

（1）沖渣乏汽冷凝水主要呈酸性或中性（弱堿性），說明冷凝水中溶有一部分酸性物質(zhì)，冷凝對乏汽中的酸性物質(zhì)有一定減排效果。PH 值相差較大，可能主要和高爐生產(chǎn)使用礦石種類不同關(guān)系較大。

（2）沖渣乏汽冷凝水中含有懸浮物3～35 mg/l，主要是一些不溶于水的渣粒。懸浮物的多少，主要和渣粒粒徑大小，沖渣溝長短等因素有關(guān)。A 廠660 m3高爐和1080 m3高爐渣溝長度分別約為30 m 和 50 m，B 廠 460 m3高爐渣溝長度約 80 m，渣溝長度越長，渣粒越容易沉淀下來，故而B 廠460 m3高爐沖渣乏汽冷凝水懸浮物最少。

（3）沖渣乏汽冷凝水中含鹽量較大，638～982 mg/l?？赡Y(jié)顆粒物（CPM）主要分為無機(jī)、有機(jī)兩大類，沖渣乏汽中的可溶性鹽類大多都屬于可凝結(jié)顆粒。這些顆粒粒徑較小，毒性強(qiáng)，在空氣中停留時間長，擴(kuò)散遠(yuǎn)，是當(dāng)前重污染天氣頻發(fā)的成因之一[5]。若不進(jìn)行乏汽冷凝處理，這些可凝結(jié)顆粒都會隨乏汽一起排入大氣環(huán)境中，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染[6]。將這部分鹽類也歸到乏汽攜帶的顆粒物中，根據(jù)三套系統(tǒng)的冷凝水量和乏汽量對其進(jìn)行折算，可間接得到乏汽冷凝對顆粒物的減排效果，如表3 所示。

表2 高爐沖渣乏汽冷凝水水質(zhì)檢測

表3 沖渣乏汽冷凝工藝顆粒物減排量折算表

根據(jù)表3 可知，乏汽冷凝工藝對乏汽中顆粒物的減排作用是巨大的，其中可溶性顆粒物減排量達(dá)62.30～95.52 mg/m3。總的顆粒物減排量達(dá)65.03～98.92 mg/m3，占冷凝前乏汽總顆粒物含量比例達(dá)50%以上。可見，冷凝工藝對可溶性顆粒物的減排效果尤為突出。

6 結(jié)語

近年來，為了打贏大氣污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)，河北、山西、江蘇、陜西等地的鋼鐵企業(yè)率先對高爐沖渣乏汽進(jìn)行了治理。高爐沖渣乏汽具有狀態(tài)不穩(wěn)定，流量和溫度周期性波動，峰值溫度高濕熱大，成分復(fù)雜含水量大，含有大量酸性物質(zhì)，可溶性鹽類、氣溶膠顆粒物等特點(diǎn)，治理難度較大[7]。

本文通過兩個高爐沖渣乏汽冷凝減排項(xiàng)目實(shí)例的運(yùn)行情況，介紹了沖渣乏汽空冷除濕減排+熱干空氣混兌消白工藝的一般流程，分享了關(guān)鍵設(shè)備選型中的一些注意事項(xiàng)，并根據(jù)從三套裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究分析了乏汽冷凝工藝對顆粒物的減排作用。主要結(jié)論如下：

（1）高爐沖渣乏汽含有大量水分和酸性物質(zhì)，易冷凝，氯離子含量高，易對金屬設(shè)備造成酸性腐蝕和氯離子腐蝕。

（2）以環(huán)境空氣做為冷源，采用空冷除濕減排+熱干空氣混兌消白工藝對沖渣乏汽進(jìn)行處理，能有效降低污染物和消除視覺“白煙”，達(dá)標(biāo)排放。

（3）冷凝作用對乏汽中的可凝結(jié)顆粒物減排效果明顯，達(dá)50%以上。不溶性顆粒物，主要是渣粒，由于粒徑較大，則主要是通過噴淋洗滌、過濾、碰撞、沉淀等作用捕集。