鋼鐵企業(yè)粉塵超低排放技術(shù)研究進(jìn)展

孫康寧，高佳欣，肖立春

（燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北 秦皇島066004）

鋼鐵工業(yè)是我國最主要的資源、能源消耗以及污染物排放行業(yè)之一，其煙塵排放被認(rèn)定為主要的大氣污染排放源。目前，我國鋼鐵企業(yè)造成的環(huán)境污染問題十分嚴(yán)峻，特別是粉塵排放問題。鋼鐵企業(yè)的粉塵具有粒度小、親水性差且含有較多的有害元素的特點，在一定程度上造成了除塵技術(shù)難度的增加。鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)粉塵超低排放的重點必須解決燒結(jié)機(jī)、高爐和轉(zhuǎn)爐等工藝流程中的大氣污染問題。要實現(xiàn)燒結(jié)機(jī)、高爐和轉(zhuǎn)爐粉塵的超低排放，一方面應(yīng)降低燒結(jié)煙氣發(fā)生量、調(diào)整高爐爐料結(jié)構(gòu)、發(fā)展新的煉鐵和煉鋼技術(shù)，減少污染物的排放量；另一方面，還應(yīng)采用先進(jìn)的除塵技術(shù)，提高粉塵的捕集效率，最終實現(xiàn)燒結(jié)機(jī)、高爐和轉(zhuǎn)爐等工藝的超低排放。

1 燒結(jié)機(jī)除塵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

燒結(jié)機(jī)可以將礦粉燒結(jié)成塊，并在燒結(jié)的過程中消除部分有害雜質(zhì)。因為燒結(jié)過程中生成的煙氣對環(huán)境的污染日益加重，許多學(xué)者們對燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝進(jìn)行了研究。20世紀(jì)60年代，國外燒結(jié)廠大多數(shù)使用旋風(fēng)除塵器和多管除塵器。20世紀(jì)70年代開始全部采用電除塵器，大大地提高了凈化效果。20世紀(jì)70年代末，日本提出了燒結(jié)煙氣循環(huán)的概念，并在1981年首次在燒結(jié)機(jī)上使用了燒結(jié)煙氣循環(huán)裝置，此裝置充分利用了燒結(jié)煙氣中的顯熱，取得了令人滿意的成果。1997年，Siebenhofer等研究了火法、濕法聯(lián)合處理技術(shù)，利用火法處理和濕法冶金處理工藝來處理煙氣中的粉塵，獲得較好的處理效果[1]。2013劉憲等采用了阻火器和布袋除塵器的串聯(lián)除塵工藝對湘鋼180 m2燒結(jié)機(jī)機(jī)尾除塵技術(shù)改造。運行結(jié)果顯示，除塵系統(tǒng)可使粉塵排放濃度小于20 mg/m3。2015年，楊來怡等提出了在鐵礦燒結(jié)工藝中使用濕式除塵技術(shù)，通過此技術(shù)會對煙塵中細(xì)顆粒物捕集獲得較好的效果。2016年，王鵬等采用均流式電袋復(fù)合除塵器取代原有電除塵器，實現(xiàn)了排放的粉塵濃度小于10 mg/m3。2017年，馬鴻良等為了能有效的降低煙塵的排放濃度，提出柔性電極濕式電除塵器，該除塵系統(tǒng)可對燒結(jié)煙氣進(jìn)行深度處理。同年，李風(fēng)民等對邯鋼400 m2燒結(jié)機(jī)使用的SDA（噴霧干燥工藝）脫硫工藝，采用圓型振動漿液技術(shù)以及對關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，煙氣脫硫效率超過80%。2018年，常州東方特鋼有限公司為了實現(xiàn)燒結(jié)煙氣超低排放10 mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)要求，提出了燒結(jié)煙氣濕法脫硫+濕式電除塵器+SCR脫硝的綜合煙氣凈化系統(tǒng)。同年，陽春新鋼鐵利用布袋除塵器與現(xiàn)有的電除塵器串聯(lián)的方式進(jìn)行燒結(jié)機(jī)尾除塵?，實現(xiàn)排放濃度在10 mg/m3以下的目標(biāo)。燒結(jié)機(jī)采用“電—袋”除塵技術(shù)，電除塵對煙氣進(jìn)行預(yù)除塵之后，可使進(jìn)入布袋除塵器的煙氣負(fù)荷大幅降低，粉塵濃度大幅減少。2019年，八鋼燒結(jié)機(jī)機(jī)尾采用電袋復(fù)合除塵器取代了電除塵器，對第一電場電極進(jìn)行了修復(fù)，在第三電場與風(fēng)機(jī)之間新增布袋區(qū)，燒結(jié)機(jī)機(jī)尾出口含塵濃度小于5 mg/m3。2020年，鞍鋼將燒結(jié)機(jī)電除塵器改為袋式除塵器的方案，使得粉塵濃度降低至5.0～7.2 mg/m3。

目前，燒結(jié)機(jī)除塵技術(shù)主要采用電除塵器和布袋除塵器相結(jié)合的除塵設(shè)備來代替過去單一的除塵設(shè)備，并且這種復(fù)合除塵器結(jié)合了電除塵器和布袋除塵器的優(yōu)點，除塵效果遠(yuǎn)超于其單獨作用的除塵效果。

2 高爐煤氣除塵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

高爐煤氣除塵技術(shù)包括干法除塵技術(shù)和濕法除塵技術(shù)。干法除塵技術(shù)分為布袋除塵技術(shù)和電除塵技術(shù)。濕式除塵技術(shù)主要采用文氏管洗滌除塵技術(shù)。

2.1 干法除塵技術(shù)

在國外，干法除塵工藝主要采用以電除塵技術(shù)。20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)、美國都曾使用袋式除塵器對高爐煤氣進(jìn)行凈化，因一些原因未大面積推廣。20世紀(jì)60年代，高爐布袋除塵器為了提高除塵效率，采取濕法降溫技術(shù)，但此技術(shù)仍存在一些弊端。1972年，德國丁格勒作為最早使用高爐煤氣干法除塵凈化的國家之一，將袋式除塵器應(yīng)用于高爐煙氣的凈化。20世紀(jì)80年代后期，日本大多數(shù)高爐都采用干法布袋除塵工藝，但是住友小倉、川崎千葉等對1 200～4 500 m3高爐采用干法除塵和濕法除塵并用工藝。

在國內(nèi)，僅有武鋼和邯鋼的2座高爐將電除塵技術(shù)應(yīng)用于高爐煤氣除塵，主要限制因素是電除塵器需要國外引進(jìn)，投資較高，設(shè)備制造周期長，技術(shù)難度大。近年來，高爐煤氣除塵均以布袋除塵技術(shù)為主。國內(nèi)布袋除塵工藝具有除塵效率高、節(jié)水節(jié)電的優(yōu)點。目前，國內(nèi)高爐大多采用干法布袋除塵技術(shù)，節(jié)能效果明顯[2]。20世紀(jì)50年代開始，我國的高爐煤氣采用干式袋式除塵器，在小高爐上的凈化高爐煤氣的試驗采用袋式除塵器。20世紀(jì)70年代末，干式袋除塵器除塵技術(shù)在小高爐煤氣的凈化成為主流技術(shù)。1988年，鄧立人等發(fā)明了一種布袋除塵器反吹控制方法。將此方法應(yīng)用在300 m3的高爐上，結(jié)果顯示：干法除塵的煙氣含塵量達(dá)到10 mg/m3，濕法除塵的凈煤氣含塵量為46 mg/m3，由此可以得出干法除塵的效率要優(yōu)于濕法除塵。韶鋼在2004年建成的一座750 m3的中型高爐，采用了大量新技術(shù)，其中最明顯的改進(jìn)是將全干法脈沖布袋塵技術(shù)應(yīng)用于高爐煤氣除塵。布袋除塵排放含塵量達(dá)到10 mg/m3。2009年寶鋼1號高爐采用了干法布袋除塵技術(shù)，使煤氣中平均含塵量基本降至5 mg/m3。2013年龍承俊研究了旋風(fēng)除塵加布袋除塵的全干法除塵技術(shù)，將此技術(shù)應(yīng)用在鞍鋼2 580 m3高爐上，旋風(fēng)除塵器除塵效率可達(dá)到85%，具有很好的發(fā)展前景。2014年賈彩清采用了全干法靜電除塵技術(shù)，預(yù)期成果能夠?qū)崿F(xiàn)全干法電除塵，具有較好的節(jié)能效果，并帶來了不錯的經(jīng)濟(jì)效益。2020年，山鋼日照5 100 m3高爐煤氣布袋除塵系統(tǒng)設(shè)計選型結(jié)合國內(nèi)外高爐干法布袋除塵器的設(shè)計、規(guī)范要求和生產(chǎn)經(jīng)驗，布袋除塵后的凈煤氣粉塵含量應(yīng)不大于5 mg/m3。

2.2 濕法除塵技術(shù)

對于大高爐而言，由于壓力高、煤氣流量大，溫度難以調(diào)控等因素，以濕法除塵為主。文丘里管除塵技術(shù)是用水滴捕集氣體中的塵粒，將氣體固體分離轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w液體分離，從而實現(xiàn)除塵的目標(biāo)。該技術(shù)具有耗水量低、除塵效率高等優(yōu)點，但是存在能耗高、壽命短等問題。1994年潘華珊研究的新一代高爐煤氣濕式精凈化設(shè)備是一種文丘里洗滌系統(tǒng)，能使一出口煤氣含塵量從原來的30～40 mg/m3降至10 mg/m3以下。1995年，劉廣文研制了“液膜噴入”式的新型文氏除塵器，解決了之前文氏管除塵器易阻塞、霧化不完全的問題。2000年，劉江坤對湖南省金竹山電廠4號爐的文氏管除塵器由方形改成圓形，經(jīng)測定其除塵效率為97.13%。2002年，霍云波等將文丘里—旋流板—噴淋—折流板除霧器替代了文氏管水膜除塵器，提高了除塵器的除塵效率。2011年，曹蕾、周松銳采用陶瓷過濾系統(tǒng)—文丘里管除塵系統(tǒng)相結(jié)合的方法對高爐煤氣進(jìn)行凈化，是IGCC系統(tǒng)成功、高效、零排放運行和多聯(lián)產(chǎn)的保證。2018年居勤章對寶鋼高爐煤氣濕法干法除塵系統(tǒng)對比分析，研究發(fā)現(xiàn)濕法除塵系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、投資低、除塵效果好的優(yōu)點，但是耗水量大、煤氣壓力損失大[3]。

與濕式除塵相比，干式除塵技術(shù)的主要優(yōu)點有：煤氣溫度不降低、可充分利用煤氣顯熱、動力消耗少、效率高、不耗水、無二次污染。且干法的除塵效率更高，目前大高爐都采用干法布袋除塵器，可以達(dá)到5 mg/m3。

3 轉(zhuǎn)爐煤氣除塵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)爐煤氣的凈化回收是實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)粉塵超低排放的重要途徑，也是減少大氣污染的有效手段。轉(zhuǎn)爐煤氣凈化回收技術(shù)按凈化方式分為濕法和干法兩大類，濕法有傳統(tǒng)OG（Oxygen Converter Gas Recover）法和新OG法，干法技術(shù)為LT法（Lt Dry Dust Removing）。

3.1 傳統(tǒng)OG法

20世紀(jì)60年代初，日本首先提出OG法。20世紀(jì)80年代，寶鋼將日本OG技術(shù)應(yīng)用于300 t轉(zhuǎn)爐。其關(guān)鍵是增加了二級可調(diào)文氏管喉口，通過不斷改變系統(tǒng)的阻力分配，實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煙氣凈化。傳統(tǒng)OG工藝的優(yōu)點是技術(shù)簡單、安全可靠。但有諸多缺點：運行阻力大、水電消耗大；除塵效率較低；系統(tǒng)存在二次污染。傳統(tǒng)OG技術(shù)的引進(jìn)，對我國提高轉(zhuǎn)爐粉塵的超低排放發(fā)揮了重要作用。但是隨著國家的鋼鐵企業(yè)的超低排放的眼球不斷地提高，傳統(tǒng)的OG系統(tǒng)處理的煙氣含量不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 新型OG法（飽和塔文系統(tǒng)）

為了解決傳統(tǒng)OG技術(shù)落后的問題，20世紀(jì)末，國內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)引進(jìn)了國外飽和塔文系統(tǒng)，也稱為新OG法。該工藝采用了環(huán)縫洗滌器，因此其除塵效果明顯提高。

21世紀(jì)初，寶鋼在150 t轉(zhuǎn)爐上采用了新OG技術(shù)，解決了布水和阻力之間的問題，降低了粉塵的排放濃度。該技術(shù)比傳統(tǒng)OG法流程簡潔，阻力損失小、除塵效率高。由于其除塵后粉塵濃度小于10 mg/m3，因此也是一種取得了突破性進(jìn)展的粉塵超低排放技術(shù)。

2014年，石家莊鋼鐵有限責(zé)任公司煉鋼廠采用新型的OG法，對設(shè)備取消直段噴槍，使水霧混合更加充分，從而提高除塵效率。

3.3 LT干法除塵

20世紀(jì)60年代末，德國魯奇公司和蒂森鋼廠共同研究出LT干法除塵技術(shù)。該技術(shù)包括煙氣冷卻、凈化回收和粉塵壓塊三大部分。

轉(zhuǎn)爐煙氣分別通過汽化冷卻煙道和水冷煙道進(jìn)入蒸發(fā)冷卻器，同時向蒸發(fā)冷卻器中噴射霧化水，在蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行粗除塵。之后通過管道進(jìn)入靜電除塵器進(jìn)行精除塵，使粉塵濃度濃度降至10 mg/m3。之后，煙氣進(jìn)入煤氣冷卻器，降低煙氣溫度后進(jìn)入煤氣柜[4]，其流程如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)爐煤氣LT法回收工藝流程圖

2007年開始，包鋼等企業(yè)的轉(zhuǎn)爐采用了干法除塵技術(shù)。其中包鋼投入運行以來，除塵效率明顯提高，凈化后的煙氣含塵量不大于10 mg/m3。2012年攀鋼西昌基地3座200 t轉(zhuǎn)爐對比顯示，干法除塵煙氣含塵量小于15 mg/m3，濕法除塵煙氣含塵量在100 mg/m3左右，其除塵效果明顯比濕法除塵要好[4]。2018年國內(nèi)新建的較大轉(zhuǎn)爐，如山鋼日照300 t轉(zhuǎn)爐等均應(yīng)用了LT干法靜電除塵技術(shù)，除塵后的煤氣含塵量普遍降低到10 mg/m3以下。

LT干法除塵可有效降低煙氣含塵量，處理后排放煙氣濃度小于10 mg/m3，對設(shè)備磨損較小，不存在二次污染的問題，相比濕式除塵系統(tǒng)來說，此技術(shù)節(jié)電省水；但同時存在一次性投資費用高，技術(shù)要求高，安全系數(shù)較低，煤氣爆炸危險性高等缺點。所以，需要保證LT干法除塵各個環(huán)節(jié)設(shè)備的高要求管理，才能使干法除塵系統(tǒng)有效除塵。在實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的條件下，在國際上，轉(zhuǎn)爐煤氣LT干法除塵技術(shù)得到重視，它將為鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐實現(xiàn)超低排放的發(fā)展提供方向。

4 結(jié)論

“十四五”期間，隨著國家關(guān)節(jié)能減排法規(guī)的日益嚴(yán)格，實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)粉塵的超低排放已經(jīng)是必然要求。燒結(jié)煙氣電除塵器除了在電場數(shù)量有所增加外，采用濕式電除塵器將其粉塵降低至10 mg/m3以下，已經(jīng)成為一種必然選擇。在高爐煤氣除塵系統(tǒng)中，濕法洗滌除塵技術(shù)，雖然有較好的安全性和可靠性，但由于能耗較高，產(chǎn)生大量廢水，必須被干法除塵技術(shù)取代。因此，在今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)高爐干法布袋除塵技術(shù)仍將占主導(dǎo)地位。越來越多的企業(yè)在轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)中采用干法除塵技術(shù)。相比于濕式除塵技術(shù)來說，干式除塵技術(shù)不僅除塵效率高，而且節(jié)能效果明顯，運行成本較低。由于LT干法除塵技術(shù)可將粉塵濃度降低至10 mg/m3以下，干法替代濕法的除塵技術(shù)將會成為潮流。

除塵設(shè)備大型化，降低運行能耗，提高除塵效率，實現(xiàn)粉塵超低排放和超凈排放是未來鋼鐵企業(yè)環(huán)境治理的主要方向。為了適應(yīng)國家發(fā)展的目標(biāo)和要求，鋼鐵行業(yè)正積極改進(jìn)鋼鐵生產(chǎn)工藝，大力推廣節(jié)能減排，并在鋼鐵生產(chǎn)過程中實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，讓鋼鐵工業(yè)更好地為中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供助力。