轉(zhuǎn)爐煤氣HLG干法凈化與回收系統(tǒng)用煤氣冷卻器的工藝優(yōu)化研究

武常芳 薛琨 車(chē)雙平 王艷婷 吳佳

摘?要：轉(zhuǎn)爐煤氣HLG干法凈化與回收系統(tǒng)用煤氣冷卻器為正壓冷卻設(shè)備，對(duì)干法除塵和煤氣柜的中間連接起到至關(guān)重要的作用。本文闡述了煤氣冷卻器的工作原理和運(yùn)行期主要影響因素，并提出實(shí)際運(yùn)行中的工藝優(yōu)化改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐煤氣HLG凈化與回收系統(tǒng);煤氣冷卻器;工藝優(yōu)化

1?緒論

鋼鐵行業(yè)是僅次于火電廠(chǎng)的第二大氣體污染物排放產(chǎn)業(yè)。2019年4月28日，生態(tài)環(huán)境部、國(guó)家發(fā)展改革委等5部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見(jiàn)》，正式拉開(kāi)了鋼鐵行業(yè)超低排放改造的序幕。

目前，我國(guó)鋼鐵行業(yè)正在推廣的轉(zhuǎn)爐煤氣HLG干法凈化與回收系統(tǒng)是一項(xiàng)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)水、節(jié)電和資源最大限度回收利用的集成技術(shù)[1]。煤氣冷卻器作為系統(tǒng)的最后一道關(guān)鍵工序，起到煤氣再降溫和進(jìn)一步精除塵的作用，可滿(mǎn)足煤氣柜的凈煤氣要求或煤氣放散的超低排放濃度要求（≤10mg/m3），其運(yùn)行狀態(tài)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

2?煤氣冷卻器概述

2.1?工作原理

煤氣冷卻器通常布置于靜電除塵器之后、切換站之前，主要通過(guò)噴淋系統(tǒng)噴出的霧滴與熱煤氣進(jìn)行熱量傳遞，實(shí)現(xiàn)煤氣降溫和進(jìn)一步除塵[2]。此時(shí)經(jīng)圓筒形靜電除塵器的煤氣溫度由150～200℃降到70～80℃后，通過(guò)切換站的液壓杯閥切換進(jìn)入煤氣柜或者從煙囪放散。

煤氣冷卻器為豎直放置的圓筒形結(jié)構(gòu)，其不同高度設(shè)置有數(shù)個(gè)向下噴淋霧滴的噴嘴，煤氣從下向上流動(dòng)，并與小霧滴充分接觸，在降溫、體積減小后被送入煤氣柜。煤氣冷卻器底部的錐段設(shè)置有回水箱和回水管路，當(dāng)水面達(dá)到設(shè)計(jì)高度時(shí)將通過(guò)回水管路送至熱水池，經(jīng)上塔泵進(jìn)入淺層砂過(guò)濾器處理。處理后的水經(jīng)玻璃鋼冷卻塔冷卻后落入冷水池，由供水泵輸送至煤氣冷卻器的噴淋環(huán)管，進(jìn)入下一輪循環(huán)。

此外，煤氣冷卻過(guò)程中的小霧滴可以捕捉到煤氣中的顆粒物，使電除塵器出口煤氣的粉塵含量由15mg/Nm3降至10mg/Nm3以下。

2.2?運(yùn)行過(guò)程中的主要影響因素

影響煤氣冷卻器運(yùn)行效率的因素有很多，如氣流分布均勻程度、煤氣流速、噴嘴類(lèi)型及布置密度、噴嘴孔徑及噴嘴前噴淋環(huán)管水壓、煤氣與霧滴的接觸時(shí)間、煤氣與霧滴的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向等[3]。噴水量的控制是煤氣冷卻器降溫和除塵效果的關(guān)鍵，其大小通常用水氣比來(lái)表示。實(shí)踐證明，在一定的范圍內(nèi)增加噴水量能提高熱濕交換率，可根據(jù)不同的煤氣處理工況，結(jié)合理論計(jì)算和工程實(shí)踐確定最佳水氣比。

3?工藝優(yōu)化改進(jìn)措施

3.1?轉(zhuǎn)爐煤氣干法凈化與回收工藝的優(yōu)化改進(jìn)

現(xiàn)有的轉(zhuǎn)爐煤氣干法凈化與回收系統(tǒng)中，煤氣冷卻器通常設(shè)置在切換站之后，只有當(dāng)煤氣符合回收條件時(shí)才流經(jīng)煤氣冷卻器進(jìn)行降溫和除塵，之后進(jìn)入煤氣柜;而不符合回收條件的煤氣則直接通過(guò)煙囪放散，此時(shí)放散煤氣沒(méi)有經(jīng)過(guò)進(jìn)一步除塵，粉塵排放濃度很難穩(wěn)定控制在10mg/Nm3以下。

我公司經(jīng)過(guò)研究討論和優(yōu)化改進(jìn)，所研發(fā)的轉(zhuǎn)爐煤氣HLG干法凈化與回收系統(tǒng)將煤氣冷卻器在整個(gè)工藝系統(tǒng)中的位置前移到切換站三通閥組之前，此時(shí)無(wú)論煤氣進(jìn)行回收還是放散，都可通過(guò)煤氣冷卻器進(jìn)行相應(yīng)的處理，并保證回收或放散煤氣的含塵濃度低于10mg/Nm3，達(dá)到超低排放要求。

該工藝優(yōu)化改進(jìn)的重點(diǎn)在于：

（1）煤氣冷卻器入口管道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，應(yīng)該充分考慮煤氣進(jìn)入筒體后的氣流均布性。我公司通過(guò)CFD模擬實(shí)驗(yàn)，確定了合適的管道入口角度和深度，以保證煤氣在冷卻器內(nèi)分布均勻;

（2）煤氣冷卻器的位置前移后，噴槍、噴嘴的選型以及噴水量的控制都非常重要，應(yīng)保證霧滴與煤氣的充分接觸;

（3）應(yīng)注重煤氣冷卻器出口段除霧裝置的選型，其工作效率直接影響著后續(xù)煤氣的熱值及煤氣回收的價(jià)值。

3.2?噴淋裝置的優(yōu)化改進(jìn)

現(xiàn)有煤氣冷卻器的噴淋系統(tǒng)由供水管、環(huán)管、噴槍、噴嘴等構(gòu)成。噴槍一般分兩層布置，每層的噴槍數(shù)都為雙數(shù)，通常為上6下8，噴嘴豎直向下噴水，兩層之間噴槍的校對(duì)需要錯(cuò)開(kāi)，防止兩層之間噴射水流相互干涉。兩層噴槍的結(jié)構(gòu)相同，但所配噴嘴不同。上層環(huán)管配備螺旋噴嘴，下層環(huán)管配備渦旋噴嘴，噴射介質(zhì)均由供水系統(tǒng)的上塔泵提供，兩層環(huán)管共用一套儀表和閥組（電磁流量計(jì)、壓力變送器、就地壓力表、蝶閥及球閥）?，F(xiàn)有噴淋系統(tǒng)普遍存在噴槍水量不足、噴槍無(wú)法有效噴射等問(wèn)題。

改進(jìn)后的煤氣冷卻器在進(jìn)氣管道內(nèi)增加了雙介質(zhì)噴槍?zhuān)瑢?duì)煤氣進(jìn)行預(yù)處理，減少煤氣體積。同時(shí)通過(guò)CFD氣流模擬，對(duì)煤氣冷卻器的噴淋裝置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在筒身段沿圓周方向布置與內(nèi)截面氣體流速相適應(yīng)噴淋?chē)娮?，使噴淋量與同一截面不同點(diǎn)的氣量相適應(yīng)，達(dá)到均勻冷卻和節(jié)約噴淋水的目的，并保證煤氣冷卻器出口氣流的溫度均勻。噴淋?chē)娮斓姆植济芏群筒迦肷疃扰c內(nèi)截面氣體相適應(yīng)，有助于噴淋霧滴快速、充分地與熱煤氣接觸并進(jìn)行熱量交換。噴槍分兩層布置，兩層環(huán)管各用一套儀表和閥組（電磁流量計(jì)、壓力變送器、就地壓力表、蝶閥及球閥）分別進(jìn)行控制。

3.3?新型低阻防堵除霧裝置的設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)冷卻的煤氣中含有大量的小霧滴，為了提高煤氣的熱值、節(jié)約用水，需要對(duì)煤氣進(jìn)行除霧處理。故在煤氣冷卻器上部接近出口的位置安裝了兩級(jí)除霧裝置，包括粗除霧（S型板式除霧器）和精除霧（層狀結(jié)構(gòu)的絲網(wǎng)除沫器），并通過(guò)支撐梁安裝在噴淋系統(tǒng)的上方。除霧裝置由多個(gè)平行的噴嘴組件組成，布置在整個(gè)煤氣冷卻器的橫截面上。降溫后的煤氣通過(guò)除霧裝置后可除去99%的小霧滴，由除霧裝置捕集的小霧滴聚集成大水滴后落入煤氣冷卻器底部的水箱里。粗除霧與精除霧之間布置有沖洗裝置，沖洗系統(tǒng)由供水管路以及若干個(gè)噴嘴組成，除霧裝置工作一定時(shí)間就需要對(duì)除霧裝置進(jìn)行沖洗操作。整個(gè)除霧裝置的總阻力不高于350Pa。

3.4?頂部錐段設(shè)置彈簧自閉式三級(jí)泄爆閥

轉(zhuǎn)爐煤氣具有無(wú)色、無(wú)味、劇毒等特點(diǎn)，極易造成煤氣中毒和爆炸危險(xiǎn)，因此轉(zhuǎn)爐煤氣凈化與回收系統(tǒng)對(duì)各設(shè)備的密封性、可靠性、操作精確性等要求很高，必須保證系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠。

本公司在煤氣冷卻器頂部錐段上設(shè)置彈簧自閉式三級(jí)泄爆閥，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖參見(jiàn)圖2，當(dāng)煤氣冷卻器殼體內(nèi)部出現(xiàn)過(guò)壓現(xiàn)象時(shí)，泄爆閥閥蓋受到的動(dòng)壓大于閥蓋自重及彈簧組對(duì)閥蓋的拉應(yīng)力，此時(shí)閥蓋在沖擊力作用下被打開(kāi)，進(jìn)行殼體內(nèi)泄壓。當(dāng)壓力泄放到一定程度后，沖擊力對(duì)閥蓋的作用力急劇減小，此時(shí)泄爆閥閥蓋在彈簧組作用下快速?gòu)?fù)位、閉合，從而保護(hù)煤氣冷卻器殼體、內(nèi)部噴淋系統(tǒng)及除霧裝置不受沖擊或者損壞。

4?煤氣冷卻器優(yōu)化改進(jìn)應(yīng)用情況

目前，我公司已將此優(yōu)化改進(jìn)后的煤氣冷卻器成功應(yīng)用于某鋼廠(chǎng)新建2套公稱(chēng)150t頂?shù)讖?fù)吹式轉(zhuǎn)爐煤氣一次干法除塵系統(tǒng)項(xiàng)目。生產(chǎn)實(shí)踐證明，煤氣冷卻器在優(yōu)化改進(jìn)后的粉塵排放濃度達(dá)到超低排放要求、凈化效果顯著，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、各項(xiàng)指標(biāo)都滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。這將有助于提高煤氣質(zhì)量，為煤氣并網(wǎng)帶來(lái)延伸效益，并避免煤氣中粉塵對(duì)管網(wǎng)的磨損傷害，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著。

5?結(jié)論

轉(zhuǎn)爐煤氣HLG干法凈化與回收系統(tǒng)用煤氣冷卻器的優(yōu)化改進(jìn)，不僅適用于轉(zhuǎn)爐煤氣一次干法除塵新建項(xiàng)目，也適用于轉(zhuǎn)爐煤氣濕改干技改項(xiàng)目，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，能夠?yàn)榇蚝盟{(lán)天、碧水、凈土保衛(wèi)戰(zhàn)做出貢獻(xiàn)，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳凱，高海波，湯雷.轉(zhuǎn)爐干法除塵系統(tǒng)煤氣回收的分析與研究[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2019，（11）：4445.

[2]王大雷，張從鵬，魏立軍.轉(zhuǎn)爐干法除塵中煤氣冷卻器工藝系統(tǒng)研究改進(jìn)[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2013，（2）：11.

[3]郭小蘭.轉(zhuǎn)爐干法除塵煤氣冷卻器設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].通用機(jī)械，2014，（11）：6870.