新型轉(zhuǎn)爐煤氣干法凈化超低排放技術(shù)

文_劉昌健 黃艷秋 孫成革

1 中冶南方工程技術(shù)有限公司 2 西安建筑科技大學(xué) 3 大連嘉禾工業(yè)控制技術(shù)股份有限公司

1 現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐煤氣干法凈化系統(tǒng)存在的問(wèn)題

1.1 常規(guī)轉(zhuǎn)爐煤氣干法凈化與回收流程

常規(guī)轉(zhuǎn)爐煤氣干法凈化與回收主要工藝過(guò)程為：轉(zhuǎn)爐荒煤氣通過(guò)汽化冷卻煙道進(jìn)入蒸發(fā)冷卻器，蒸發(fā)冷卻器通過(guò)噴水，先將900～1000℃的煤氣冷卻至250～300℃，同時(shí)對(duì)煤氣進(jìn)行粗除塵，之后煙氣進(jìn)入圓筒靜電除塵器進(jìn)行精除塵，靜電除塵器的出口含塵濃度≤15mg/Nm3。靜電除塵器出口設(shè)煤氣風(fēng)機(jī)，通過(guò)消聲器后把煤氣送到切換站。當(dāng)煙氣中O2、CO氣體含量達(dá)到可回收條件時(shí)，通過(guò)切換站將煤氣導(dǎo)入煤氣冷卻器，經(jīng)過(guò)噴水洗滌，將煤氣冷卻到70℃以下，煤氣冷卻器的出口含塵濃度低于10mg/Nm3，最后進(jìn)入煤氣柜儲(chǔ)存。當(dāng)煤氣中O2或CO氣體含量不滿足回收條件時(shí)，則通過(guò)切換站將煤氣導(dǎo)入放散煙囪進(jìn)行放散模式，煤氣經(jīng)點(diǎn)火裝置點(diǎn)火燃燒后排放至大氣。蒸發(fā)冷卻器分離出的粗灰通過(guò)粗灰輸送系統(tǒng)外運(yùn)，靜電除塵器所收集的粉塵通過(guò)細(xì)灰輸送系統(tǒng)外運(yùn)，流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 轉(zhuǎn)爐煤氣干法凈化及回收系統(tǒng)流程圖

1.2 存在問(wèn)題

靜電除塵器的出口含塵濃度≤15mg/Nm3，當(dāng)煤氣回收時(shí)煤氣冷卻器的出口含塵濃度低于10mg/Nm3，，但是當(dāng)系統(tǒng)處于煤氣放散時(shí)，沒(méi)有煤氣冷卻器洗滌降塵作用，且隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的變長(zhǎng)，靜電除塵器的除塵效率會(huì)降低，出口含塵濃度會(huì)進(jìn)一步變高。為了解決這一問(wèn)題，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造，使得煙囪放散時(shí)，達(dá)到超低排放≤10mg/Nm3的要求。

2 現(xiàn)有超低排放技術(shù)

2.1 濕式電除塵技術(shù)

濕式電除塵器與干式電除塵器是按照電極清灰方式分類(lèi)的靜電除塵器。兩者都是利用靜電力將氣體中粉塵分離的一種除塵設(shè)備。除塵器由本體及高壓電源兩部分構(gòu)成。干式電除塵器借助機(jī)械力槌打、刷掃的方法清除電極上的積塵，優(yōu)點(diǎn)是粉塵后處理簡(jiǎn)單，便于綜合利用，機(jī)械和電磁振打是常用的清灰方式。但清灰時(shí)會(huì)楊起積塵，或短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生返流，影響除塵效率。濕式電除塵器用淋洗、噴霧、溢流等方式清洗電極表面積塵，清灰時(shí)不揚(yáng)塵，但產(chǎn)生一定的泥漿，泥漿需后處理。

在干法除塵系統(tǒng)中，干式靜電除塵器出口含塵濃度≤15mg/Nm3，因此濕式電除塵器只是作為靜電除塵器的一種擴(kuò)展，作為深度凈化的除塵器設(shè)置于除塵系統(tǒng)中，保證煙囪排放濃度≤10mg/Nm3，見(jiàn)圖2。

圖2 濕式電除塵超低排放流程圖

在目前的改造項(xiàng)目中，濕式電除塵器在轉(zhuǎn)爐煤氣濕法除塵中已經(jīng)成功應(yīng)用，但是在干法除塵系統(tǒng)的應(yīng)用需要進(jìn)一步實(shí)踐，目前主要存在如下缺點(diǎn)：①濕式電除塵器需要循環(huán)水噴淋，能耗增加。②煙氣噴水降溫后，煙囪出口會(huì)冒“白煙”。

2.2 煤氣冷卻器前置方案

煤氣冷卻器前置方案是目前轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵超低排放中使用最多的一種，其流程見(jiàn)圖3。從靜電除塵器出來(lái)的轉(zhuǎn)爐煤氣，經(jīng)過(guò)煤氣冷卻器的噴水洗滌，含塵濃度可以低于10mg/Nm3。但這種方案存在如下缺點(diǎn)：

圖3 煤氣冷卻器前置流程圖

①經(jīng)過(guò)噴水洗滌之后，煙氣接近飽和，放散煙囪出口會(huì)出現(xiàn)白霧，必須進(jìn)行脫白處理，增加初投資。

②飽和煙氣在輸送過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生冷凝水，影響切換站閥門(mén)的使用壽命。

③煤氣冷卻器如果故障，必須停產(chǎn)檢修，影響轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)。

④放散時(shí)，煙氣經(jīng)過(guò)煤氣冷卻器，增加了系統(tǒng)阻力，造成運(yùn)行成本的提高。

現(xiàn)有項(xiàng)目中，為了解決煙氣經(jīng)過(guò)煤氣冷卻器后含水量過(guò)高的問(wèn)題，通常在煤氣冷卻器出口設(shè)置高效脫水裝置，但是由于脫水裝置脫水效率的限制，煙囪冒白霧的現(xiàn)象無(wú)法根本解決。

3 新型超低排放技術(shù)

3.1 變抗全直流電源技術(shù)

電除塵器的除塵效率計(jì)算公式為：

式中A—集塵極板總面積，m2；Q—除塵器處理風(fēng)量，m3/s;ω—電除塵器有效驅(qū)進(jìn)速度，m/s。

式中β—常數(shù)，m2；VpV—電壓峰值，V；Vai—電壓平均值，V。

從式（1）、（2）可以看出，在集塵板總面積及處理風(fēng)量一定的情況，靜電除塵器除塵效率與有效驅(qū)進(jìn)速度成正比，而有效驅(qū)進(jìn)速度正比于電場(chǎng)可施加電壓的峰值與平均值的乘積。當(dāng)平均電壓等于峰值電壓時(shí)峰值電壓與平均電壓乘積達(dá)到最大值。只有接近純直流電源才能做到平均電壓等于峰值電壓。而接近純直流的電源有兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)：①頻率越高的電源輸出越接近直流。②輸出采用非單純整流方式，采用變抗技術(shù)實(shí)現(xiàn)純直流。

目前行業(yè)采用變抗全直流電源實(shí)現(xiàn)了上述兩種途徑，輸出電壓接近純直流，變抗全直流電源與其他電源的綜合對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 變抗全直流電源與其他電源的綜合對(duì)比

變抗全直流電源突破了目前高頻電源的容量瓶頸（目前高頻電源最大穩(wěn)定容量為2.2A），實(shí)現(xiàn)了3.5A的大容量。采用變抗全直流技術(shù)，結(jié)合除塵器本身的改進(jìn)，可以提高靜電除塵器的除塵效率，實(shí)現(xiàn)不同噸位轉(zhuǎn)爐干法除塵超低排放。

變抗全直流電源在某鋼廠對(duì)300t轉(zhuǎn)爐工頻電源進(jìn)行了升級(jí)替換，替換前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 某鋼廠300t轉(zhuǎn)爐電源升級(jí)替換前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

本工程案例僅對(duì)原工頻電源進(jìn)行了升級(jí)替換，替換后的變抗全直流電源實(shí)際運(yùn)行電壓較原電源有大幅的提升，極大地增加了驅(qū)進(jìn)速度，通過(guò)出口排放檢測(cè)，出口排放值降低了33%。另外，通過(guò)變抗全直流電源技術(shù)，電源的額定容量、最大運(yùn)行電流及輸出功率亦有較大幅度的提升，激發(fā)了除塵器的運(yùn)行潛能，有利于實(shí)現(xiàn)超低排放。

3.2 高溫復(fù)合纖維濾管除塵技術(shù)

轉(zhuǎn)爐煤氣凈化與回收系統(tǒng)中，蒸發(fā)冷卻器后面的精除塵裝置是凈化的關(guān)鍵設(shè)備，因此選擇高效的精除塵器是實(shí)現(xiàn)超低排放的關(guān)鍵。

高溫復(fù)合纖維濾管可以滿足耐高溫和拒水性的要求，其主材料為復(fù)合硅酸鋁，具有高強(qiáng)度、高空隙率、低密度，抗熱震性能好(不受熱脹冷縮的影響而斷裂)，可以在750℃條件下穩(wěn)定運(yùn)行。與傳統(tǒng)濾袋除塵器相比，結(jié)構(gòu)類(lèi)似，工藝結(jié)構(gòu)相對(duì)成熟，同時(shí)纖維濾管具有如下優(yōu)勢(shì)：脈沖清灰不變形，塵餅層控制穩(wěn)定，過(guò)濾精度始終保持較高水平。無(wú)龍骨支撐，噴吹過(guò)程不產(chǎn)生機(jī)械摩擦，使用壽命較高。纖維濾管具備較強(qiáng)的拒水性能，只要沒(méi)有明顯的冷凝水出現(xiàn)，不會(huì)出現(xiàn)糊袋現(xiàn)象。

采用纖維濾管后，除塵器的出口濃度可以低于5mg/Nm3，具體流程見(jiàn)圖4。但是纖維濾管除塵器的阻力比靜電除塵器高，因此在方案選擇時(shí)，要綜合對(duì)比初投資及運(yùn)行能耗，選擇合適的凈化方案。

圖4 高溫復(fù)合纖維濾管除塵器工藝流程圖

3.3 熱回收式煤氣冷卻器

為了解決煤氣冷卻器前置存在煙囪冒白霧的問(wèn)題，可以采用熱回收式煤氣冷卻器。熱回收式煤氣冷卻器的本質(zhì)是一種間接換熱器，不采用噴淋水直接冷卻轉(zhuǎn)爐煤氣，而是通過(guò)換熱器里的循環(huán)水間接冷卻煤氣。循環(huán)水通過(guò)換熱器升溫氣化后可送入轉(zhuǎn)爐蒸汽系統(tǒng)中進(jìn)行利用。

熱回收式煤氣冷卻器的優(yōu)點(diǎn)有：

①解決了煙囪冒白霧的問(wèn)題。

②轉(zhuǎn)爐煤氣含濕量低，煤氣柜可以回收更多的煤氣，并且提高了轉(zhuǎn)爐煤氣的品質(zhì)，減少了其排水負(fù)荷。

③轉(zhuǎn)爐煤氣的余熱進(jìn)一步被回收利用。

但是使用熱回收式的前提是，整個(gè)系統(tǒng)的精除塵裝置能夠確保排放濃度≤10mg/Nm3，因?yàn)闊峄厥帐矫簹饫鋮s器不具備深度凈化的功能。

3.4 聲波團(tuán)聚除塵裝置

復(fù)合聲波團(tuán)聚技術(shù)利用高強(qiáng)聲場(chǎng)使氣溶膠中微米和亞微米級(jí)細(xì)顆粒物在聲場(chǎng)中發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而提高它們的碰撞團(tuán)聚速率。由于顆粒表面存在著很強(qiáng)的范德華吸引力，一旦顆粒發(fā)生了碰撞，便十分可能粘附而形成較大一級(jí)的團(tuán)聚物，使細(xì)顆粒物在很短的時(shí)間范圍內(nèi)，粒徑分布從小尺寸向大尺寸方向快速遷移，顆粒數(shù)目濃度減少，進(jìn)而增強(qiáng)后續(xù)深度凈化除塵設(shè)施的脫除效率，深度凈化除塵設(shè)施可以采用高效管式除塵器、袋式除塵器等除塵器的出口濃度可以低于10mg/Nm3，其工藝流程見(jiàn)圖5。

圖5 聲波團(tuán)聚除塵裝置工藝流程圖

聲波團(tuán)聚除塵裝置應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐煤氣深度凈化系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：①聲波團(tuán)聚技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性高。②空間占用面積小，安裝位置靈活。

聲波團(tuán)聚除塵裝置應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐煤氣深度凈化系統(tǒng)缺點(diǎn)：①聲波團(tuán)聚除塵要產(chǎn)生高聲壓和高頻聲波，耗能較大。②高頻聲波可能對(duì)人造成傷害。

因此發(fā)展中低頻率聲波團(tuán)聚除塵裝置是一個(gè)趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著超低排放工作的推進(jìn)，出現(xiàn)了一些有針對(duì)性的轉(zhuǎn)爐煤氣干法凈化超低排放新技術(shù)，如①變抗全直流電源技術(shù)；②高溫復(fù)合纖維濾管除塵技術(shù)；③熱回收式煤氣冷卻器；④聲波團(tuán)聚除塵裝置。這些技術(shù)的出現(xiàn)，為轉(zhuǎn)爐煤氣干法凈化超低排放提供了一些新思路，但是在方案選擇時(shí)，應(yīng)結(jié)合各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜合比較選擇。