轉爐煙氣治理低碳技術研究

劉昌健 王勇綱 徐海倫

（中冶南方工程技術有限公司，湖北武漢 430223）

0.引言

2030碳達峰和2060碳中和是我國向國際社會做出的莊嚴承諾，體現(xiàn)了我國作為負責任大國的擔當和減少碳排放的決心，也為鋼鐵行業(yè)綠色低碳發(fā)展指明了方向。我國鋼鐵行業(yè)碳達峰和碳中和計劃初步定為：2025年前，實現(xiàn)碳排放達到歷史峰值；到2030年，碳排放量較歷史峰值降低30%。實現(xiàn)這一目標有五大路徑，分別是推動綠色布局、節(jié)能及提升能效、優(yōu)化用能及流程結構、構建循環(huán)經濟產業(yè)鏈和應用突破性低碳技術。中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會于2021年4月發(fā)布了《鋼鐵行業(yè)低碳技術路線》（討論稿），其中新型轉爐煤氣余熱回收及凈化工藝、煉鋼轉爐汽化煙罩后煙氣余熱回收技術、轉爐一次干法凈化回收系統(tǒng)等都屬于推薦的低碳技術路線。本文將圍繞轉爐煙氣，積極探索研究其綠色低碳技術工藝。

煉鋼車間轉爐煙氣治理主要指轉爐一次、二次、三次煙氣除塵[1]。轉爐一次煙氣主要指轉爐冶煉時產生的煙氣，其治理過程也稱為轉爐煤氣凈化與回收，目前新建工程大部分采用干法除塵系統(tǒng)，以滿足超低排放的要求。除一次煙氣之外，加廢鋼、兌鐵水、出鋼等生產過程產生的煙氣稱為轉爐二次煙氣。一次、二次除塵系統(tǒng)沒有捕集到而外逸到煉鋼車間的煙氣稱為三次煙氣。二次、三次煙氣除塵器采用覆膜濾料袋式除塵器、濾筒除塵器等均可滿足超低排放的要求。對于煉鋼轉爐煙氣，轉爐一次、二次煙氣治理是降碳重點，因此，本文主要研究轉爐一次、二次煙氣的綠色低碳技術。

1.新型轉爐一次煙氣干法凈化與回收低碳技術

1.1 新型轉爐一次煙氣干法凈化與回收低碳技術流程

傳統(tǒng)轉爐一次煙氣干法凈化與回收主要工藝流程為：進入蒸發(fā)冷卻器的轉爐荒煤氣通過噴水，先將900℃～1000℃的煤氣冷卻至250℃～300℃，之后煙氣進入靜電除塵器進行精除塵（出口含塵濃度≤15mg/Nm3）。當煙氣中一氧化碳、氧氣成分滿足可回收條件時（不滿足條件時放散），通過切換站將煤氣送入煤氣冷卻器，經過噴水洗滌，將煤氣冷卻到70℃以下（出口煙氣含塵濃度≤10mg/Nm3），最后進入煤氣柜儲存，流程圖見圖1。

圖1 傳統(tǒng)轉爐一次煙氣干法凈化與回收系統(tǒng)流程圖

從上述流程可以看出，轉爐汽化冷卻煙道尾部出口煙氣溫度尚有900℃～1000℃左右，直接通過噴水蒸汽冷卻，水蒸汽隨著煙氣進入管道系統(tǒng)，該部分熱量沒有回收，造成部分熱量損失。同時為了便于煤氣柜儲存，含有水蒸汽的煙氣在煤氣冷卻器中需要進一步噴水降溫，消耗了大量的水資源，因此傳統(tǒng)轉爐一次煙氣干法凈化與回收系統(tǒng)余熱回收不充分、水耗和能耗較高。

根據(jù)《鋼鐵行業(yè)低碳技術路線》（討論稿），本文提出了一種新型轉爐一次煙氣全干式、全余熱回收低碳工藝，充分回收轉爐一次煙氣中低溫區(qū)域（約900℃～250℃）余熱，消除煙氣凈化過程中的噴水，實現(xiàn)全干式除塵，降低水資源消耗，最終大幅提升轉爐煉鋼過程能效、降低企業(yè)能源成本的，實先低碳、減碳目標，其工藝流程圖見圖2。

圖2 一種新型轉爐一次煙氣干法凈化與回收低碳技術流程

1.2 轉爐一次煙氣的爆炸機理及防爆、泄爆措施

轉爐一次煙氣全余熱回收最關鍵的問題是防止煤氣爆炸。由可燃氣體熱力學可知，煤氣爆炸必須同時滿足3個條件：（1）CO與氧氣或空氣的混合比例處于爆炸極限范圍以內；（2）CO與氧氣或空氣在自燃點（605℃～650℃）以下預混；（3）遇到明火或者有足夠能量的火種。

針對以上條件，防爆、泄爆采取如下措施：1）合理的工藝操作制度：合適的吹氧參數(shù)和吹氧制度，防止氧氣過剩，采用爐口微壓差控制，防止吸入空氣；2）控制原料條件：防止原料帶入水分，避免產生H2擴大爆炸極限；3）系統(tǒng)密封性控制：防止設備漏水，防止系統(tǒng)漏入空氣；4）惰性氣體吹掃技術：惰性氣體稀釋爆炸性氣體；5）高溫煙氣凈化技術：旋風除塵器去掉大顆粒高溫粉塵，減少或者去掉足夠能量的火種；6）泄爆裝置：在關鍵設備和部位上安裝泄爆閥。

1.3 高溫旋風除塵器

高溫旋風除塵器的主要作用是去掉大顆粒高溫粉塵和火星，減少或者消除足夠能量的火種，減少煤氣爆炸的機率，同時對轉爐一次煙氣進行粗除塵，降低粉塵對余熱鍋爐的沖擊、磨損，也可以避免在換熱面的灰塵聚集、堵塞、結垢。高溫旋風除塵器的正常運行，提高了整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、安全性。

1.3.1 旋風除塵器耐溫材料

旋風除塵器在900℃～1000℃環(huán)境下工作，要求其制作或者涂層材料能夠耐高溫，同時結合其要求耐磨的特點，采用碳化硅陶瓷，它的主要組成物是SiC，能夠在1400℃環(huán)境下使用仍能保持高強度，高硬度的優(yōu)異特性，同時使用成本并不高。

1.3.2 旋風除塵器結構形式

旋風除塵器是利用離心力使氣、固兩項分離，達到除塵的效果，具有幾個特點：（1）結構成熟穩(wěn)定、易加工制作；（2）設備整體無運動部件，使用壽命長；（3）可耐1400℃的溫度，滿足高溫煙氣的除塵；（4）壓力損失適宜，除塵效率滿足本工藝粗除塵的要求。

在壓力損失一致的情況下，軸向進入式旋風除塵器處理的氣體約為徑向進入式旋風除塵器的3倍[2]，且除塵效率更高，因為軸向進入式旋風除塵器的氣流分布更加均勻。由于受限于當前的陶瓷制作工藝，單個旋風除塵器處理風量的能力十分有限，但它們可以進行并聯(lián)，以處理煙氣量較大的轉爐一次煙氣。在處理相同體積氣體條件下，多管旋風除塵器組合占地面積小，因此我們采用軸向進入式多管旋風除塵器作為粗除塵裝置，典型軸向多管旋風除塵器結構見圖3（a）。為了保證除塵器灰斗足夠的卸灰角度，防止卸灰困難，同時降低除塵器的整體高度，除塵器可設置2個灰斗，如圖3（b）所示。

圖3 軸向多管旋風除塵器結構

1.3.3 高溫旋風除塵器輸灰系統(tǒng)

高溫旋風除塵器灰斗內的灰溫度可達900℃，里面夾雜溫度較高的大顆粒和火星，不管采用機械輸灰還是氣力輸灰，設備的耐溫是關鍵問題。經過研究，高溫輸灰得到應用的有2種方案：

（1）直接采用耐高溫輸送設備。在冶煉黃金領域，高溫機械輸灰方式有應用，但是其關鍵傳動部件容易變形損壞，8～12個需要更換一次，其初投資和后期運行維護成本高昂。（2）傳動軸等關鍵傳動設備采用水冷結構。對輸灰機容易高溫變形的部件進行冷卻，可以有效延長其使用壽命，但是由于設備跟高溫灰直接接觸面較多，使用周期仍達不到理想年限。本工藝如采用高溫灰直接卸灰、輸送，則浪費了一定的高溫灰余熱，同時增加了初投資和后期運行維護成本。因此本工藝對高溫灰先進行余熱回收，然后采用常規(guī)的輸送、卸灰系統(tǒng)。旋風除塵器輸灰系統(tǒng)流程如圖4所示。除塵器灰斗內的灰先卸至高溫灰倉內進行冷卻，然后通過雙層翻板閥卸至埋刮板輸灰機進行輸送，冷卻水經高溫灰倉進行預熱后送至余熱鍋爐進行綜合利用。

圖4 旋風除塵器輸灰系統(tǒng)流程圖

單個旋風除塵器設置有2個灰斗，為了維持高溫灰倉內的壓力平衡，2個灰斗的卸灰口接至一個高溫水冷灰倉。

1.4 余熱鍋爐

1.4.1 余熱鍋爐的結構特點

針對轉爐一次煙氣的特性，余熱鍋爐需要解決的問題是防止磨損、防止結垢和防爆，同時要解決轉爐一次煙氣周期性溫度波動所帶來的熱應力疲勞損壞的問題，其主要特點如下：

對流段前端，應采用加厚換熱管，煙氣保持較低的流速，避免磨損嚴重。設備換熱管采用光管方式，降低煙氣阻力。采用強制水循環(huán)系統(tǒng)，配置循環(huán)泵等輔助設備；來自汽包的下降水，經余熱鍋爐加熱后再回到汽包中綜合利用。余熱鍋爐自上而下分段布置蒸發(fā)器，蒸發(fā)器采用自立式光管全水冷形式，如圖5所示。

圖5 余熱鍋爐結構示意圖

余熱鍋爐進口溫度900℃～1000℃左右，出口設計溫度250℃～300℃?？紤]到安裝和檢修的方便性，鍋爐蒸發(fā)器采用片狀結構，散裝出廠，可現(xiàn)場組裝。

1.4.2 余熱鍋爐的清灰方案

余熱鍋爐在生產過程中，受熱面積灰、結焦是最普遍的現(xiàn)象。本工藝中余熱鍋爐的吹灰經過研究、試驗，采用激波吹灰器，產生脈沖的吹灰介質選用惰性氣體氮氣，以保證設備的安全可靠性。激波吹灰器吹灰效果可以很好滿足余熱鍋爐的使用要求，可靠性高，耗氣量也非常低。

1.5 濾管除塵器

轉爐一次煙氣凈化與回收系統(tǒng)中，余熱鍋爐后的精除塵裝置是凈化的關鍵設備，因此選擇高效的精除塵器是能否實現(xiàn)超低排放的關鍵。本工藝由于采用了全干式工藝，因此靜電除塵器不再適用（靜電除塵器需要對煙氣進行適當?shù)膰娝{質）。高溫復合纖維濾管，其主材料為復合硅酸鋁，具有高強度、高空隙率、低密度、抗熱震性能好，可以在750℃條件下穩(wěn)定運行，因此本工藝采用復合纖維濾管除塵器作為精除塵裝置，此裝置有如下優(yōu)勢：

（1）可以實現(xiàn)在無凝結水條件下，對不同粒徑粉塵協(xié)同治理，設備簡單，系統(tǒng)能耗低。（2）適應溫度范圍大，無需預先煙氣調質，在轉爐各生產工藝階段的煙氣溫度、流量變化，都能穩(wěn)定運行并達到超低排放要求。（3）除塵系統(tǒng)由多個單箱除塵倉組成，各倉獨立運行，可實現(xiàn)離線檢修，不影響主體設備生產。（4）由于濾管除塵器本身不產生電火花，可以有效地防止和減少泄爆頻率。單倉濾管除塵器結構示意圖如圖6所示。

圖6 單倉濾管除塵器結構示意圖

為了確保系統(tǒng)的安全性，采取幾點措施和方案：（1）除塵器倉體采用圓筒型結構，減少死角，防止煤氣的聚集，從而減少煤氣泄爆的頻率；（2）嚴格控制系統(tǒng)中氧氣含量，避免一氧化碳和氧氣處于爆炸極限范圍之內；（3）強化系統(tǒng)的密封性，保證濾管除塵器密封性能，并在濾管除塵器上安裝泄爆裝置；采用纖維濾管后，除塵器的出口濃度可以低于5mg/Nm3。

1.6 熱回收式煤氣冷卻器

熱回收式煤氣冷卻器設置于濾管除塵器出口，它由多個間接式水冷冷卻器串聯(lián)而成，冷卻器中的循環(huán)水通過冷卻器升溫后，再進行二次加熱汽化，送至蒸汽系統(tǒng)中回收利用。濾管除塵器出口的煙氣經過熱回收式煤氣冷卻器后，溫度可以降低至70℃以下。為了充分利用空間，降低煤氣冷卻器的高度，可以采用U型結構，如圖7所示。由于進入煤氣冷卻器的煙氣含塵濃度遠小于10mg/Nm3，因此煤氣冷卻器底部可不設置卸灰設備。

圖7 熱回收式煤氣冷卻器結構示意圖

設置熱回收式煤氣冷卻器的優(yōu)點有：（1）回收利用了轉爐煤氣的低溫余熱，減少了碳排放。（2）由于冷卻過程中沒有噴水，實現(xiàn)了全干式煤氣凈化與回收，同時也解決了煙囪冒白霧的問題，整個工藝流程，實現(xiàn)了節(jié)能減排的目標。（3）進入煤氣風機的煙氣溫度低于70℃以下，體積流量更小，風機消耗功率更低。煙氣溫度的降低也延長了風機、杯閥等設備的使用壽命。（4）轉爐煤氣含濕量低，提高了轉爐煤氣的品質，減少了其排水負荷。

2.新型轉爐二次煙氣治理低碳技術

轉爐二次煙氣治理低碳技術可以采用高效、低耗的爐前排煙罩[3]、適當?shù)臍饬鹘M織策略[4]和低阻力的超低排放除塵器等。為響應鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展的號召，遵循打造綠色低碳產品的原則，本文對爐前排煙罩開展進一步的探索創(chuàng)新。

2.1 雙風口轉爐二次煙氣爐前排煙罩

經過長期現(xiàn)場實測和理論研究，轉爐二次煙氣外逸主要通過吊車橫梁與爐前排煙罩之間的間隙逃逸至煉鋼車間，造成車間內環(huán)境污染。因此我們研制了一種雙風口轉爐二次煙氣爐前排煙罩，如圖8所示。

圖8 雙風口轉爐二次煙氣爐前排煙罩

兌鐵水時，由于頂板的遮擋作用，增加了二次煙氣從此通道逃逸的阻力，有利于爐前排煙罩對二次煙氣的捕集。同時排煙罩前面板的二次吸風口也可以對逃逸的煙氣進行二次捕獲，以減少二次煙氣的外逸。與頂板相連接的彈簧裝置，可以緩沖吊車橫梁與遮擋頂板可能產生的碰撞，確保生產的安全性。

2.2 熱回收式爐前排煙罩

國內目前部分煉鋼廠冶煉強度大、冶煉周期短，特別是兌鐵水速度遠遠高于設計值，導致兌鐵水時爐前煙氣量十分巨大，而且溫度非常高。部分轉爐甚至在冶煉狀態(tài)下，還有大部分煙氣外逸出爐前擋火門，如圖9所示。

圖9 轉爐兌鐵水及冶煉時煙氣外逸情況

高效的爐前排煙罩捕集效率高，因此會吸入大量的高溫煙氣，甚至是火花，造成排煙罩的表面溫度非常高。即使在排煙罩內部、外部噴涂耐火材料的情況下，排煙罩也容易變形，使用壽命大為縮短。同時由于煙氣溫度過高，與排煙罩相連接的除塵風管也經常受熱變形，甚至于風管表面會被煙氣中的明火燒得變紅，造成了極大安全生產隱患。為了解決這一問題，我們研制了熱回收式爐前排煙罩，在爐前高溫區(qū)域設置了水冷密排管，如圖10所示。

圖10 熱回收式爐前排煙罩結構示意圖

熱回收式爐前排煙罩具備幾個優(yōu)點：（1）可以回收二次煙氣中的余熱，水冷密排管的水被加熱后，通過二次加熱成蒸汽，送至汽包循環(huán)利用。（2）可以冷卻爐前煙氣，降低二次煙氣的體積流量，提高爐前排煙罩捕集效率的同時，也降低了系統(tǒng)能耗。（3）二次煙氣被冷卻降溫后，向車間逃逸的速度降低，有利于爐前排煙罩的捕集。（4）提高爐前排煙罩及風管的使用壽命，降低維護運行費用。

3.結語

為響應國家綠色低碳政策，本文對轉爐煙氣治理低碳技術路線進行了研究探索：（1）通過在汽化冷卻煙道尾部增加余熱鍋爐，充分回收了轉爐一次煙氣中低溫區(qū)域（約900℃～250℃）余熱，消除了煙氣凈化過程中的噴水，降低水資源消耗。（2）采用纖維濾管除塵器后，轉爐一次煙氣的排放濃度可以低于5mg/Nm3，低于國家超低排放的要求（≤10mg/Nm3）。（3）熱回收式煤氣冷卻器的設置，實現(xiàn)了整個轉爐一次煙氣凈化與回收系統(tǒng)全干式凈化與回收，同時也解決了煙囪冒白霧的問題，符合國家低碳、減碳的發(fā)展方向。（4）本文對轉爐二次煙氣爐前排煙罩進行了創(chuàng)新，提出了雙風口轉爐二次煙氣捕集裝置，可以大幅度提升爐前排煙罩的捕集效率。（5）熱回收式爐前排煙罩可以回收轉爐二次煙氣中的余熱，同時冷卻爐前煙氣，降低煙氣的體積流量，提高了爐前排煙罩的捕集效率。