150 t轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道的研究及應(yīng)用

楊 麗，牛振華，韓朝暉

（1.安陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院（安陽(yáng)市高級(jí)技工學(xué)校）；2.安陽(yáng)市應(yīng)急管理局，河南安陽(yáng) 455000）

概述

某煉軋廠煉鋼車(chē)間有3 座150 t 轉(zhuǎn)爐，一次除塵采用傳統(tǒng)的OG 法濕式除塵系統(tǒng)。原有的一次除塵系統(tǒng)排放濃度達(dá)到100 mg/m3，已無(wú)法滿足國(guó)家和本地區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，濕法除塵產(chǎn)生大量的煉鋼污泥，難以處理，在運(yùn)輸和使用過(guò)程中產(chǎn)生二次污染，耗水量大。經(jīng)過(guò)技術(shù)交流和調(diào)研，將一次除塵改為轉(zhuǎn)爐煙氣干法除塵系統(tǒng)，于2018 年6 月完成2號(hào)轉(zhuǎn)爐除塵系統(tǒng)的改造。

轉(zhuǎn)爐干法除塵系統(tǒng)是以轉(zhuǎn)爐煙氣含塵處理，冷卻及凈化冶煉中產(chǎn)生的所有氣體，并回收含有一氧化碳的氣體供用戶使用為主要目的的工藝過(guò)程。轉(zhuǎn)爐干法除塵工藝流程如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)爐干法除塵工藝流程圖

1 改造后的150 t 轉(zhuǎn)爐干法除塵汽化煙道結(jié)構(gòu)和影響因素分析

轉(zhuǎn)爐干法除塵系統(tǒng)的汽化冷卻煙道為余熱鍋爐，屬于特種設(shè)備。煙道內(nèi)有高溫?zé)煔夂头蹓m顆粒，特別是在爐口的活動(dòng)煙罩及爐口段煙道內(nèi)溫度高達(dá)1 200 ℃以上，隨著煙道的向外延伸，在固定煙道一段和固定煙道二段內(nèi)溫度會(huì)逐漸降低到幾百度。由于受鋼鐵冶煉工藝的影響，鋼包內(nèi)的溫度是波動(dòng)變化的，煙道內(nèi)的溫度也會(huì)隨之波動(dòng)［1］。煙道始終是處于動(dòng)態(tài)的工作狀態(tài)，在這種惡劣復(fù)雜的工況環(huán)境下，煙道一旦出現(xiàn)一絲紕漏，都會(huì)導(dǎo)致煙氣泄漏而停產(chǎn)。

1.1 轉(zhuǎn)爐煙道結(jié)構(gòu)

150 t轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道結(jié)構(gòu)共有五部分組成，分別為活動(dòng)煙罩、爐口段煙道、固定煙道一段、固定煙道二段和尾部煙道。煙道采用高壓鍋爐用的無(wú)縫鋼管，材質(zhì)為20G。

1.2 影響因素分析

轉(zhuǎn)爐在吹煉時(shí)首先由活動(dòng)煙罩捕集高溫?zé)煔?，然后通過(guò)汽化冷卻煙道對(duì)煙氣進(jìn)行初次降溫，使得煙道出口煙氣溫度降為800～1 100 ℃。同時(shí)，為降低鋼液含碳量，需使用氧槍對(duì)其進(jìn)行吹氧除碳，致使煙道內(nèi)的溫度會(huì)驟然增高，而在停止吹氧的瞬間，溫度會(huì)驟然下降。隨著煙氣溫度的陡升和陡降，煙道會(huì)產(chǎn)生膨脹和收縮，時(shí)刻承受交變應(yīng)力的作用，進(jìn)而影響煙道的使用壽命。影響汽化煙道使用的主要因素如下。

（1）煙道管壁的磨損。由于爐氣中含有大量的氧化鐵煙塵，含塵量在80～120 g/m3，在吹煉時(shí)，煙塵與受熱面管子摩擦造成受熱面磨損。

（2）爐口段固定罩結(jié)渣。在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中有鋼渣噴射到爐口段固定罩受熱面上，形成大面積結(jié)渣，結(jié)渣區(qū)域換熱效果差，將會(huì)造成局部過(guò)熱損壞煙道。在清渣過(guò)程中易使受熱面造成機(jī)械損傷，或者直接損壞受熱面。

（3）煙道管壁溫度變化大。由于轉(zhuǎn)爐冶煉的過(guò)程操作周期短，熱量變化速率快，隨著吹煉和停吹而使管壁的溫度產(chǎn)生很大變化，進(jìn)而引起管壁產(chǎn)生交變熱應(yīng)力，導(dǎo)致煙道上產(chǎn)生裂紋甚至破裂而發(fā)生泄漏事故。

（4）煙道制造工藝不當(dāng)。煙罩制造過(guò)程中稍不注意就容易造成機(jī)械性損傷，如錘擊或硬物磕碰劃傷等，這些在受熱管壁表面的損傷，長(zhǎng)時(shí)間易誘發(fā)產(chǎn)生裂紋。

2 轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道結(jié)構(gòu)、參數(shù)及適應(yīng)性設(shè)計(jì)

2.1 煙道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（1）把爐口段和固定煙道一段設(shè)為整體結(jié)構(gòu)，把總進(jìn)水管設(shè)為四路進(jìn)水，使每根受熱管的進(jìn)水量得到充足配額，有效改善水動(dòng)力不足，使受熱管的冷卻效果得到保證，能防止過(guò)早出現(xiàn)熱應(yīng)力疲勞破壞的現(xiàn)象，提高煙道的使用壽命。

（2）活動(dòng)煙罩用抱箍式吊耳結(jié)構(gòu)，不與圍管直接焊接，使得煙道在熱脹冷縮時(shí)能處于自由狀態(tài)，這樣即可消除煙道產(chǎn)生熱應(yīng)力，避免因煙道撕裂出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。用加強(qiáng)箍固定爐口段，避免煙道與支吊點(diǎn)直接焊接。

（3）固定煙道一段上聯(lián)箱及附近煙道均設(shè)為外翻結(jié)構(gòu)，避免其直接受到火焰的烘烤，防止上聯(lián)箱圍管產(chǎn)生撕裂［2］。固定煙道一段較長(zhǎng)，安裝兩個(gè)彈簧吊架對(duì)其支撐，并安裝一個(gè)導(dǎo)向支架。

（4）在固定煙道二段靠近與尾部煙道連接的彎頭附近設(shè)置兩個(gè)彈簧吊架。為提高煙道使用的安全性，在尾部煙道安裝兩根雙介質(zhì)（水和氮?dú)猓﹪姌?，起到降溫、滅火和防爆作用。在尾部煙道末端設(shè)置兩個(gè)彈簧吊架進(jìn)行支撐。

（5）為了降低煙氣在煙道內(nèi)的流動(dòng)阻力，盡量減少煙道直管段的長(zhǎng)度和彎頭的數(shù)目。

2.2 煙道參數(shù)的設(shè)計(jì)

活動(dòng)煙罩直接罩在轉(zhuǎn)爐爐口處，其形狀為圓臺(tái)形，大端內(nèi)徑為4 462 mm，小端內(nèi)徑為3 520 mm。如圖2 所示，進(jìn)出、口聯(lián)箱垂直設(shè)置在受熱圓臺(tái)兩側(cè)，活動(dòng)煙罩由受熱管沿水平方向纏繞，每根環(huán)繞管組成兩條獨(dú)立的循環(huán)線路，用圓鋼在活動(dòng)煙罩內(nèi)各層環(huán)管之間進(jìn)行填充，高度為1 067 mm?；顒?dòng)煙罩工作時(shí)由4 個(gè)導(dǎo)輪控制煙罩的升降，其行程大約800 mm［3］。活動(dòng)煙罩受熱面采用鎳鉻噴涂，厚度不小于0.3 mm，表面必須嚴(yán)實(shí)密封光滑。

圖2 活動(dòng)煙罩截面圖

爐口段煙道外徑為3 370 mm，內(nèi)徑為2 904±5 mm，煙道出口傾角為55°。

固定煙道一段和固定二段直徑均為2 904±5 mm。

尾部煙道直徑為2 904±5 mm，其偏離固定二段的距離為5 500 mm。

2.3 尾部煙道內(nèi)安裝導(dǎo)流板和隔流板

由于在豎直煙道中煙氣為高流速區(qū)，在煙道彎頭外煙道壁面煙氣為低流速區(qū)，煙道內(nèi)會(huì)有產(chǎn)生渦流，煙氣流經(jīng)煙道的過(guò)程中壓降較大，因而容易形成積灰。在尾部煙道受熱管內(nèi)安裝螺旋形不銹鋼導(dǎo)流板和隔流板，使得煙道內(nèi)煙氣幾乎不存在低流速區(qū)，能改善煙道內(nèi)煙氣流動(dòng)，使之也更加均勻，減少煙道積灰，提高了換熱效果，可有效防止爆管的發(fā)生，因此導(dǎo)流板和隔流板對(duì)改善煙氣出口氣流分布和避免渦流產(chǎn)生具有重要的作用。

3 效果分析

實(shí)踐證明，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)爐干法除塵系統(tǒng)汽化冷卻煙道結(jié)構(gòu)的改造與應(yīng)用，系統(tǒng)排放的粉塵濃度降低至20 mg/m3以下，消除煉鋼污泥，消除污泥運(yùn)輸?shù)亩挝廴?，達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

2 號(hào)和3 號(hào)轉(zhuǎn)爐都屬于同時(shí)期建設(shè)的150 t 轉(zhuǎn)爐，2 號(hào)轉(zhuǎn)爐使用轉(zhuǎn)爐煙氣干法除塵系統(tǒng)，3 號(hào)轉(zhuǎn)爐使用傳統(tǒng)的OG 法濕式除塵系統(tǒng)。為了了解除塵的實(shí)際效果，2019 年3 月份，從2 號(hào)轉(zhuǎn)爐和3 號(hào)轉(zhuǎn)爐的各隨機(jī)采集了80個(gè)爐號(hào)的數(shù)據(jù)，并對(duì)其粉塵排放濃度進(jìn)行了對(duì)比。從圖3 中可以看出，干法除塵系統(tǒng)安裝后，粉塵排放濃度由原來(lái)OG 法濕式除塵系統(tǒng)的100 mg/m3以下，降低到20 mg/m3以下，消除了煉鋼污泥。

圖3 干法除塵與濕法除塵粉塵濃度對(duì)比圖

4 結(jié)論

干法除塵系統(tǒng)的應(yīng)用，大幅提高了能源的利用效率和各種副產(chǎn)煤氣的回收利用。一是煙氣除塵效果好，可達(dá)到10～20 mg/m3。二是延長(zhǎng)了煙道的使用壽命。與OG 法濕式除塵系統(tǒng)相比，爐口段從原來(lái)的1 年更換延長(zhǎng)到2 年更換，活動(dòng)煙罩3 年更換，尾部煙道4 年更換，回收蒸汽量穩(wěn)步上升，顯著提高了經(jīng)濟(jì)效益。三是安裝導(dǎo)流板和隔流板后，進(jìn)入除塵器喇叭口煙氣流量相差較小，達(dá)到均布?xì)饬鞯哪康?。四是系統(tǒng)阻損僅為OG 法濕式除塵的1/3，有效降低電耗，并能多回收煤氣5%～10%，提高除塵的效率和企業(yè)的整體效益。