高爐煉鐵工藝無組織排放粉塵控制進展

李 彬，楊 迪，朱恒希，董 鵬

(1.昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.昆明理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，云南 昆明 650093)

0 前 言

我國是鋼鐵生產(chǎn)大國，2021年全國粗鋼產(chǎn)量達到 10.35億t， 占世界粗鋼產(chǎn)量的53.1%，居世界第一位[1].鋼鐵生產(chǎn)分為長流程和短流程兩種工藝.雖然短流程工藝更加清潔，但是由于中國廢鋼產(chǎn)量不足，工藝不支持短流程煉鋼等原因，未來很長一段時間，我國仍然以長流程煉鋼為主[2].經(jīng)燒結(jié)球團、焦化、高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼、軋鋼等工序的長流程煉鐵工藝，屬于資源和能源密集型且產(chǎn)能較低的產(chǎn)業(yè)，不僅會消耗大量的資源，也產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境問題[3].其中，原料堆場、焦化、燒結(jié)、煉鐵煉鋼及軋鋼工序是重點排污環(huán)節(jié).2019年生態(tài)環(huán)境部印發(fā)的《關(guān)于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，“十四五”進一步提出了“減污降碳協(xié)同增效”，目前鋼鐵行業(yè)全面超低排放改造取得一定成效.盡管原料堆場、焦化、燒結(jié)等工序粉塵無組織排放均設(shè)置了相應(yīng)的環(huán)保措施，但是高爐工序粉塵無組織排放控制還未受到足夠重視，導(dǎo)致其整個工藝超低排放的壓力仍在增大[4-5].

高爐煉鐵是鋼鐵制造過程的前端工序之一，是目前主流的煉鐵工藝，高爐平穩(wěn)運行是鋼鐵企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要前提[6].雖然高爐煉鐵具有工藝簡單、產(chǎn)量大等優(yōu)點，但也是高污染工序之一[7-8].據(jù)統(tǒng)計，高爐煉鐵工藝顆粒物產(chǎn)生量約占整個鋼鐵流程的20%～30%，具有很大的減排潛力.煉鐵工藝中顆粒物無組織排放主要集中在出鐵場系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、噴吹系統(tǒng)等，無組織排放嚴(yán)重影響周邊大氣中懸浮顆粒物的含量，引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病，對人體造成危害[9-10].

本文重點調(diào)研了國內(nèi)高爐煉鐵工藝粉塵的排放特性，闡明了現(xiàn)有粉塵脫除技術(shù)的優(yōu)缺點，提出了可實現(xiàn)超低排放的技術(shù)路線.

1 高爐粉塵排放特性

鋼鐵企業(yè)之間原材料差異較大，其生產(chǎn)規(guī)模和工藝控制水平各異，導(dǎo)致煉鐵工藝產(chǎn)生粉塵的粒徑分布、元素組成亦不同，但普遍含有元素Fe[11].高爐工藝粉塵排放源包括礦槽、煤粉制備、高爐出鐵場和熱風(fēng)爐排煙等[12].其中，高爐出鐵場排放粉塵量占整個高爐工藝50%以上[13].國內(nèi)鋼鐵企業(yè)高爐出鐵場粉塵排放的特征見圖1[14-16].

從圖1(a)中可以看出，總懸浮顆粒物中PM2.5占比超過40%，PM2.5/PM10都在60%以上，表明高爐工藝粉塵以細(xì)顆粒物為主.從圖1(b)中可以看出高爐工藝排放顆粒物粒徑主要在 3 μm 以下，甚至達到0.05～0.1 μm，這些屬于可入肺顆粒物，可能引起工人的肺部疾病，因此仍需進一步解決細(xì)顆粒物排放問題[17].

表1[15,17-18]列出了高爐工序排放顆粒物的主要元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從表中可知顆粒中含有元素最高的是Fe，其次是有機碳，主要的原因是鐵和碳是煉鐵的主要原料.其它元素有Si、Ca和Pb等，它們的產(chǎn)生主要和礦石來源及礦石品位有關(guān).

因此，解決高爐工序的顆粒物問題，首要工作就是控制細(xì)顆粒物的排放.從物相組成來看，收集的細(xì)顆粒物粉塵完全可以返回鋼鐵生產(chǎn)過程，提高企業(yè)清潔生產(chǎn)水平.

2 揚塵無組織排放抑制技術(shù)

2.1 防風(fēng)抑塵網(wǎng)

防風(fēng)抑塵網(wǎng)是避免揚塵產(chǎn)生的有效手段.在包括鋼鐵行業(yè)在內(nèi)的原料堆存場所等得到了廣泛應(yīng)用[19].在煉鐵工序中主要應(yīng)用于原材料大量露天堆積的場所.防風(fēng)抑塵網(wǎng)的抑塵原理是通過材料的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)改變其表面風(fēng)速和湍流強度，從而達到抑塵目的[20].

防風(fēng)抑塵網(wǎng)的抑塵效果不僅與風(fēng)速有關(guān)，也與抑塵網(wǎng)的材質(zhì)、開孔率、網(wǎng)高等有關(guān)[21].表2列出了不同材質(zhì)防風(fēng)抑塵網(wǎng)的特征.

表2 不同材質(zhì)防風(fēng)抑塵網(wǎng)特點Tab.2 Features of different materials of wind and dust suppression nets

由表2可知，防風(fēng)抑塵網(wǎng)材質(zhì)可以分為金屬材質(zhì)和非金屬材質(zhì)，各有特點.非金屬材質(zhì)種類較多，其中高分子復(fù)合材料網(wǎng)對粉塵吸附效果較好，而其他材質(zhì)對粉塵吸附性稍差.相較于金屬材質(zhì)，非金屬材質(zhì)防風(fēng)抑塵網(wǎng)價格較低廉，使用更方便，應(yīng)用較廣，其中高分子復(fù)合材料網(wǎng)使用率達到80%.

開孔率是防風(fēng)抑塵網(wǎng)的抑塵指標(biāo)之一，是最重要的抑塵因素[22].開孔率主要會影響網(wǎng)后平均風(fēng)速和湍流、網(wǎng)后回流區(qū)及防風(fēng)抑塵網(wǎng)對料堆的庇護效應(yīng)[23-24].開孔率為0時，會增加防風(fēng)抑塵網(wǎng)的重量，增大建設(shè)成本，存在安全隱患.開孔率過高，會減少料堆區(qū)域繞流風(fēng)，增大滲透風(fēng)，降低抑塵能力[25].綜合考慮各影響因素，一般認(rèn)為最佳開孔率在20%～50%[26].

防風(fēng)抑塵網(wǎng)的安裝高度對料堆起塵量也存在影響.隨著網(wǎng)高增加，在一定范圍內(nèi)可以增加防風(fēng)抑塵網(wǎng)對料堆的庇護范圍，減少起塵量.據(jù)研究表明，網(wǎng)高為料堆高度1.1～1.5倍為最佳高度.除了網(wǎng)高與料堆高度比例之外，網(wǎng)高與料堆大小也會對防塵效率產(chǎn)生影響.因此，防風(fēng)抑塵網(wǎng)的最佳高度需要綜合考慮.

此外，防風(fēng)抑塵網(wǎng)的開孔方式、孔徑大小、網(wǎng)形式、網(wǎng)設(shè)置方式、來流風(fēng)方向都會對抑塵效果產(chǎn)生影響.表3[20,27-29]對防風(fēng)抑塵網(wǎng)主要影響因素及其應(yīng)對措施進行了歸納總結(jié)，為揚塵控制提供參考依據(jù).實際應(yīng)用中防風(fēng)抑塵網(wǎng)的性能受到多種因素影響，應(yīng)根據(jù)具體情況進行數(shù)值模擬確定所需的最佳技術(shù)參數(shù)[30]，達到防風(fēng)抑塵的目的.

表3 防風(fēng)抑塵網(wǎng)最佳技術(shù)參數(shù)Tab.3 Optimum technical parameters for windproof and dust suppression net

2.2 噴水/抑塵劑抑塵

與防風(fēng)抑塵網(wǎng)相比，噴水/抑塵劑可以用于運輸過程產(chǎn)生揚塵，而且投資相對更低，操作更簡單，應(yīng)用較廣泛[31].噴水抑塵技術(shù)機理是使粉塵與水滴接觸，使其潤濕、凝聚，增大顆粒粒徑或密度，實現(xiàn)沉降粉塵和源頭抑制的效果[32].噴水抑塵存在浪費水資源、保濕時間短、灑水不均勻等問題，在實際應(yīng)用中還需要進一步研究優(yōu)化方案.

抑塵劑是治理揚塵的重要手段，其主要機理是與噴水抑塵機理相似：通過潤濕、凝聚和覆蓋作用，加強顆粒與顆粒之間或顆粒與液體之間物理或化學(xué)反應(yīng)，增大顆粒粒徑或密度，實現(xiàn)揚塵顆?？焖俪两担乐诡w粒物擴散到空氣中[33].抑塵劑主要的機理及特點如表4所示[34-35]，根據(jù)抑塵機理不同，可將抑塵劑分為：潤濕型、粘結(jié)型、凝聚型和復(fù)合型四類.與噴水抑塵效果不同的是，抑塵劑保濕性較好，抑塵效率要高出25%～45%，且有效期較長.但抑塵劑存在成本較高，可能會產(chǎn)生二次污染等問題[33].

表4 不同類型抑塵劑的機理和特點Tab.4 Mechanism and characteristics of different types of dust suppressants

3 密封技術(shù)

密封技術(shù)是將主要產(chǎn)塵點進行密封，有效阻止粉塵外泄，減少粉塵無組織排放.密封技術(shù)主要在原料堆場、出鐵場的點面源排放、材料輸送中的粉塵外逸控制中應(yīng)用.

原料堆場主要是采用密封料場結(jié)構(gòu)，阻止粉塵與風(fēng)的接觸，減少揚塵產(chǎn)生，同時也切斷揚塵向外傳播途徑，減少粉塵無組織排放[36].密封結(jié)構(gòu)一般采用鋼架結(jié)構(gòu)或者膜結(jié)構(gòu).與鋼結(jié)構(gòu)相比，膜結(jié)構(gòu)具有造價低、建造周期短、能耗小等優(yōu)勢，目前應(yīng)用較廣泛，但缺點也比較明顯，夏天內(nèi)部溫度很高，需要考慮通風(fēng)問題[37].

為了避免原料輸送過程中產(chǎn)生的揚塵，一般采用密封裝置進行運輸，比如運輸車加蓋帳篷、密封皮帶運輸?shù)?密封技術(shù)可以有效避免揚塵產(chǎn)生，是實現(xiàn)超低排放的措施之一.張峰等[38]采用雙層密封抑塵技術(shù)，可以對單層密封內(nèi)未捕集的粉塵進行二次阻擾、自沉降和捕集，提高除塵設(shè)施效率.

在出鐵場區(qū)域會有部分煙氣外逸現(xiàn)象，采用密封裝置可以有效減少煙塵無組織排放[39].密封裝置可以分為全封閉結(jié)構(gòu)和半封閉結(jié)構(gòu)兩種方案.全封閉結(jié)構(gòu)可以徹底控制顆粒物排放，達到超低排放，但是不利于出鐵場通風(fēng)，而且占用大量土地，使用企業(yè)較少.半封閉結(jié)構(gòu)可以控制無組織排放的大部分顆粒物，而且占地面積小，投資較少，適用于現(xiàn)有出鐵場改造工程.

4 煙塵捕集裝置

煙塵捕集裝置一般是吸塵罩、風(fēng)機和除塵器的組合，對無組織排放煙塵進行環(huán)境集煙，是控制無組織排放粉塵、煙塵的有效途徑.

4.1 煙塵捕集裝置的類型

煙塵捕集裝置按吸塵罩是否可以移動可分為固定式和移動式.固定式煙塵捕集裝置主要是針對煙塵排放連續(xù)性強、煙塵量大的排放節(jié)點.但是，固定式裝置對煙塵不規(guī)律排放捕集存在滯后性，不能及時有效去除粉塵，導(dǎo)致粉塵外逸車間，影響工人身體健康[12].為了解決這一問題，采用移動式煙塵捕集裝置和密封罩，可以減少粉塵外逸，避免揚塵產(chǎn)生[40].

4.2 除塵器的類型

除塵器作為一種從煙氣中分離粉塵的裝置，可以有效降低工業(yè)煙氣中顆粒物濃度，減少環(huán)境危害.根據(jù)我國顆粒物超低排放需求，除塵設(shè)備的研究和應(yīng)用得到了快速發(fā)展，如靜電除塵器，濾筒除塵器、袋式除塵器、旋風(fēng)除塵器、重力除塵器等等[41-42].目前在鋼鐵行業(yè)中應(yīng)用較多的為靜電除塵器和袋式除塵器.

4.2.1 袋式除塵器

袋式除塵器是工業(yè)除塵最廣泛的手段之一[43]，其主要優(yōu)點為除塵效率高、適應(yīng)性廣、設(shè)備運行較為穩(wěn)定.袋式除塵器的除塵效率和使用壽命主要由氣布比、濾料種類、清灰方式的選擇等多種因素共同決定的[42,44].針對不同除塵環(huán)境，選擇不同濾料，從而達到超低排放要求.在鋼鐵行業(yè)中常用的濾料有中低溫滌綸聚酯，中高溫 PPS(聚苯硫醚)、芳綸、 PI(聚酰亞胺)、PTFE(聚四氟乙烯)、玻璃纖維等[42].鋼鐵企業(yè)可根據(jù)不同工序含塵廢氣溫度、粒徑分布選取符合工況的孔徑濾膜.

4.2.2 靜電除塵器

靜電除塵器因其良好的除塵性能在火電、有色行業(yè)等工況較為復(fù)雜的煙塵系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用.靜電除塵器的除塵效果會受到多種因素的影響，除了煙塵自身對除塵效果的影響外，也會受到放電極形式和材質(zhì)、電壓、溫度、集塵板材質(zhì)等因素影響.XU等[45]研究結(jié)果表明在 300 K 下使用電鋸電極提高了除塵效率，尤其是直徑小于 0.1 μm 細(xì)顆粒物.YUAN等[46]研究顯示溫度對靜電除塵效果影響較大，歸因于溫度增高導(dǎo)致了電壓下降.LI等[41]研究揭示了電暈放電引導(dǎo)旋渦可以提高細(xì)顆粒物捕集效率，電壓過高導(dǎo)致不穩(wěn)定的湍流或旋渦從而降低細(xì)顆粒物聚集效果.

表5列出了袋式除塵器和靜電除塵器的主要優(yōu)缺點[46-47]，生產(chǎn)實踐中可依據(jù)煙塵特點選擇合適的除塵器類型.

表5 兩種除塵器的技術(shù)對比Tab.5 Technical comparison of two types of dust collectors

除了上述兩種比較常見的除塵器類型外，還有多種技術(shù)組合而成的復(fù)合除塵器，比如電袋復(fù)合除塵、旋風(fēng)濾筒除塵、靜電旋風(fēng)除塵等.復(fù)合除塵技術(shù)可以提高除塵效率，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，能耗較高.在鋼鐵行業(yè)中，為了去除不同工序煙氣中顆粒物，常常使用靜電除塵和袋式除塵相結(jié)合的方式以提高捕集顆粒物的效果.電袋復(fù)合除塵器既彌補了靜電除塵器對細(xì)顆粒物捕集效率低的問題，也減少了袋式除塵器濾芯更換頻率，是一種可行、高效、前途廣闊的煙塵捕集方式[48].

5 高爐全流程無組織排放粉塵治理工藝推薦

高爐煉鐵工藝流程主要包括上料系統(tǒng)、煤粉制備系統(tǒng)、熱風(fēng)爐系統(tǒng)和出鐵場系統(tǒng)等，不同工序、環(huán)境條件和無組織排放粉塵特點各異，只有充分考慮工藝特點，才能設(shè)計出符合工藝要求的除塵系統(tǒng)，以實現(xiàn)最大程度地減少無組織排放粉塵量.例如，出鐵場作為高爐煉鐵工藝中無組織排放粉塵占比最高，其主要特點為煙氣溫度高、揮發(fā)性大，因此適宜的移動除塵裝置，對易產(chǎn)塵點使用密封罩等密封結(jié)構(gòu)，可以大大降低無組織排放量.

因此，在充分考慮高爐工序的原料堆存、輸送以及煙氣成分、無組織排放特征和操作工況的前提下，推薦高爐工序全流程無組織排放粉塵治理工藝如圖2所示.可以看出以全生命周期的視角，最大限度地降低顆粒物的無組織排放量，或?qū)o組織排放轉(zhuǎn)變?yōu)橛薪M織排放，再從有組織排放的角度設(shè)計煙塵收集系統(tǒng)，可以大大提高高爐煉鐵工藝的清潔生產(chǎn)水平.

圖2 高爐全流程無組織排放粉塵治理工藝流程圖Fig.2 Process flow diagram for the treatment of unorganised dust emissions from the whole blast furnace process

6 結(jié)語與展望

目前，鋼鐵行業(yè)高爐工藝有組織排放源得到了有效控制，為實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的超低排放目標(biāo)，就必須高度重視高爐粉塵無組織排放的控制問題，而高效抑塵技術(shù)是實現(xiàn)粉塵超低排放的一種有效手段.通過抑塵技術(shù)和密封除塵技術(shù)有效解決原料堆存和運輸過程的揚塵污染問題，通過不同類型除塵裝置聯(lián)用降低高爐生產(chǎn)過程中的粉塵排放問題.本文總結(jié)了常見的無組織粉塵控制技術(shù)，從技術(shù)原理和實踐參數(shù)的角度對現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)缺點進行了剖析，發(fā)現(xiàn)單一的抑塵技術(shù)普遍存在局限性，難以徹底解決高爐工藝粉塵無組織排放問題，建議未來研究關(guān)注以下方向：

1) 針對高爐工藝中主要產(chǎn)塵點開發(fā)新型粉塵抑制及凈化技術(shù)，減少無組織粉塵排放量；

2) 針對各企業(yè)高爐操作工況差異大開發(fā)與高爐設(shè)計相匹配的固定與移動結(jié)合的除塵器；

3) 針對傳統(tǒng)單一的除塵設(shè)計難以高效去除細(xì)顆粒物的問題，建議從源頭抑制-過程控制-末端治理全生命周期的角度，實現(xiàn)有組織和無組織粉塵的同步治理，最大限度減少顆粒物排放.