轉(zhuǎn)爐煙氣超低排放復(fù)合技術(shù)的研究與應(yīng)用

陶有志，韓渝京，李 鵬，曹勇杰

（北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司；北京市冶金三維仿真設(shè)計工程技術(shù)研究中心，北京 100043）

1 研究背景

首鋼遷鋼公司一煉鋼廠建設(shè)3座210 t轉(zhuǎn)爐，轉(zhuǎn)爐煙氣一次除塵采用兩文三脫濕法除塵工藝（OG法），多年來系統(tǒng)運行正常，放散煙囪粉塵排放濃度80～100 mg/m3，近年來國家環(huán)保政策一再降低粉塵排放濃度，先后制定了《煉鋼工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，同時當(dāng)?shù)卣渤雠_了《河北鋼鐵工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，自2015年1月1日起，煉鋼轉(zhuǎn)爐一次煙氣執(zhí)行排放煙塵濃度＜50 mg/m3標(biāo)準(zhǔn)。為確保轉(zhuǎn)爐一次除塵達標(biāo)排放，同時考慮京津冀地區(qū)的特殊地理位置，將來環(huán)保指標(biāo)進一步提高的可能性，有必要對一煉鋼一次除塵系統(tǒng)進行技術(shù)改造，經(jīng)過大量的前瞻性技術(shù)探討和多個工藝流程的對比篩選工作，最終提出在保留已有濕式除塵工藝流程的基礎(chǔ)上嵌入濕式電除塵裝置及相應(yīng)的安全防爆裝置和煤氣水封安全裝置，使除塵運行安全、可靠、連續(xù)，達到國家環(huán)保指標(biāo)。

2 工藝流程的創(chuàng)新及關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)

首鋼遷鋼一煉鋼轉(zhuǎn)爐煙氣除塵，投產(chǎn)于2004年，能滿足建廠期間的國家環(huán)保要求。隨著京津冀環(huán)保要求的進一步提高，特別是當(dāng)?shù)卣畬掍摲蹓m的進一步約束排放量，要求煉鋼一次煙氣粉塵排放量＜30 mg/m3。因此在運行的一次除塵裝置達不到環(huán)保指標(biāo)的升級約束，直接影響首鋼遷鋼煉鋼廠正常生產(chǎn)秩序。在這種嚴(yán)峻考驗下，首鋼國際工程公司對一煉鋼轉(zhuǎn)爐煙氣一次除塵工藝進行流程再造，嵌入超低粉塵凈化設(shè)備，其工藝流程初期主要考慮有幾個方面，涉及深度凈化的工藝設(shè)備選擇；超低凈化工藝設(shè)備在流程中的位置；3座轉(zhuǎn)爐是共用超低凈化工藝單元還是一爐單個專用超低凈化設(shè)備的二者優(yōu)劣性分析；已有的一次除塵備用風(fēng)機與深度凈化工藝高效相銜接等流程的工藝優(yōu)化，最終篩選了濕式電除塵作為超低凈化工藝的載體，采用單個轉(zhuǎn)爐單個電除塵器的專用固定模式，確定了濕式電除塵器位置在已有轉(zhuǎn)爐煙氣一次除塵風(fēng)機前嵌入的最終優(yōu)化技術(shù)方案。隨后根據(jù)優(yōu)化的工藝流程，分析了濕式電除塵器嵌入在原有系統(tǒng)后的工藝流程的相關(guān)操作，以及濕式電除塵器本體設(shè)備高效除塵的可行性，分析帶電霧滴除塵效果的提升和濕式電除塵的防泄爆防中毒工藝安全問題。重點研究內(nèi)容主要包括轉(zhuǎn)爐煙氣濕式電除塵器本體的工藝，轉(zhuǎn)爐煙氣濕式電除塵的工藝控制；轉(zhuǎn)爐煙氣濕式電除塵系統(tǒng)的安全抑泄爆工藝流程及主要工藝參數(shù)的確定，濕式電除塵排水本質(zhì)安全設(shè)計及控制；在考慮除塵效率的經(jīng)濟性時，提出了兩個節(jié)能型環(huán)保概念，即基礎(chǔ)苛刻粉塵排放節(jié)能目標(biāo)（粉塵排放濃度＜10 mg/m3）；粉塵排放節(jié)能目標(biāo)（粉塵排放濃度＜30 mg/m3），同時轉(zhuǎn)爐煙氣一次除塵系統(tǒng)的CO防爆及防中毒的本質(zhì)安全工藝的研發(fā)等配套的關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。三項關(guān)鍵技術(shù)形成本次一煉鋼超低排放的復(fù)合技術(shù)。

經(jīng)過全面系統(tǒng)的研究分析，轉(zhuǎn)爐煙氣濕式一次除塵深度凈化工藝技術(shù)，從原理、流程、關(guān)鍵技術(shù)、配套工藝等方面完全滿足了升級改造的需求，同時與總圖布置優(yōu)化等工廠設(shè)計要素的環(huán)節(jié)積極有效結(jié)合，也就具備了開工建設(shè)的工程條件。

2.1 改造后的工藝流程

轉(zhuǎn)爐煙氣→活動煙罩→汽化冷卻煙道→噴淋降溫塔（簡稱一文）→可調(diào)喉口文氏管（簡稱二文）→濕旋脫水器→防爆圓筒型濕式電除塵器→一次除塵風(fēng)機→三通切換閥→ 水封逆止閥→U形水封→煤氣柜→旁通閥→煤氣放散塔。

濕式電除塵器作為除塵系統(tǒng)主要工藝裝置確認(rèn)后，就要分析其技術(shù)特征確認(rèn)其在流程中的位置，濕式電除塵器可以實現(xiàn)粉塵排放濃度的降低，其位置可以在放散煙囪之前，直接減少對環(huán)境粉塵排放濃度，也可以在一次除塵風(fēng)機之前，在滿足對空排放濃度及煤氣柜后轉(zhuǎn)爐煤氣各用戶的需求。同時又能將原有煤氣柜后的精除塵設(shè)備拆除，此流程理論既環(huán)保又節(jié)能，因此確定其工藝流程為在一次除塵風(fēng)機前嵌入濕式電除塵器裝置。

圖1 改造后的工藝流程簡圖

以上流程中，防爆圓筒型濕式電除塵器為新增加工藝設(shè)備，其余為已有設(shè)施。轉(zhuǎn)爐煙氣在煉鋼廠房內(nèi)進行濕法除塵后，重新進入新增的防爆圓筒型濕式電除塵器進行精除塵，經(jīng)除塵后的煙氣粉塵濃度＜10 mg/m3。濕法電除塵器排水送至水處理系統(tǒng)。

新增防爆圓筒型濕式電除塵器位于廠房外，1座轉(zhuǎn)爐配套1臺，本工程共3臺，安裝于進入風(fēng)機房外已有一次除塵煤氣管道之間，其主要組成包括圓筒形殼體、圓錐形進出口、鋼支架、安全排放裝置、內(nèi)部件(包括陰陽極、氣流進出口分布板、脫水裝置)、噴洗管路系統(tǒng)、高壓電源系統(tǒng)、走梯平臺等。

2.2 圓筒形濕法臥式電除塵器工作原理及主體設(shè)備

2.2.1 工作原理

含有粉塵顆粒的飽和濕度煙氣，在接有高壓直流電源的陰極線(又稱電暈極)和接地的陽極板之間所形成的高壓電場中通過時，由于陰極發(fā)生電暈放電、氣體被電離，此時，塵粒顆粒荷以負(fù)電，荷電后的塵粒在電場力的作用下，向陽極運動。到達陽極后，放出所帶的電子，塵粒則沉積于陽極板上，通過周期性沖洗，將塵粒沖下排走進行處理。

2.2.2 收塵極板

濕式電除塵器內(nèi)部是接地收塵板組成的15通道。收塵板的設(shè)計為濕式除塵而進行了優(yōu)化。收塵板為4 mm厚的碳鋼板，厚度考慮了足夠的磨損系數(shù)。

圖2 濕式電除塵器收塵極板

2.2.3 放電極線

在通道內(nèi)部，放電極與負(fù)高壓連接布置在懸架上。放電極設(shè)計為RS型，實現(xiàn)了帶低電暈截止電壓的最佳放電，電極材質(zhì)為不銹鋼。

圖3 濕式電除塵器放電極線

2.2.4 霧化水、沖洗水系統(tǒng)

為確保除塵器內(nèi)部煙氣處于濕度飽和狀態(tài)，確保除塵器放電吸塵效果，在煤氣分配器前和每個電場前安裝了霧化噴嘴。霧化水系統(tǒng)連續(xù)工作。霧化噴頭僅有一種，共計230個。

為清洗收塵板和放電極上的粉塵，電除塵器的每個電場都安裝了沖洗水系統(tǒng)。沖洗水系統(tǒng)僅在轉(zhuǎn)爐非吹煉階段沖洗。1電場沖洗7～10 min，2電場沖洗3～5 min。為確保最佳的清洗效果，沖洗噴嘴不僅安裝在電除塵器頂部（150個），而且安裝在每個電場的前面（348個）和后面（90個）。沖洗噴頭有三種共計588個。

2.2.5 高壓電源系統(tǒng)

電除塵器共有兩個電場，分別配有一個高壓變壓器。

一電場為三相整流變壓器，功率為54 kW，二次側(cè)額定升壓90 kV，額定電流600 mA；

二電場為單相整流變壓器，功率為28 kW，二次側(cè)額定升壓72 kV，額定電流400 mA。

2.3 防泄爆安全噴氮裝置

由于新增加了濕式電除塵器，工藝流程上形成了完整的氣體爆炸三要素，當(dāng)達到爆炸條件時發(fā)生爆炸事故，我們將轉(zhuǎn)爐干法除塵泄爆原理及技術(shù)移植到本系統(tǒng)中，同時又進一步進行了優(yōu)化。轉(zhuǎn)爐冶煉時，在開始下槍吹氧和結(jié)束吹氧提槍時的煙氣易處于爆炸極限范圍，稀釋煙氣中氧氣濃度，在煉鋼氧氣閥門打開和煉鋼氧槍提槍后的一段時間內(nèi)噴吹氮氣，可顯著提高系統(tǒng)的安全性。本項目在二級文氏管出口設(shè)置氮氣噴吹，布置在煉鋼主廠房高跨平臺上，噴吹氮氣流量8000～10000 m3/h，噴水時間為30～40 s；噴氮設(shè)施主要包括快切閥、調(diào)節(jié)閥、流量計等設(shè)施。

2.4 電除塵器底部污水排水水封裝置

電除塵器下部設(shè)有排水水封，其作用是在排水的同時防止空氣進入電除塵器內(nèi)部，但由于排水器上部空間容易匯聚煤氣隨水流出，本項目在排水器頂部增加一個高空放散管，防止回水裹挾煤氣排出，消除了安全隱患。

遷鋼煉鋼一次煙氣超低凈化采用的精除塵設(shè)備是濕式電除塵，在吹煉期與非吹煉期都會有清洗水排出，同時該濕式電除塵器處于一次風(fēng)機前，為負(fù)壓段，根據(jù)水量大小確定了其排水器的筒體直徑DN1600和水封高度，為做本質(zhì)安全排水器，在排水器本體、上部設(shè)置了高放散管，讓溶解到水里的煤氣直接從放散管中高空排放，同時為了強化安全的可靠度，在污水沿途采用密閉輸送管道，在到達污水沉降池時再設(shè)置高端煤氣放散管進一步排凈污水中的殘余煤氣，同時在污水處理設(shè)施設(shè)置了多組的CO檢測裝置及時處理CO，提高安全的可靠度。

3 實施效果

采用了精除塵設(shè)備濕式電除塵器，噴氮防泄爆安全裝置、電除塵器專用安全型排水器及污水處理CO檢測技術(shù)這三項復(fù)合技術(shù)后，遷鋼一煉鋼改造項目正式啟動。2015年4月15日，首鋼遷鋼一煉鋼廠濕式一次除塵升級改造項目中2#轉(zhuǎn)爐率先動工，當(dāng)年12月底投入使用，2016年6月和9月底第2座、第3座轉(zhuǎn)爐改造相繼投產(chǎn)，升級改造后的粉塵排放濃度經(jīng)過第三方檢測，其指標(biāo)為＜10 mg/m3，達到設(shè)計要求，環(huán)保指標(biāo)得到大幅度提高，在高效環(huán)保、節(jié)能減排方面效果顯著；一次風(fēng)機前排水器水量無顯著變化，濕式電除塵器入口煙氣溫度69℃，出口煙氣溫度64℃，濕式電除塵器阻力降200 Pa，運行至今未出現(xiàn)CO泄爆現(xiàn)象，電除塵器污水排放系統(tǒng)安全運行，全部達到了復(fù)合技術(shù)所應(yīng)達到的預(yù)期效果，全面、安全、穩(wěn)定地完成了一煉鋼改造項目。

4 結(jié)語

首鋼遷鋼一次除塵超低凈化升級改造工程，目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達到了較好的運行效果，且濕法電除塵器與煉鋼提槍聯(lián)鎖條件少，對煉鋼影響小，泄爆控制更加有效，煤氣水封安全可靠；沖洗水清灰方式，避免粉塵二次夾帶現(xiàn)象，也避免了干法除塵的尾煙現(xiàn)象。排放煙塵濃度滿足國家和地方的環(huán)保要求，取得明顯的環(huán)境效益和社會效益。

首鋼國際工程公司在轉(zhuǎn)爐煙氣除塵領(lǐng)域進行濕式電除塵器超低改造的成功嘗試和實施，為冶金行業(yè)環(huán)保開辟了一條新路，為破解煉鋼一次除塵干/濕技術(shù)瓶頸和環(huán)保難題積累了豐富的經(jīng)驗，引領(lǐng)了可借鑒的技術(shù)方向。