轉爐一次煙氣超低排放技術現狀及展望

劉國華,謝 建

(1.中冶賽迪技術研究中心有限公司,重慶 401120;2.中冶賽迪重慶信息技術有限公司,重慶 401120)

鋼鐵行業是我國大氣污染的重要來源,據測算,2017年鋼鐵行業顆粒物排放量為281萬t,超過電力行業成為工業部門最大的污染物排放來源。其中轉爐煉鋼過程中產生的轉爐一次煙氣,因煙氣成分復雜、溫度波動大,需要相應的除塵系統穩定可靠。隨著國內鋼鐵企業環保要求的提高,現有的除塵工藝已不能滿足煙氣達標排放。目前針對轉爐一次煙氣除塵,國家排放限值為50 mg/m3,而東部沿海地區某些鋼鐵企業排放值已經做到20 mg/m3甚至10 mg/m3以內[1-3],表1列舉了國內外轉爐一次除塵排放限值,可以看出,國內某些地方標準比國外的排放限值更加嚴苛。

表1 國內外轉爐一次除塵排放限值

1 轉爐一次煙氣技術現狀

現有的轉爐一次除塵工藝技術,主要有兩類[4]：濕法系統(以下簡稱OG濕法)和干法系統(以下簡稱LT干法)。

1.1 OG濕法

轉爐吹氧冶煉過程中,產生的高達1 600 ℃的含塵煙氣從爐口進入活動煙罩,流經汽化冷卻煙道換熱后,溫度下降到1 000 ℃左右。隨后,含塵煙氣進入回收凈化系統,首先一級文氏管對煙氣進行再次冷卻及粗除塵,之后二級文氏管對煙氣進行精除塵。被凈化的煤氣由脫水裝置脫水后,經引風機增壓,合格的煤氣(CO含量不低于10%,氧氣含量不高于2%)被輸送到煤氣柜回收,不合格的煙氣通過煙囪,經點火燃燒后放散。該技術于20世紀80年代引入我國,經過三十多年的技術迭代,現在的新OG技術已由最初的兩級文氏管結構進化成兩級噴淋塔+環縫式可調文氏管結構,對顆粒物的凈化精度也由最初的100 mg/m3降至50 mg/m3。據不完全統計,到2011年,我國超過611座轉爐仍采用傳統的OG技術[5-6],占據了國內轉爐煤氣處理的主要地位。

1.2 LT干法系統

20世紀60年代末,德國的魯奇公司和蒂森鋼廠聯合開發研制成功了LT法轉爐煤氣處理技術研制成功。高達1 600 ℃的轉爐煙氣經汽化冷卻煙道換熱后,溫度下降至800～1 000 ℃,隨后經蒸發冷卻器處理,出塔溫度變到180～200 ℃,并且粗顆粒物被收集,同時由于塔內噴霧使煙氣被加濕調質,降低了所含粉塵的比電阻,以便于其能適于電除塵器的處理。經過粗除塵的煤氣隨后進入精除塵裝置—圓筒型電除塵器,通過進一步除塵處理后,其粉塵含量降至20 mg/m3左右。1994年,我國寶鋼第二煉鋼廠建造了一座250 t的轉爐,并且第一次引進了奧鋼聯的轉爐煤氣干法除塵技術,在探索和研究該技術的基礎上,西安某研究所開展了《轉爐煤氣干法電除塵器關鍵技術預研究》的科研項目,并于2001年10月對其進行了技術改造,這是國內首次對該項技術進行深入的研究。中冶京誠、中冶賽迪等單位及國內其他鋼廠針對干法除塵系統運行中出現的問題,總結經驗,不斷探索、研發,進行了諸多改進,開發出了國產化的干法除塵系統。由于技術轉讓費大幅降低,國產化率提高,該工藝投資大幅減少,2006年以后,國內許多鋼鐵公司意識到了轉爐煤氣干法除塵回收技術的先進性、優越性,也都在新建轉爐中采用LT法或采用LT法對原有OG系統進行改造,如江陰興澄特鋼100 t轉爐、太鋼180 t轉爐、天鐵80 t轉爐等。至今,我國已有近百套轉爐煤氣干法除塵系統投入運行。

2 轉爐一次煙氣超低排放改造方案

2.1 OG濕法系統改造

OG法采用水洗的方式進行煙氣除塵,新一代OG法用飽和冷卻塔取代溢流文氏管后,阻力降低4 kPa[7],精除塵使用環縫洗滌塔,除塵效率高,不易堵塞,煙氣總排放濃度低至50 mg/m3。盡管該工藝有了很大的改進,系統阻損大、能耗高、循環用水量大等根本性問題并未得到改變,且未能達到一些地方更為嚴苛的超低排放標準,需要改造,表2列出了市面常見的改造方案[7-10]。

表2 OG法改造方案技術特點

可以看出,OG法改造的四種方案各不相同,OG改LT的方案,面臨改造周期長,改造難度大,廠房內結構受限、設備區用地不足等問題。實踐表明,若改造過程中蒸發冷卻器的粗除塵效率低于20%,會導致干式靜電除塵器負載過大進而引起煙氣排放超標的問題。OG+濕電除塵的方案,利用靜電吸附原理實現煙氣除塵,無需停爐改造,除塵效率高,因新增了一套濕電設備及配套循環水系統,從而增加了運行成本。OG+聲波除塵(見圖1)、OG+相變凝并除塵(見圖2)均采用輔助手段將微細顆粒物凝并成易捕捉的大粒徑粉塵,除塵機理尚未成熟,除塵效率也受到一定限制。

圖1 OG+濕電(聲波)除塵

圖2 OG+相變凝并除塵

2.2 LT干法系統改造

相比OG法,LT法則是利用重力除塵與靜電除塵相結合的方式進行粉塵捕集,除塵效率高,能耗低,無污水處理,回收煤氣熱值高且回收煤氣量大,是目前冶金行業鼓勵使用的技術。隨著該項技術日益成熟,新建的LT除塵裝置(見圖3),煙氣出口排放能達到超低排放要求的10 mg/m3。而已建LT裝置,因維護、操作等原因,存在冶煉周期內粉塵排放瞬時超標的問題,面臨改造[11],改造方案見表3。

圖3 LT+布袋(金屬濾網)除塵

表3 LT法改造方案技術特點

上述改造方案均有應用,總體而言,因現有LT除塵系統中風機出口壓頭設計時未考慮設置精除塵設備,若出口壓頭富余量不足而進行改造,會導致風機流量下降,影響除塵效果及煤氣回收量。對于布袋除塵、金屬濾網除塵而言,設備必須采取加熱保溫措施,保證核心除塵區域的溫度高于煙氣露點溫度,以防糊袋現象發生,如圖4所示。濕電除塵則需要做好殼體、陽極板的防腐蝕工作。

圖4 LT+濕電除塵

2.3 改造技術難點及可行性分析

OG法除塵因無法實現轉爐一次煙氣超低排放,改造需求迫切。不同煉鋼廠總圖規劃不同,改造的方案存在較大差異。OG除塵改LT除塵,以120 t轉爐為例,需要設備區有約110 m×45 m的區域進行電除塵器、風機等設備布置,同時廠房塔樓內蒸發冷卻器有足夠的高度實現煙氣降溫、粉塵團聚及調質,前者決定工程改造的可行性,后者決定改造的粉塵濃度是否達標。OG除塵+濕電的改造,相同爐容,需要設備區有10 m×15 m的區域進行濕式電除塵器、循環水系統布置,考慮轉爐一次煙氣易爆特性,需要通過冶煉工藝控制、煙氣成分檢測控制降低設備泄爆率。OG+聲波除塵改造,相同爐容,需設備區6 m×6 m的區域布置管式除霧器,內含超聲波發生器,若要實現煙氣超低排放,入口粉塵濃度不宜超過50 mg/m3。OG+相變凝并除塵改造,需要在風機后布置一級多孔膜式脫水器,洗滌塔內注入蒸氣,促進細微顆粒物長大,并通過膜式脫水器將顆粒物除去,公開資料表明,若要實現煙氣超低排放,入口粉塵濃度同樣不宜高于50 mg/m3。

新建的LT法除塵,通過煤冷前移等措施,基本可實現煙氣超低排放。對于運行多年的LT系統而言,因維護不到位、蒸發冷卻器除塵效率過低等問題,煙氣排放存在瞬時超標而面臨改造?？紤]場地問題,所有改造方案均設置在風機后,LT+耐高溫布袋除塵與LT+金屬濾網除塵在除塵機理上沒有本質區別,決定該技術可行性的關鍵在于,高溫高濕煙氣進入設備內部后,不能發生結露,否則濾筒糊袋,系統失去除塵效能。

3 轉爐一次煙氣超低排放技術展望

隨著“雙碳”政策的推進,國內各行業均將節能減排策略提高到戰略高度。對于轉爐煉鋼而言,提高轉爐一次煙氣余熱回收率是轉爐冶煉降碳的重要手段。轉爐一次煙氣經轉爐汽化冷卻煙道冷卻至800 ℃左右,然后經過轉爐粗除塵器將煙氣中帶明火的大顆粒除去,經粗除塵后的煙氣通過絕熱煙道進入布置在塔樓邊的中低溫余熱鍋爐,在余熱鍋爐內轉爐煙氣被冷卻到200 ℃以下,最后進入精除塵器中進行精除塵,將煤氣除塵至10 mg/m3,不達標的煤氣通過煙筒放散,合格的煤氣進入煤氣回收系統,如圖5所示。

圖5 轉爐煙氣低溫余熱回收及除塵工藝流程圖

為保證精除塵效果,靜電除塵器也可用金屬濾袋或陶瓷濾筒除塵器替代,煙氣粉塵濃度穩定小于10 mg/m3。目前,國內外多家單位進行了轉爐煤氣中低溫段余熱回收技術的開發,并進行中試研究。與傳統的OG法和LT法除塵系統相比,可以減少水和蒸汽的消耗;比傳統除塵工藝多回收蒸汽50～70 kg/t 鋼;系統運行阻力是傳統OG除塵系統的1/3,一次風機電機耗電降低2/3,純干法回收粉塵[12]。

4 總 結

(1)OG系統超低排放改造,OG改LT,需考慮設備區場地是否夠用,此外還需考慮廠房塔樓的高度是否匹配,是否能夠接受較長的停爐改造時間;OG+濕電改造,除考慮設備區場地面積外,還要采取措施降低濕電內部發生泄爆的幾率;OG+聲波除塵、OG+相變凝并除塵需要注意煙氣入口濃度的限值。

(2)老舊LT系統超低排放改造,LT+布袋除塵、LT+金屬濾網除塵需考慮軸流風機壓頭是否留有足夠富余量;LT+濕電,需要采取措施降低濕電內部發生泄爆的幾率。

(3)提高轉爐一次煙氣余熱回收率是降碳的重要手段,也是技術發展的趨勢,通過對高、中溫煙氣的余熱回收,提高噸鋼蒸氣產量及煤氣熱值的同時,實現煙氣超低排放,盡管目前還有些技術問題需要解決,但相信該工藝具有很大的開發潛力。