轉爐一次干法除塵超低排放改造方案分析

黃建東,張裕明

(寶山鋼鐵股份有限公司煉鋼廠,上海 200941)

1 概述

轉爐一次干法除塵技術(LT)是一種先進的轉爐煤氣除塵與回收的工藝方法,其煙氣凈化效果、能耗、工廠占地面積等方面都明顯優于傳統的OG濕法除塵技術[1-2],是國際上公認的轉爐一次除塵發展方向[3]。寶山鋼鐵股份有限公司二煉鋼現有3座300 t轉爐,一次除塵系統采用LT法干式除塵技術。4#、5#轉爐于1998年投運,由德國魯奇公司負責設計和調試;6#轉爐于2006年投運,由奧鋼聯負責設計和調試。改造前LT法回收轉爐煤氣工藝流程如圖1所示。4#和5#轉爐的LT系統在2008年進行了局部優化改造,主要在蒸發冷卻器內增加蒸汽噴嘴和聲波清灰器,在靜電除塵器一電場增加三相電源和聲波清灰裝置。二煉鋼3座轉爐的LT系統經過多年高負荷運轉,設備存在劣化,煙囪粉塵排放濃度已很難達到設計指標。由于LT設備的維護和功能性缺陷,二煉鋼廠房和LT煙囪可見煙塵頻發,不符合超低排放要求,對周圍環境造成了影響。LT風機設計能力偏弱,煙氣捕集能力不足,制約轉爐吹煉達不到設計供氧強度,影響轉爐生產效率,急需對現有LT系統進行改造。

2 LT系統存在的主要問題及改造目標

2.1 主要問題

(1) 蒸發冷卻器筒體內壁積灰嚴重,清理頻率和勞動強度高,大塊落灰經常損壞底部香蕉彎輸灰鏈條,嚴重制約轉爐正常生產,須停爐檢修。

(2) 蒸發冷卻器出口溫度控制不穩定,在200～280 ℃之間波動。

(3) 粗灰經常潮濕結塊,影響氣力輸送。

(4) 粉塵排放濃度高,煙囪經常有可視煙塵外逸。

(5) 系統排煙能力不足,吹氧時爐口外逸煙塵多。

(6) 電除塵器響爆發生多,每月響爆2～6次/爐。

2.2 改造目標

(1) 每個爐役(約8個月5 600爐)蒸發冷卻器積灰厚度≤50 mm。

(2) 煙囪顆粒物排放≤10 mg/m3。

(3) 最大供氧強度72 000 m3/h條件下爐口煙氣無外溢。

(4) 靜電除塵器泄爆次數≤1次/月(單爐座)。

3 LT系統主要問題原因分析及解決方案

3.1 蒸發冷卻器積灰嚴重

3.1.1 原因分析

蒸發冷卻器具有對一次干法除塵煙氣降溫和調質的作用,降溫及調質的效果決定著干法除塵系統運行效果。整個干法除塵系統設備,對煙氣具有調節功能的只有蒸發冷卻器,因此蒸發冷卻器是干法除塵系統的工藝核心設備。必須保證蒸發冷卻器出口煙氣溫度穩定,如果蒸發冷卻器出口煙氣溫度波動大,靜電除塵器入口煙氣溫度波動大,粉塵比電阻波動大,靜電除塵器的除塵效果波動也會大,且煙氣量波動也會大。溫度波動大也會導致設備頻繁熱脹冷縮,對設備的使用壽命極為不利;煙氣量波動大導致風機頻繁調速,對風機的使用壽命不利;風機的頻繁調速反過來影響蒸發冷卻器內部的煙氣量,進一步影響蒸發冷卻器的噴水量和出口煙氣溫度,從而加劇整個系統的溫度不穩定、煙氣量不穩定,系統很難達到最佳的平衡點,周而復始,導致整個系統除塵效果、設備運行狀態每況愈下,縮短大修時間、影響轉爐生產[4]。

寶鋼股份二煉鋼原LT系統初始設計存在荒煤氣管道太短的問題(約80 m),荒煤氣管道降溫的空間很小,為達到電除塵器適宜除塵的溫度要求,蒸發冷卻器出口溫度控制得較低,設定值僅為200 ℃。為達到較低的出口設定溫度,蒸發冷卻器基礎噴水量較大,很容易噴射過量的水,過量的水在蒸發冷卻器內難以完全蒸發,導致煙氣含濕量過高,粉塵濕潤度過大,就會出現粗灰濕灰和筒體內壁積灰現象,也容易導致粉塵粘在電除塵器極板極線上難于振落,導致電除塵器反電暈現象嚴重,二次電流較低,影響電除塵器的除塵效果。

3.1.2 解決方案

第一步是降低原蒸發冷卻器的基礎噴水量。在荒煤氣管道上靜電除塵器入口區域增加二級蒸發冷卻設備,原蒸發冷卻器出口設定溫度由原來的200 ℃提高至230～250 ℃,再通過二級蒸發冷卻器將煙氣溫度降低至電除塵器適宜除塵的溫度。原蒸發冷卻器出口設定溫度的提高,大大降低了噴水量,有效解決了原噴水量較大無法完全蒸發導致蒸發冷卻器積灰的問題。圖2是二級蒸發冷卻器結構形式及設置位置。

圖2 二級蒸發冷卻器結構形式及設置位置Fig.2 Process flow diagram and set position of secondary evaporation cooler

第二步是升級原蒸發冷卻器的噴水工藝控制模型,保持出口溫度穩定。吹煉開始階段根據蒸發冷卻器進出口煙氣溫度階梯調節噴水,當系統檢測到溫度達到某一個閾值時,可以自動選擇合適的供水量,從而解決了轉爐開吹階段溫度上升過快引起的噴水量不足和溫度上升過慢引起的噴水量過多的問題;吹煉中期根據煙氣流量和蒸發冷卻器進出口溫度PID調節噴水。此噴水工藝模型的運用使得蒸發冷卻器的噴水調節真正實現自動化無人干預調節,使得系統的噴水調節更加精準,為后續工藝流程提供了良好的保障[5]。噴水工藝控制模型升級改造后,原蒸發冷卻器出口煙氣溫度穩定,避免了噴水量超調導致的積灰問題。圖3是升級改造后的原蒸發冷卻器出口溫度曲線。

圖3 升級改造后的原蒸發冷卻器出口溫度曲線Fig.3 Outlet temperature curves of evaporation cooler after upgrading

3.2 凈化后煙氣粉塵濃度降低

(1) 通過上述蒸發冷卻器升級改造方案,保證了靜電除塵器入口煙氣溫度穩定、煙氣比電阻穩定,靜電除塵器的除塵效率提升。避免了進入靜電除塵器內的煙氣存在未完全蒸發的液滴,解決了靜電除塵器極板極線結垢積灰影響除塵效率的問題。

(2) 由于原靜電除塵器內煙氣溫度不穩定、煙氣含有未完全蒸發的液滴,導致極板極線變形腐蝕嚴重,本次改造更換了極板極線。陰極振打系統原設計為頂部凸輪傳動側部振打方式,當凸輪轉到一定位置時,振打錘提升到一定高度同時落下敲擊振打砧實現振打,這種振打方式在長期運行中如出現磨損或提升裝置偏移,導致振打錘提升高度不足,振打力小無法清除陰極框架積灰,易形成反電暈影響靜電除塵器的除塵效率。為提高清灰率和降低設備故障頻率,陰極振打由提升振打改為撥叉振打。為改進電場內極線、極板及氣流分布板的振打效果,將電場內部的振打錘改為仿形撓臂錘方式。為提高極線壽命,極線采用一體化激光切割技術。

(3) 原靜電除塵器的高壓電源為單相電源,除塵效率低,本次改造將高壓電源升級為三相智能IGBT高頻電源電壓。圖4是三相智能IGBT高頻電源輸出電壓曲線。從曲線可以看出,三相智能IGBT高頻電源電壓特性強,輸出波紋極小,接近純直流電源,除塵效率較單相電源可提升20%。

圖4 三相智能IGBT高頻電源輸出電壓曲線Fig.4 Output voltage curve of three-phase intelligent IGBT high-frequency power supply

(4)上述措施保證了靜電除塵器的基本除塵效率,這是實現系統超低排放最根本的需要,也是系統長期穩定運行最根本的需要。為達到煙氣中粉塵含量≤10 mg/m3的排放要求,進一步增設了超低排放設備。采用煤氣冷卻器前置的技術,每套系統在原有軸流風機消音器和切換站之間增設1座煤氣冷卻器、1座除霧器和1座濕式電除塵器,除霧器放置在煤氣冷卻器上部,濕式電除塵器放置在除霧器上部。在新增煤氣冷卻器內,為了滿足煤氣柜回收煤氣溫度要求,需要大水量噴淋通過熱交換將煤氣溫度冷卻至≤70 ℃,同時對煙氣進行洗滌,煙氣會帶出大量粒徑較大的水滴,因此經煤氣冷卻器噴淋冷卻后的煙氣在進入濕式電除塵器之前需要先經過除霧器除霧,經過除霧器的煙氣再經過濕式電除塵器進行精除塵,濕式電除塵器精除塵后煙氣中粉塵含量≤10 mg/m3。

3.3 原系統排煙能力不足

原系統軸流風機按照300 t轉爐、最大吹氧量72 000 m3/h設計,但實際吹氧量超過55 000 m3/h時爐口就出現煙塵外逸現象,因此風機實際能力達不到最大吹氧量72 000 m3/h的冶煉要求。

解決方案的第一步是重新進行風機設計選型,增大了風機的能力。表1為新風機與原風機參數對比表。

表1 新風機與原風機參數對比Table 1 Comparison of parameters between new and original ID fans

解決方案的第二步是升級改造原軸流風機轉速的工藝控制模型。轉爐在吹煉初期、吹煉中期、吹煉末期爐內的脫碳反應強度是不同的,吹煉中期脫碳反應最劇烈,產生的CO最多,吹煉初期和吹煉末期產生的CO相應較少。本次改造軸流風機轉速采用拋物線形式的乘數因子煙氣量計算模型,如圖5所示。針對轉爐不同吹煉階段,煙氣量計算乘數因子呈拋物線趨勢時刻變化,在吹煉初期和吹煉末期煙氣量不會過量計算,吹煉中期反應最劇烈時爐口不冒煙,使爐口穩定保持在微正壓或微負壓狀態,盡可能減少爐口空氣吸入量,最大化煙氣回收熱值的同時,最小化系統煙氣量和軸流風機轉速,保持系統和設備長期穩定運行。

圖5 拋物線形式的乘數因子Fig.5 Parabola multiplier factor

3.4 靜電除塵器泄爆

開吹、提槍后再下槍、雙渣法二次下槍是3個極易引起靜電除塵器泄爆的階段。避免泄爆的主要手段是吹氧流量曲線與軸流風機轉速及煙罩位置合理的配合,引起靜電除塵器泄爆的大多數原因也是上述三者配合不合理。

開吹階段的吹氧流量曲線要滿足以下3點:①防止堵槍;②能夠順利點火;③能夠符合開吹階段反應由弱到強的反應事實,還要和軸流風機轉速配合對一次除塵系統進行CO2置換。將開吹階段生成的CO盡可能二次燃燒產生足夠的CO2對系統進行置換,生成CO2隔離層,避免開吹前一次除塵系統內的空氣與后續產生的CO追尾混氣泄爆。

吹煉階段提槍后再下槍、雙渣法二次下槍前,系統內CO含量降到6%以下。

4 改造后效果

(1) 改造后5#轉爐LT系統2021年12月3日投產,6#轉爐于2022年1月26日投產,4#轉爐于2022年8月1日投產,至今蒸發冷卻器未出現嚴重積灰問題,平均積灰厚度為15 mm,避免了蒸發冷卻器積灰清理以及大塊落灰砸壞輸灰鏈條導致的轉爐停產。

(2) 2022年10月對系統進行了功能考核。在連續全放散的條件下,煙氣中粉塵含量測試結果均在5 mg/m3以內,其中4#轉爐LT為1.68 mg/m3,5#轉爐LT為2.71 mg/m3,6#轉爐LT為4.77 mg/m3,考核結果優良(改造目標為≤10 mg/m3)。

(3) 最大供氧強度72 000 m3/h條件下爐口煙氣無外溢。

(4) 靜電除塵器泄爆次數為零(單爐座)。

5 結論

(1) 本次改造通過對LT工藝控制系統的全面更新、增設二級蒸發冷卻器、優化靜電除塵器、增設精除塵設施等,實現了LT系統超低排放,徹底解決了制約二煉鋼生產的環保老大難問題,為轉爐煤氣用戶提供了更為清潔的能源。避免了蒸發冷卻器嚴重積灰引起的轉爐停產。

(2) 通過軸流風機擴容,為煉鋼的高效生產創造了條件,轉爐原吹氧量超過55 000 m3/h就會造成爐口冒煙,現在吹氧量72 000 m3/h爐口煙氣無外溢。

(3) 本次改造幾乎所有設備,包括靜電除塵器內部件、靜電除塵器高壓電源、泄爆閥、杯閥、液壓站等全部為國內廠家制造,為該領域的國內裝備技術提升做了有益的嘗試。