转炉一次烟气净化回收技术研究进展及挑战

2015-01-01杨莹莉

科技视界 2015年5期

杨莹莉

（中冶华天工程技术有限公司，江苏南京210019）

0 引言

近年来，雾霾天气在我国频繁出现，空气质量问题已经引起全社会的高度关注。而钢铁行业作为工业排放的大户，其排放标准和排放量越来越受到严格限制。2012年发布并实施的《炼钢工业大气污染物排放标准》中明确规定，2015年1月1日起，新建企业和现有企业转炉一次除尘大气污染物排放标准限制均为50mg/Nm3，比之前的100mg/Nm3的标准严格了一倍。为了达到更高的排放要求，转炉一次除尘工艺需要不断进行改进。

目前，转炉炼钢的烟气净化回收技术主要有传统的湿法净化回收技术（OG法）、干法净化回收技术（LT法），以及近年发展起来的全余热回收布袋除尘技术。论文首先对上述三种烟气净化技术的工艺流程进行表述，并对其优缺点进行比较，最后指出当前形势下转炉一次烟气净化技术的发展方向。

1 湿法OG技术

OG法自60年代在日本问世以来，已为世界各国所采用。80年代初，我国宝钢3×300t转炉首次从日本引进OG法烟气净化技术。直到2005年以前，国内大部分钢厂在消化宝钢技术的基础上基本上都采用了OG法烟气净化系统[1]。

传统的OG湿法除尘系统主要由两级文氏管洗涤器、重力脱水器和弯头脱水、旋风复挡板脱水器和相应的污水处理系统构成。其缺点是循环水量大、污水处理设施复杂、排放浓度相对高。随着排放标准的日益苛刻，传统的两文三脱、两文两弯等除尘工艺都很难达到要求，OG湿法也在不断的进行改进，现今主流的湿法工艺主要有塔文湿法、双塔湿法。

1.1 塔文湿法（OG法）烟气净化技术

图1 塔文湿法烟气净化系统图

塔文湿法即喷淋冷却塔（或蒸发冷却塔）+二文环缝+湿旋脱水器的形式，系统结构如图1所示。该系统与传统两文三脱、两文两弯相比具有如下特点：1）工艺流程简洁，取消了一文水冷夹套、溢流水封，代之为高温非金属补偿器；2）降低阻力，喷淋塔内气流流速3～5m/s，远低于原一文流速30～60m/s，所以气流流经喷淋塔内的阻力从一文的3～5kPa降低到了～0.5kPa；3）由于取消了一文水冷夹套和溢流水封，降低了系统耗水量；4）由于采用冷却塔节减小了压损，使得二文环缝文氏管有足够的压降提高除尘效率。从理论上讲，环缝文氏管的压降控制在14kPa以上，就可以将排放浓度降低到50mg/m3以下。

湿法（OG法）系统另一种塔文形式是采用干法除尘系统的蒸发冷却塔，内设双流介质喷枪及雾化喷嘴喷入的水呈雾状或细颗粒状，使烟气的温降主要靠水的汽化潜热来完成，因为水的汽化潜热是显热冷却的10倍，所以塔内降温用喷水量也仅为常规喷水量的1/10[2]。

1.2 湿法双塔烟气净化技术

湿法双塔技术的基础是德国Lurgi新OG法和日本川崎的新OG法，这两种新OG法在国内均有应用。系统采用一文一塔的形式，即环缝文氏管装设在喷淋冷却塔内部的形式，系统结构如图2所示。

图2 湿法双塔烟气净化系统

湿法双塔除尘形式的主要设备包括：喷淋塔+环缝装置、脱水塔，其净化回收的基本原理是：1）从汽化冷却烟道出来的含尘高温煤气与经喷嘴喷出的细颗水在喷淋塔进行热质交换、尘与水混合，烟气放热后降温，大颗粒粉尘沉降；2）经粗净化的煤气再进入环缝装置，在环缝装置中气体高速流过形成负压，此时，气体带入的浊环水汽化蒸发，水的比表面积急剧增大，加大了与气体中的粉尘的接触面积，含尘煤气得到充分洗涤净化；3）经二次净化后的含水煤气进入脱水塔脱水后经由管网、煤气风机进入煤气柜回收，不符合回收条件时经切换阀切换至烟囱点火放散。

环缝装设在塔内的形式有一个非常大的好处，就是喷淋塔内过剩的浊水部分流入下部的环缝，相当于间接作为环缝供水，从而比塔文分设形式进一步节水。另外，系统简洁流畅，环缝过后的烟气直接脱水器，省去了塔文形式的中间弯头、上升下降管，同时省去了该部分管段的冲洗水用量、降低了阻损，进一步节约了用水和检修工作量，降低了系统运行维护成本。

经工程实践证实，该系统能达到并优于国家最新排放标准50mg/Nm3的要求。且因该系统简洁，占地比原有OG系统小，而且现有OG系统的管路系统都可利原有系统，就连风机、电机几乎都可以利用原有OG系统，且用水量远低于原有OG除尘系统，安装周期短，特别适合于湿法OG系统改造工程。

2 LT干法静电除尘技术

转炉煤气干法静电除尘技术由德国Lurgi和Thyssen钢铁厂合作开发，该技术吨钢煤气回收利用率高，煤气含量低，无需废水处理装置，炼钢吨钢工序能耗仅为10kg标煤[3]，经过LT法除尘后含尘气体排放浓度约为10～20mg/Nm3[4]。转炉LT干法除尘系统主要包括：蒸发冷却器、静电除尘器、煤气切换、煤气冷却器、放散烟囱、除灰系统等[4]。

转炉干法除尘系统的工艺流程为：高温烟气（1400～1600℃）经汽化冷却烟道冷却，烟气温度降为850～1000℃，然后通过蒸发冷却塔，高压水经雾化喷嘴喷出，烟气直接冷却到250℃左右，喷水量根据烟气含热量精确控制，所喷出的水完全蒸发，喷水降温的同时对烟气进行了调质处理，使粉尘的比电阻有利于电除尘器的捕集。蒸发冷却塔内约40～50%的粗粉尘沉降到底部，经排灰阀排出。冷却和调质后的烟气进入有四个电场的圆形电除尘器进行精除尘，除尘后烟气经风机、切换站，合格煤气至煤气冷却器再冷却后进煤气柜，不合格煤气至烟囱点火放散。

转炉LT干法静电除尘具有如下特点[6-10]：

1）净化后烟气含尘量低：一般≤15mg/Nm3，最低可≤10mg/Nm3；

2）风机寿命长：烟气含尘低，磨损小，维修小；

3）节电效果显著：因系统阻力低、循环水量很少，风机电机及水泵电机装机容量比湿法要低；

4）污水处理费低：干法除尘系统由于煤气冷却器冷却的是净煤气，仅有极少量的污水外排，利于环保；

5）一次投资高，干法系统设备庞大且烟气温度高对设备材料要求严格，加上电除尘器防爆要求等使得其总投资高于湿法除尘系统数倍；

6）消耗蒸汽，不节能：蒸发冷却塔在运行中消耗数量不少的蒸汽（如120t转炉～5t/h）；

7）维护和操作技术要求高，且维修工作量大。因为电除尘器结垢、腐蚀，蒸发冷却器结垢等原因，导致维修设备的工作量特别大，并且降低转炉作业率，有的厂甚至被迫采用备用整套除尘设备。

虽然LT干法静电除尘技术的优势明显，但因其存在一次性投资费用高、运行节电不节能、操作技术要求高、维修工作量大而使转炉作业率降低等问题，使得在当今实际应用的选取上与湿法系统难分伯仲。

3 干法余热回收布袋除尘技术

转炉一次烟气净化无论干法LT系统还是湿法OG系统，其共同特点在于对高温烟气的冷却降温，均通过水的蒸发吸收汽化潜热来对烟气进行降温冷却，干法除尘还因为自身系统的要求，要消耗大量的蒸汽。通过消耗水来冷却烟气虽然是一个高效的冷却方法，但却是一个非常耗能的方法。因为从汽化冷却烟道出来的高温烟气本身上来讲是一种高品位热能，非但没有设法回收其携带的热能，还要消耗大量其他能源来对其进行冷却降温，造成能源大量浪费。例如，一般设计条件下，汽化烟道出来的烟气温度在800～1000℃，如果单纯将烟气温度降低到500℃，吨钢产生蒸汽可达20kg，可以产生巨大的收益。

根据2011年10月1日开始实施的《钢铁企业节能设计规范》GB50632-2011中相关规定：“钢铁企业设计，必须加强余热、余压的回收利用水平。必须采用技术先进、经济合理、能耗低、二次能源回收利用好的先进节能工艺、技术、设备与措施，最大限度地降低能源消耗，二次能源回收利用要实现高能高用，梯级利用”，可以看出新规范对节能、能源回收有了很高的要求。因此，许多设计院及科研单位开始进行转炉一次除尘余热回收布袋除尘器的研发实验。

目前转炉烟气余热回收及布袋除尘的主要工艺是：转炉一次烟气经汽化冷却烟道后进入余热回收设备进行进一步能量回收，温度降低到合适的值（一般为～100℃）之后，经布袋除尘器、风机，不合格煤气经烟囱点火放散，合格煤气进煤气柜回收（当风机后合格煤气温度高于70℃时，再经煤气冷却器冷却到70℃以下进煤气柜回收）。

布袋除尘器通过滤袋可以很容易的将烟气含尘浓度降到15mg/Nm3及以下，又不需要像电除尘器一样消耗电能。由于整个系统阻力相对湿法除尘减少很多，仅比LT干法除尘略大一点，所以风机站不需要配置很高功率的电机。利用余热回收设备还可以回收大量的转炉显热生产蒸汽。转炉一次煤气在冷却的过程中与水无直接接触，仅当风机后温度高度70℃时进行喷水冷却，所以煤气不含水或含税率很低，煤气热值高，利于输送和使用。

相比OG湿法和LT干法，该工艺有明显的技术优势：1）系统无（或很少）循环水，无污水处理设施及相关费用和占地面积；2）布袋除尘效率高，很容易稳定达到15mg/Nm3及以下；3）无干法除尘电火花起晕或放电现象；4）因为含水率非常低及含尘量很低，煤气品质高；5）无一文、二文等高阻力除尘设备，系统阻力远低于湿法，比LT干法略高，所以风机电机的装机容量都相对不高，系统运行费用较低，且除尘效率高风机运行寿命长；6）转炉烟气余热基本全部回收，间接降低了炼钢成本，符合当今能源政策。

虽然布袋干法除尘系统有很多优点，也有很多相关专利技术，但目前布袋干法除尘系统仅在40t转炉上进行了工业实验，鲜有工程应用[11]。