钢铁企业粉尘超低排放技术研究进展

孙康宁，高佳欣，肖立春

（燕山大学环境与化学工程学院，河北 秦皇岛066004）

钢铁工业是我国最主要的资源、能源消耗以及污染物排放行业之一，其烟尘排放被认定为主要的大气污染排放源。目前，我国钢铁企业造成的环境污染问题十分严峻，特别是粉尘排放问题。钢铁企业的粉尘具有粒度小、亲水性差且含有较多的有害元素的特点，在一定程度上造成了除尘技术难度的增加。钢铁企业实现粉尘超低排放的重点必须解决烧结机、高炉和转炉等工艺流程中的大气污染问题。要实现烧结机、高炉和转炉粉尘的超低排放，一方面应降低烧结烟气发生量、调整高炉炉料结构、发展新的炼铁和炼钢技术，减少污染物的排放量；另一方面，还应采用先进的除尘技术，提高粉尘的捕集效率，最终实现烧结机、高炉和转炉等工艺的超低排放。

1 烧结机除尘技术发展现状

烧结机可以将矿粉烧结成块，并在烧结的过程中消除部分有害杂质。因为烧结过程中生成的烟气对环境的污染日益加重，许多学者们对烧结烟气循环工艺进行了研究。20世纪60年代，国外烧结厂大多数使用旋风除尘器和多管除尘器。20世纪70年代开始全部采用电除尘器，大大地提高了净化效果。20世纪70年代末，日本提出了烧结烟气循环的概念，并在1981年首次在烧结机上使用了烧结烟气循环装置，此装置充分利用了烧结烟气中的显热，取得了令人满意的成果。1997年，Siebenhofer等研究了火法、湿法联合处理技术，利用火法处理和湿法冶金处理工艺来处理烟气中的粉尘，获得较好的处理效果[1]。2013刘宪等采用了阻火器和布袋除尘器的串联除尘工艺对湘钢180 m2烧结机机尾除尘技术改造。运行结果显示，除尘系统可使粉尘排放浓度小于20 mg/m3。2015年，杨来怡等提出了在铁矿烧结工艺中使用湿式除尘技术，通过此技术会对烟尘中细颗粒物捕集获得较好的效果。2016年，王鹏等采用均流式电袋复合除尘器取代原有电除尘器，实现了排放的粉尘浓度小于10 mg/m3。2017年，马鸿良等为了能有效的降低烟尘的排放浓度，提出柔性电极湿式电除尘器，该除尘系统可对烧结烟气进行深度处理。同年，李风民等对邯钢400 m2烧结机使用的SDA（喷雾干燥工艺）脱硫工艺，采用圆型振动浆液技术以及对关键技术参数进行优化后，烟气脱硫效率超过80%。2018年，常州东方特钢有限公司为了实现烧结烟气超低排放10 mg/m3的标准要求，提出了烧结烟气湿法脱硫+湿式电除尘器+SCR脱硝的综合烟气净化系统。同年，阳春新钢铁利用布袋除尘器与现有的电除尘器串联的方式进行烧结机尾除尘?，实现排放浓度在10 mg/m3以下的目标。烧结机采用“电—袋”除尘技术，电除尘对烟气进行预除尘之后，可使进入布袋除尘器的烟气负荷大幅降低，粉尘浓度大幅减少。2019年，八钢烧结机机尾采用电袋复合除尘器取代了电除尘器，对第一电场电极进行了修复，在第三电场与风机之间新增布袋区，烧结机机尾出口含尘浓度小于5 mg/m3。2020年，鞍钢将烧结机电除尘器改为袋式除尘器的方案，使得粉尘浓度降低至5.0～7.2 mg/m3。

目前，烧结机除尘技术主要采用电除尘器和布袋除尘器相结合的除尘设备来代替过去单一的除尘设备，并且这种复合除尘器结合了电除尘器和布袋除尘器的优点，除尘效果远超于其单独作用的除尘效果。

2 高炉煤气除尘技术发展现状

高炉煤气除尘技术包括干法除尘技术和湿法除尘技术。干法除尘技术分为布袋除尘技术和电除尘技术。湿式除尘技术主要采用文氏管洗涤除尘技术。

2.1 干法除尘技术

在国外，干法除尘工艺主要采用以电除尘技术。20世纪50年代，苏联、美国都曾使用袋式除尘器对高炉煤气进行净化，因一些原因未大面积推广。20世纪60年代，高炉布袋除尘器为了提高除尘效率，采取湿法降温技术，但此技术仍存在一些弊端。1972年，德国丁格勒作为最早使用高炉煤气干法除尘净化的国家之一，将袋式除尘器应用于高炉烟气的净化。20世纪80年代后期，日本大多数高炉都采用干法布袋除尘工艺，但是住友小仓、川崎千叶等对1 200～4 500 m3高炉采用干法除尘和湿法除尘并用工艺。

在国内，仅有武钢和邯钢的2座高炉将电除尘技术应用于高炉煤气除尘，主要限制因素是电除尘器需要国外引进，投资较高，设备制造周期长，技术难度大。近年来，高炉煤气除尘均以布袋除尘技术为主。国内布袋除尘工艺具有除尘效率高、节水节电的优点。目前，国内高炉大多采用干法布袋除尘技术，节能效果明显[2]。20世纪50年代开始，我国的高炉煤气采用干式袋式除尘器，在小高炉上的净化高炉煤气的试验采用袋式除尘器。20世纪70年代末，干式袋除尘器除尘技术在小高炉煤气的净化成为主流技术。1988年，邓立人等发明了一种布袋除尘器反吹控制方法。将此方法应用在300 m3的高炉上，结果显示：干法除尘的烟气含尘量达到10 mg/m3，湿法除尘的净煤气含尘量为46 mg/m3，由此可以得出干法除尘的效率要优于湿法除尘。韶钢在2004年建成的一座750 m3的中型高炉，采用了大量新技术，其中最明显的改进是将全干法脉冲布袋尘技术应用于高炉煤气除尘。布袋除尘排放含尘量达到10 mg/m3。2009年宝钢1号高炉采用了干法布袋除尘技术，使煤气中平均含尘量基本降至5 mg/m3。2013年龙承俊研究了旋风除尘加布袋除尘的全干法除尘技术，将此技术应用在鞍钢2 580 m3高炉上，旋风除尘器除尘效率可达到85%，具有很好的发展前景。2014年贾彩清采用了全干法静电除尘技术，预期成果能够实现全干法电除尘，具有较好的节能效果，并带来了不错的经济效益。2020年，山钢日照5 100 m3高炉煤气布袋除尘系统设计选型结合国内外高炉干法布袋除尘器的设计、规范要求和生产经验，布袋除尘后的净煤气粉尘含量应不大于5 mg/m3。

2.2 湿法除尘技术

对于大高炉而言，由于压力高、煤气流量大，温度难以调控等因素，以湿法除尘为主。文丘里管除尘技术是用水滴捕集气体中的尘粒，将气体固体分离转变为气体液体分离，从而实现除尘的目标。该技术具有耗水量低、除尘效率高等优点，但是存在能耗高、寿命短等问题。1994年潘华珊研究的新一代高炉煤气湿式精净化设备是一种文丘里洗涤系统，能使一出口煤气含尘量从原来的30～40 mg/m3降至10 mg/m3以下。1995年，刘广文研制了“液膜喷入”式的新型文氏除尘器，解决了之前文氏管除尘器易阻塞、雾化不完全的问题。2000年，刘江坤对湖南省金竹山电厂4号炉的文氏管除尘器由方形改成圆形，经测定其除尘效率为97.13%。2002年，霍云波等将文丘里—旋流板—喷淋—折流板除雾器替代了文氏管水膜除尘器，提高了除尘器的除尘效率。2011年，曹蕾、周松锐采用陶瓷过滤系统—文丘里管除尘系统相结合的方法对高炉煤气进行净化，是IGCC系统成功、高效、零排放运行和多联产的保证。2018年居勤章对宝钢高炉煤气湿法干法除尘系统对比分析，研究发现湿法除尘系统具有运行稳定、投资低、除尘效果好的优点，但是耗水量大、煤气压力损失大[3]。

与湿式除尘相比，干式除尘技术的主要优点有：煤气温度不降低、可充分利用煤气显热、动力消耗少、效率高、不耗水、无二次污染。且干法的除尘效率更高，目前大高炉都采用干法布袋除尘器，可以达到5 mg/m3。

3 转炉煤气除尘技术发展现状

转炉煤气的净化回收是实现钢铁企业粉尘超低排放的重要途径，也是减少大气污染的有效手段。转炉煤气净化回收技术按净化方式分为湿法和干法两大类，湿法有传统OG（Oxygen Converter Gas Recover）法和新OG法，干法技术为LT法（Lt Dry Dust Removing）。

3.1 传统OG法

20世纪60年代初，日本首先提出OG法。20世纪80年代，宝钢将日本OG技术应用于300 t转炉。其关键是增加了二级可调文氏管喉口，通过不断改变系统的阻力分配，实现转炉烟气净化。传统OG工艺的优点是技术简单、安全可靠。但有诸多缺点：运行阻力大、水电消耗大；除尘效率较低；系统存在二次污染。传统OG技术的引进，对我国提高转炉粉尘的超低排放发挥了重要作用。但是随着国家的钢铁企业的超低排放的眼球不断地提高，传统的OG系统处理的烟气含量不能达到标准要求。

3.2 新型OG法（饱和塔文系统）

为了解决传统OG技术落后的问题，20世纪末，国内大型钢铁企业引进了国外饱和塔文系统，也称为新OG法。该工艺采用了环缝洗涤器，因此其除尘效果明显提高。

21世纪初，宝钢在150 t转炉上采用了新OG技术，解决了布水和阻力之间的问题，降低了粉尘的排放浓度。该技术比传统OG法流程简洁，阻力损失小、除尘效率高。由于其除尘后粉尘浓度小于10 mg/m3，因此也是一种取得了突破性进展的粉尘超低排放技术。

2014年，石家庄钢铁有限责任公司炼钢厂采用新型的OG法，对设备取消直段喷枪，使水雾混合更加充分，从而提高除尘效率。

3.3 LT干法除尘

20世纪60年代末，德国鲁奇公司和蒂森钢厂共同研究出LT干法除尘技术。该技术包括烟气冷却、净化回收和粉尘压块三大部分。

转炉烟气分别通过汽化冷却烟道和水冷烟道进入蒸发冷却器，同时向蒸发冷却器中喷射雾化水，在蒸发冷却器进行粗除尘。之后通过管道进入静电除尘器进行精除尘，使粉尘浓度浓度降至10 mg/m3。之后，烟气进入煤气冷却器，降低烟气温度后进入煤气柜[4]，其流程如图1所示。

图1 转炉煤气LT法回收工艺流程图

2007年开始，包钢等企业的转炉采用了干法除尘技术。其中包钢投入运行以来，除尘效率明显提高，净化后的烟气含尘量不大于10 mg/m3。2012年攀钢西昌基地3座200 t转炉对比显示，干法除尘烟气含尘量小于15 mg/m3，湿法除尘烟气含尘量在100 mg/m3左右，其除尘效果明显比湿法除尘要好[4]。2018年国内新建的较大转炉，如山钢日照300 t转炉等均应用了LT干法静电除尘技术，除尘后的煤气含尘量普遍降低到10 mg/m3以下。

LT干法除尘可有效降低烟气含尘量，处理后排放烟气浓度小于10 mg/m3，对设备磨损较小，不存在二次污染的问题，相比湿式除尘系统来说，此技术节电省水；但同时存在一次性投资费用高，技术要求高，安全系数较低，煤气爆炸危险性高等缺点。所以，需要保证LT干法除尘各个环节设备的高要求管理，才能使干法除尘系统有效除尘。在实现可持续发展的条件下，在国际上，转炉煤气LT干法除尘技术得到重视，它将为钢铁企业转炉实现超低排放的发展提供方向。

4 结论

“十四五”期间，随着国家关节能减排法规的日益严格，实现钢铁企业粉尘的超低排放已经是必然要求。烧结烟气电除尘器除了在电场数量有所增加外，采用湿式电除尘器将其粉尘降低至10 mg/m3以下，已经成为一种必然选择。在高炉煤气除尘系统中，湿法洗涤除尘技术，虽然有较好的安全性和可靠性，但由于能耗较高，产生大量废水，必须被干法除尘技术取代。因此，在今后相当长一段时间内高炉干法布袋除尘技术仍将占主导地位。越来越多的企业在转炉煤气回收系统中采用干法除尘技术。相比于湿式除尘技术来说，干式除尘技术不仅除尘效率高，而且节能效果明显，运行成本较低。由于LT干法除尘技术可将粉尘浓度降低至10 mg/m3以下，干法替代湿法的除尘技术将会成为潮流。

除尘设备大型化，降低运行能耗，提高除尘效率，实现粉尘超低排放和超净排放是未来钢铁企业环境治理的主要方向。为了适应国家发展的目标和要求，钢铁行业正积极改进钢铁生产工艺，大力推广节能减排，并在钢铁生产过程中实现清洁生产，让钢铁工业更好地为中国经济的发展提供助力。