基于旋风除尘器在球团烟气除尘研究的实践

高培程 赵万江 刘长江 杨金保

(北京首钢股份有限公司炼铁作业部，河北 迁安 064400)

0 引言

首钢球团1#产线设计能力为120万 t/a酸性氧化球团矿，随着技术装备进步，年产量由2011年的117.49万 t增加到2017年的128.16万 t；烟气量也随之增加：耐热风机2019年由400 000 m3/h增加为440 000 m3/h，使得烟气中粉尘含量(>5μm)不断上升，现有旋流式多管除尘器逐渐出现灰仓阻塞、旋风子磨损加剧、后段叶轮磨损严重等问题。为此，球团领域相关技术人员对除尘器卧式组件、立式组件、灰箱配置等进行了扩容、优化，提高对烟气中d0>5 μm颗粒捕集效能，达到保护耐热叶轮、减小主电除尘器除尘工作压力的目的。

1 旋风除尘器运行机理

1.1 旋风除尘器简介

球团多管除尘器主要由立式旋风子箱体(旋风子98组)、卧式旋风子箱体(旋风子96组)、烟气进出口气室、集尘斗、气力输灰系统组成。作为高温含杂质烟气预除尘的主要设备，旋风子单体及箱体必须具备较高的热稳定性及耐磨性能，同时必须具备进气室、出气室、集尘斗三室分离，防止窜气的条件。旋风子及主体选用高铬合金耐热精密铸件(HRC≥50)，耐受温度为600 ℃。

研究认为，普通型旋风除尘器在尘粒直径大约5 μm时捕集效率较高。但由于其含尘气体入口和净化气体出口间的距离小，易发生流体的短路，且在锥体和灰斗等区域易发生二次卷扬，从而导致它对5 μm以下的灰尘捕集效率大幅降低。因此对旋风除尘器内流体的流型、压力分布、分离效率、压降开展进一步的研究[1-2]，并据此开发出新型的旋风除尘器是国内外行业需解决的重要问题，对于工况应用，也可作为重点管控的设备维护参数。

首钢球团1#、2#多管除尘器主体构成见表1。

表1 1#、2#多管除尘器主体构成

1.2 除尘机理

一般认为，含尘气流绕障碍物做旋转运动时以离心力的形式表现出惯性力f，其等效沉降惯性力为重力的100倍以上。假定气流绕障碍物做圆周切向运动，则有：

(1)

其中：f1—惯性离心力，N；ρk—为空气密度，kg/m3；d—旋风子入口直径，m；u—颗粒绕障碍物沿圆周方向上的切向速度，m/s；r—回转流线的曲率半径，m。

由上，利用含尘烟气速度矢量方向的改变获得惯性离心力是旋风除尘器能够发生颗粒分级效能的根本原因。

图1 旋风除尘器单体工作原理图

如图1，含尘气体从进气口以较高的速度沿圆筒切线方向进入，气流由直线运动变为圆周运动，并向上、向下流动，向上的气流被旋风子顶部阻挡返回，向下的气流在简体部分和锥体部分作自上而下的螺旋运动(称为外旋流)。含尘气体在旋转过程中产生离心加速度，由于尘粒产生的离心力远大于空气黏性阻力，从而使尘粒产生径向远离旋转中心的运动，将尘粒甩向器壁，尘粒一但与器壁接触便与气体分离沿器壁经锥体排入集灰箱内，球团区域旋风除尘系统示意见图2。

图2 多级旋风除尘系统示意图

旋转下降的外旋气流在圆锥部分运动时随圆锥形收缩而向除尘器中心靠拢，当气流到达锥体下端某一位置(零速包络面)时，以同样的旋转方向在除尘器中部形成自下而上的螺旋运动气流(称为内旋流)，并经排气管外排出，部分未捕集的粉尘颗粒(d≤5 μm)也随气流而进入后端流程。

2 影响除尘效率的重要参数

随着年产量不断增加，烟道流速、流量不断增加，原有旋风除尘器不能满足现在的烟气流速及流量，频繁出现积灰增多、除尘效率下降、叶轮磨损的问题。研究表明[3]，旋风子除尘性能的参数主要为筒体直径、排气管直径、排气管插入深度、锥体角度、排尘口直径等8项重要参数，对于给定的设备，主要考虑由于长周期高负荷运行导致入口切面磨损及旋风子本体堵塞使以上参数发生变化引发的设备问题。

2.1 入口磨损

由式(1)可知，切向速度是颗粒在旋风子内部发生分级的根本原因，入口切面磨损将导致切向速度减小，惯性离心力下降，从而直接影响收尘效率。在给定的除尘器中表现为进气室漏风、旋风子入口增大等设备问题。

2.1.1 进气室漏风导致的除尘效率下降

随着进气室不断磨损，旋风子与清洁气室盖板之间存在开焊、变薄现象，最终出现漏风，一方面导致大量未经分级处理的烟气直接进入排气室与清洁烟气进入后段工序；另一方面，破坏了立式旋风子组件进气室内的烟气场分布，形成扰流、旋涡等气旋现象，直接表现为旋风子单元风量、风速降低，由式(1)可知，惯性离心力f1将明显下降，导致除尘分级效率下降。

2.1.2 旋风子切向入口增大导致的除尘效率下降

旋风子单元烟气入口的切向角度、入口深度等参数对含尘烟气在回转分级的效率有至关重要的影响，进气口面积(Q不变)与旋风子除尘效率呈负相关[4]。部分旋风子单元(尤其是立式组件近风点位)入口磨损，将直接导致该处切向入口面积增大，同时切向风量入口角度不可控，最终导致该旋风子单元对细粒级粉尘分级效果下降。

2.2 排尘口磨损或堵塞

随着设备长周期运行，旋风子内局部冲刷或粘附细粒级颗粒(d<5 μm)，尤其是对于现有高秘鲁矿配比(湿重41%)的硫元素带入，使得旋风子内壁发生粘附及腐蚀现象较为明显，筒体内径不断变化：内表面光洁程度下降，颗粒摩擦力增大，由动量矩守恒定理可知，切向气流转换的有效动压下降，排气管中心静压增大，局部涡流随之上升[5]，导致颗粒在旋转分级时直接与器壁碰撞、反弹至内旋流，并上升至排气室，而这一过程进一步增加了细粒级灰尘在内部粘附、积累，最终导致除尘效率下降。

2.2.1 集尘斗密封不良

除尘器下部气密性严重影响除尘器的除尘性能[6]。陆小阳等认为，除尘器下半部静压是沿半径方向向轴心逐渐降低的，即旋风子单体椎体末端将出现微负压反收尘效应[7]，集尘斗密封不严进入空气，将导致收集的粉尘在负压下重新卷走，使除尘效率急剧下降。

2.2.2 旋风子卸料段堵塞

旋风子单元堵塞或发生内壁粘附现象，可等效为有效回转半径下降，外旋流截面积减小导致的局部旋流及外壁碰撞发生的概率增加，使有效回转旋流运动被破坏。此外，对于卧式组件，风压为P的气流颗粒在内壁发生粘附、堵塞(粉尘m0)可等效为卸料通道减小，严重时完全堵死卸料槽，卧式组件对含尘烟气两相流的分选作用为零，形成卧式组件预除尘短路，进一步破坏多管除尘器分级、除尘的功能特性。卧式组件排尘口堵塞前后见示意图3。

堵塞前堵塞后图3 卧式旋风子堵塞机理示意图

2.3 烟气流场分布不合理

2.3.1 卧式组件粉尘通量波动严重

由于空间及场地原因，原有烟气进口存在烟气分布不均、局部烟道磨损大的问题，致使部分点位旋风子单元磨损严重，进一步加剧了由于2.1及2.2导致的设备问题。

2.3.2 卧式组件与立式组件间距过小

卧式组件与立式组件间的距离主要为起烟气整流以及初步重力除尘作用[8]。卧式组件与立式组件距离过小，含尘紊流经过卧式组件后自旋前进的大颗粒粉尘在重力作用下无法顺利下降到中部灰斗中，完成预先分级降尘的过程；另外，卧式组件一次洁净风形成的整流体在水平方向上形成局部强低压，进一步在立式组件进口处形成局部涡流，不利于在切向入口处形成回转流，进而降低了除尘效率。

3 新型旋风除尘模组的应用

含尘气体的处理量直接影响旋风除尘器的除尘性能及压力损失，随着入口流速的增加，除尘效率呈现先增加后下降的趋势[9]，过高的流速使旋风除尘器单元阻力急剧增大且颗粒与内壁的非正常碰撞明显增加，排尘口及排气室动压增加，返混现象增强，此时返混作用带来的除尘效率下降占主要因素[10]。

3.1 优化立式旋风子参数

将原有立式旋风子数量由96个提升为130个，立管长度延长300 mm，详细参数见表2。

表2 改造前后立式旋风子参数变化

研究表明，立式旋风子立管的长度及插入深度对除尘效率影响较大：随着立管长度及插入深度的增加，除尘效率呈现先增加再下降的趋势，且插入深度的增加与减小对除尘效率的影响呈现不对称衰减变化。因此，通过延长立管长度及内径，增加了内旋流风在溢流管内分选的时间与处理负荷，减小了粉尘带入清洁气室流量。

通过以上措施减小单体旋风子风速的同时增加烟气分级负荷，一方面提升除尘效率，另一方面提升分级通量。

3.2 烟道取直，均衡布气

一般认为，风及热的场分布较为复杂，对于理想的旋风除尘器入口两相流，减少紊流及有害涡流是提高除尘效率的前提条件。由于1#多管除尘器西侧入口风量较大，导致卧式旋风子的磨损及烟尘腐蚀粘附明显呈不均现象。对其烟气入口取直，提高烟气在卧式组件入口面上的分布均匀性，能够延长卧式旋风子使用寿命。烟道取直前后示意见图4。

烟道取直前 烟道取直后 改造前卧式组件磨损情况图4 烟道取直前后示意图

3.3 卧式模组预除尘

原有卧式除尘器存在卸料斗堵塞、大颗粒灰尘碰壁反弹严重的问题，对原卧式除尘器拆解分析发现，卧式组件卸料槽(图5中A、B、C、D区域)堵塞严重，风速较低的点位甚至被全部堵塞。原有卧式组件堵塞示意图及现场实况见图5。如表3所示，新型卧式组件分级段长度减少40 mm，卸灰段长度减小60 mm，减小了高比重颗粒在回转运动时对组件内部的碰撞及摩擦几率，缓解二次旋流的产生；分级段内径减少40 mm，卸灰段内径减少50 mm，保持风量、风速不变的情况下，组件的内径减小，能够降低含尘烟气分选下限，即在卧式组件中能够脱除粒级更小的颗粒物，为立式组件分选减小负荷。

图5 卧式组件模块卸矿示意及现场实况

改造后卧式组件参数变化如下：

表3 改造前后卧式组件参数变化表

3.4 独立灰斗，防止一次风短路

原集尘灰斗采用“灰斗合一，集中控制”原则设置，其中一次阀门顺次开启，二次阀门由气力输灰集中智能控制，由于一次集尘斗高程较小，存在混风短路及灰斗二次卷扬现象，即部分混合烟气未经过卧式组件或立式组件直接上升至排气室。改造后取消二次集尘灰斗，延长一次集尘灰斗并独立控制，避免了烟气短路及粉尘二次卷扬。集尘灰斗改造前后设置见图6。

改造前 改造后图6 改造前后灰斗示意图

4 实践效果

4.1 热线工艺控制窗口扩大

链篦机-回转窑-环冷机式氧化球团生产工艺对风-热平衡要求较高，风作为热量的载体，由主引风机及耐热风机配合将热量输送至产线前段，其中耐热风机将位于链篦机箅床烟罩上部的高温热风经由多管除尘器抽送至链篦机上箅床下部风箱，穿过氧化球层，实现对球团矿的预热、焙烧工艺。多管除尘器作为耐热风机前的唯一除尘设备，其压力损失、除尘效率对耐热风机转速、风压、风温至关重要，并最终影响生球预热焙烧质量。

随着新型多管除尘器的投入，影响链篦机预热效果的重要参数见图7。

图7 影响预热效果的重要参数

改造前后耐热风机转速及运行电流保持不变，截取2020年9月1日至2020年12月31日链篦机烟罩及风箱部分测点温度变化趋势，9#风箱平均温度由178 ℃升高为209 ℃，同时3#烟罩温度由768 ℃降低为742 ℃，1#烟罩平均温度由925 ℃升高到971 ℃，1#风箱平均温度由475 ℃升高到502 ℃。

结合以上分析，对多管除尘器升级改造后，卧式除尘组件卸矿槽堵塞得到缓解，同时除尘效率的提升减小了热风在多管除尘器中行进的压损，链篦机机头的高温热风(1#、3#烟罩)能够更好的转移至干燥段及预热段(1#、9#风箱)，主控工在进行热工参数调整时能够提高参数调整范围，提高极端温度条件下的控制能力。

5 结语

1)本次改造实践，一方面从保护耐热风机叶轮角度出发，减少了大颗粒灰尘对叶轮的不规则冲刷，延长了叶轮使用周期；另一方面，以多级旋风除尘器运行机理角度对现场设备维护、设备检修、设备重要参数进行了探讨，为设备维护及备件选择提供了指导。

2)为耐热段中温SCR脱硝投用提供清洁条件。在原有热工及产能基础上，降低了耐热风机转速的同时升高了预热及干燥段的温度，提升了主控操作在极端风热场条件下的控制能力。