大型烧结机头烟气袋式除尘技术及工程示范*

2022-11-30姚群张思平李浩鸣陈志炜潘真冯斌周鹏飞许汉渝邵能杰邓芳全立明刘立

工业安全与环保 2022年9期

姚群张思平李浩鸣陈志炜潘真冯斌周鹏飞许汉渝邵能杰邓芳全立明刘立

（1.中钢集团天澄环保科技股份有限公司，武汉 430205；2.新余钢铁股份有限公司烧结厂，江西新余 338001）

0 引言

烧结机头烟气具有烟气量大、高温、高腐蚀、易结露、高负压、烟气工况波动等特征，治理难度甚大，国内外传统的烧结机头烟气净化均采用电除尘器，由于其除尘效率不稳定，出口颗粒物浓度超标，不能保证脱硫脱硝系统稳定达标［1-2］；而对于高效袋式除尘，因无法解决烟气结露、滤袋板结、腐蚀等瓶颈问题［3］，历来被业内视为“禁区”，成为一个世界性难题。

目前，烧结机头现役电除尘器普遍存在着共性问题，制约了其工业应用，主要表现在以下几个方面［1，4］：①烧结机头电除尘效率不稳定，受烟气工况（特别是比电阻）波动影响很大；②粉尘细而粘，难以清灰，极板积灰，极线肥大，振打二次飞扬，出口颗粒物质量浓度高，一般在50~150 mg/m3；③电除尘出口颗粒物排出量大，影响下游脱硫系统的效率，装置积灰结垢堵塞，影响石膏品质和白度，检修频繁；④影响下游脱硝催化系统效率，造成催化剂堵塞、中毒和磨损，寿命缩短；⑤影响下游活性炭吸附效率，导致吸附器出口颗粒物超标，活性炭寿命缩短，运行成本增加；⑥对风机叶轮磨损大。即使对电除尘器进行改造，如减小电场风速、增加集尘面积、采用高频/脉冲/三相/电源等以提高净化效率，但因电除尘固有的振打二次扬尘的根本性问题没有解决，所以成效不大，已成为当前制约钢铁企业稳定超低排放和环保绩效分级达A的突出问题，亟待解决。

袋式除尘能高效去除细颗粒物，出口颗粒物质量浓度＜10 mg/m3，除尘效率不受烟气工况波动影响，可保证稳定超低排放，能解决电除尘存在的关键问题。此外，与四电场电除尘器相比，袋式除尘在除尘效率、运行能耗、占地、钢耗等方面优势明显［5］。

中钢集团天澄环保科技股份有限公司针对烧结机头袋式除尘存在的瓶颈问题，经过多年的研发和热态工业试验［6-8］，在烧结机头烟气袋式除尘工艺、关键净化装备、过滤材料和风险防控措施等核心技术上取得了重大进展，形成了拥有自主知识产权的原创技术和装备，实现了从无到有的突破。2021年9月在新余钢铁股份有限公司烧结厂7# 360 m2烧结机头烟气净化项目上成功实施了袋式除尘，成为全球首台套大型烧结机头烟气袋式除尘器示范工程。

1 烧结机头袋式除尘技术与装置研究

1.1 烧结机头烟气特征及袋式除尘难度分析

烧结机头烟气的特殊性决定了袋式除尘技术的难度巨大，主要表现在以下几个方面［1-2，4］：

1）工况烟气量大，单位烧结面积烟气量为（90±10）m3/（m2·min），如360m2烧结机烟气量达2160000m3/h（有烟气循环），400 m2烧结机烟气量达2 880 000 m3/h，660 m2烧结机烟气量达3 840 000 m3/h，造成除尘器体积庞大。

2）烟气温度高（100~160℃），波动大，甚至可达200℃，袋式除尘滤料需要耐高温。

3）烟气湿度大（10%~15%），酸露点高（110℃），特别是烧结机冷态启机时，袋式除尘滤料易结露、板结糊袋，成为最大风险。

4）烟气含有SO2（1 500~2 500 mg/m3）、NOx（300~450 mg/m3）、HCl、HF、CO等酸性气体，含二噁英等污染物，氧含量为14%~18%，滤料和设备腐蚀严重，寿命短。

5）烧结灰含碱金属多（氧化钙、氧化钾、氧化钠），含铅、锌、汞、铬等重金属，遇到空气易复燃，除尘器可能发生着火。

6）混合性粉尘，粉尘质量浓度为0.5~5 g/m3，大颗粒磨琢性强，带火星，滤袋容易被冲刷和烧蚀。细颗粒PM10占比为30%，粘性大、袋式除尘不易清灰。

7）除尘器工作于超高负压状态（－12 000~－20 000 Pa），除尘器易漏风，结构容易变形和吸瘪，安全风险高。

1.2 新型袋式除尘器研发

传统的袋式除尘器不能直接用于烧结机头烟气除尘，针对烧结机头烟气的特性，发明了一种节能降耗袋式除尘器新结构［8］，即“顶部垂直进风袋式除尘器”，解决了火星捕集、粗颗粒预除尘和结构抗高负压的问题，显著降低了过滤阻力，实现了节能运行。

顶部垂直进风袋式除尘器包括灰斗、中箱体、花板、上箱体、顶部垂直进风管、惯性冲击器（芯管）、滤袋及袋笼、脉冲喷吹清灰装置和出风管等，如图1所示。其工作原理是：含尘气体从顶部垂直进风管进入除尘器，利用惯性冲击器的作用预分离粗颗粒和火星，下降气体通过芯管以辐射状向滤袋区域均匀扩散并过滤，净化后的气体汇集到上箱体从侧面或顶部排出。

技术关键之一是花板和清灰装置的新颖性布置，为实现模块化和标准化，花板和清灰装置围绕着垂直进风管以旋切状布置，如图1所示。

图1 顶部垂直进风袋式除尘器

技术关键之二是在除尘器内部设置了芯管，可以起到预除尘和火星捕集作用；同时，通过芯管的结构优化，可使下降气体以辐射状向滤袋区域扩散，等量分配。

技术关键之三是将除尘器结构做了最大限度的简化，将结构阻力减少到极致，克服了传统袋式除尘器气流曲里拐弯流动的缺点，使流动成为短流程，更为简洁和平缓，大幅度减少运行阻力能耗，节能降碳，如图2所示。

图2 传统除尘器与垂直进风除尘器气体流态对比

技术关键之四是研发了理想的气流分布型式，即烟气在芯管中向下流动的同时，以辐射状向周围等量扩散的气流分布方式，如图3所示。

图3 辐射状气流分布

综上所述，顶部垂直进风袋式除尘器的优势可归纳为以下几个方面：①具有粗颗粒和火星捕集预除尘功能；②除尘器结构优化到极致，运行阻力大幅度降低，节能效果显著；③采用辐射状气流分布方式，风量分配和速度分布均匀；④出风口可设置在顶部或任意一个侧面，不受场地限制，易于布置；⑤除尘器内部形成三维支撑结构，能承受超高负压；⑥可降低除尘器钢耗量和占地面积。可见，顶部垂直进风袋式除尘器是为烧结机头烟气净化量身定制的专用除尘装备。

1.3 袋式除尘器滤料研发

滤料是烧结机头烟气袋式除尘器的核心部件，决定了烧结机头烟气袋式除尘的成败，目前市场上还没有此类产品，必须开展专项研发。针对烧结机头烟气的特性，要求滤料必须同时具有抗结露、耐高温、耐酸碱腐蚀、耐氧化、阻燃的功能［4-5］。

首先，通过热态试验遴选出能适应烧结机头烟气并长期运行的专用滤料。研究人员专门设计了A、B、C、D不同滤料纤维材质和结构的滤袋样品，将4种滤袋样品置于除尘器内部进行现场热态挂袋试验，如图4所示。重点考验滤袋对烧结烟气的适应性，即破袋、结露、腐蚀、板结、强度、透气性等情况，定期打开除尘器观察滤袋状态变化，并抽取滤袋送检，测试其断裂强度和透气性衰减数据。挂袋试验中，发现某种滤袋出现破损、某些滤袋表面出现结露、某些滤料强度和透气性衰减等现象。经过2年的热态试验考验，从强力指标、透气量、表面光洁度和滤料成本等主要指标综合考量，最终优选出B滤料较为理想，成为烧结机头烟气袋式除尘专用滤料［1］。B滤料热态试验过程性能变化如表1所示。其次，对滤袋

图4 烧结机头烟气袋式除尘滤料热态试验

的直径和长度进行了优化设计。

1.4 除尘器防腐试验

烧结机头烟气SO2含量较高，湿度大，氧含量为16%~18%，烟温有时低到80℃因此除尘器内部钢结构腐蚀较严重。研究人员开展了防腐试验，试验选择了3种材料样品，放置在除尘器内部进行热态耐腐蚀试验，如图5所示。

图5 3种材料试验前后腐蚀状况对比

试验发现，3种材料表面均“生长”了一层薄的黑色物质，取样送XRF检测，检测结果表2所示。

表2 XRF检测结果

由图5局部放大视图可知，腐蚀程度按大小顺序依次排列为：材料Ⅱ＞材料Ⅰ＞材料Ⅲ，材料Ⅲ基体基本没有腐蚀，材料Ⅰ基体少许腐蚀，材料Ⅱ基体腐蚀最为严重。XRF检测结果表明，材料Ⅱ的S含量较材料Ⅰ显著低，暗示其腐蚀反应开始时间较材料Ⅰ早。造成设备腐蚀的主要原因是发生了酸结露，因此防止烟气结露和提高设备壳体耐腐蚀性尤为关键。

防腐试验还发现除尘器净气室内表面伴有白色粉末次生物产生，严重时脱落形成大量碎末，为分析其组成和形成机理，从除尘器内部5个不同部位采集了碎末样品，送检进行X射线荧光（XRF）检测。测试结果表明，所有样品主要成分为元素S和Fe，二者质量比（mS/mFe）为0.11~0.23。反应物除白色粉末状物质外，还含有常见的腐蚀产物-Fe2O3、Fe3O4、-FeOOH和-FeOOH［9-10］。

1.5 袋式除尘安全运行保障措施

为保障烧结机头烟气袋式除尘安全稳定运行，研究人员还研发了配套技术措施，包括：①防治滤袋超高温烧蚀和超低温结露的自控保护技术；②防治除尘器超高负压结构安全的泄压技术；③防止油雾糊袋技术；④灰斗高超料位可靠报警技术；⑤防止灰斗积灰自燃的灭火技术；⑥滤袋保护的预涂粉快速混匀技术；⑦除尘器焊接和安装检漏技术；⑧烧结机开机生产协同技术等。

2 烧结机头电除尘与袋式除尘技术经济分析

与传统电除尘相比，烧结机头袋式除尘器在环境效应、性能指标、经济性和维护检修等方面占有明显优势。以480 m2烧结机为例，在处理风量相同的条件下，二者技术经济对比如表3所示。

表3 480 m2烧结机电除尘与袋式除尘技术经济对比

对比可见，烧结机头烟气袋式除尘器能实现稳定超低排放，为后续脱硫脱硝和活性炭吸附床等装置的稳定运行提供了保障，减少了生产停机频次。年节约电费41%，年综合运行费用下降约20%，经济效益显著。

3 大型烧结机头烟气袋式除尘技术应用示范

大型烧结机头烟气袋式除尘技术和装备于2021年9月9日在新余钢铁股份有限公司7# 360 m2烧结机上建成投运，这是袋式除尘技术在大型烧结机头烟气净化上应用的全球首台套示范工程，如图6所示，也是中国在大气环保领域颠覆性技术上取得的重大突破。投运以来，袋式除尘系统运行稳定，出口颗粒物质量浓度为5.1 mg/m3，平均阻力为650 Pa，烧结产量不下降，实际综合能耗降低30%以上，实现了超低排放，减污降碳效应开始显现。

图6 全球首台套大型烧结机头烟气袋式除尘工程示范

新余钢厂7#烧结机为360 m2大型烧结机，年产烧结矿380万~400万t。原机头烟气除尘采用2台280m2双室四电场卧式电除尘器，出口粉尘浓度严重超标，影响脱硫脱硝系统稳定运行。新余钢厂决定对7#烧结机头的一个大烟道烟气实施袋式除尘。烟气参数为：工况处理风量为108×104m3/h，烟气温度为120~180℃（最高220℃），烟气负压为17000Pa，含尘质量浓度＜15g/m3，SO2质量浓度为1500~3000mg/m3，NOx质量浓度为300~450mg/m3，含氧量为16%，含湿量为10%~12%。

示范工程采用了顶部垂直进风袋式除尘器和专用过滤材料，风机利旧，无需改造或更换。投运以来，袋式除尘器运行稳定，停机检查时，除尘器内部清洁，未见滤袋破损、结露、腐蚀和糊袋现象，滤袋表面粉饼附着均匀，易脱落，如图7所示，清灰周期为1.5~2.0h。运行数据显示，烧结机头烟气采用袋式除尘后，主抽风机频率多在46~48.5 Hz，定子电流为193~239 A，风机入口负压为9 500~12 500 Pa，烧结机料层厚度由原来的780 mm增加到820 mm，实现了提质增效。