钢铁厂转炉湿法除尘系统优化改造实践*

冯梦雅，李 军，赖 颖

（1.广东松山职业技术学院，广东韶关 512126；2.珠海粤裕丰钢铁有限公司，广东珠海 519050）

0 引言

面对日益严峻的资源和环境压力，中国钢铁产业正在经历产业结构优化升级的阶段［1］，因此对钢铁企业转炉排放和煤气回收的要求也越来越高。如何在最大程度上利用现有设备进行除尘系统优化改造，提高煤气回收量和降低颗粒物排放，成为一个亟待解决的问题。

转炉湿法除尘技术是一种在国内国际上非常成熟的除尘技术［2］，目前仍然处在不断发展完善的过程中，国内的研究人员也在节能减排方面做出了大量研究。刘瑛等［3］通过对湿法除尘工艺的分析，指出洗涤塔加文氏管的工艺能够从源头上解决除尘水与转炉煤气夹杂的问题，具有较强的实践价值。刘栋［4］对湿法除尘技术在转炉煤气除尘系统中的应用进行介绍，结果表明对转炉煤气放散排放量的减少具有显著效果，大幅降低大气污染。杨莹莉等［5］对转炉湿法除尘超低排放技术、声波团聚超低排放技术等进行了详细介绍，为国内的钢铁企业进行除尘系统改造提供经验。王宇鹏等［6］分析转炉烟气湿法除尘技术在实践过程中气雾喷枪、喷淋塔和喉口产生的问题并提出改进的方法和思路。高致远和李朝辉等［7－8］对湿法除尘技术在转炉煤气除尘中的应用进行介绍，通过对比改造前后电除尘器出入口含尘量和除尘效率，结合经济效益和社会效益测算，表明转炉湿法除尘具有实践性。唐国兰等［9－15］对各领域除尘系统产生的问题进行总结介绍，并提出相应的改造工艺建议。但是当前对于转炉湿法除尘系统的改造实践研究尚少。基于此，考虑到钢铁厂的实际生产和经营情况，为提高转炉烟气中颗粒物滤除效率，降低环境污染和企业的经营成本，本文在广东某钢铁厂开展转炉湿法除尘系统优化改造实践，对除尘工艺以及除尘装置进行改进，并对改造结果进行评估。结果表明：本次改造能够有效提高烟气中颗粒物的滤除效率，降低环境污染和企业的经营成本。

1 转炉湿法除尘系统及现状

该钢铁厂目前已有三座80 t转炉，均采用一次烟气净化湿法除尘系统，主要包括溢流文氏管、线性环缝文氏管、洗涤塔、脱水塔等。由于烟气除尘能力不足，尾气颗粒物超标，造成大气污染。颗粒物无法及时滤除同时降低回收煤气的品位，降低回收煤气的产量，造成能源的浪费。系统管道内积累大量污垢，每个月需定期组织人员进行人工清淤，影响生产效率。

一次除尘系统的工作原理主要为：炼钢时转炉炉口溢出1 400～1 600℃的高温含尘烟气，经过冷却烟道后进行降温，依次进入溢流文氏管、重力脱水器、可调喉口文氏管、弯头脱水器等进行除尘脱水得到净化后的煤气，通过风机抽入经过三通阀，具备回收价值的煤气进入煤气柜储存使用，而不具备回收价值的煤气经过三通阀到放散烟囱点火后进行排放。

湿法除尘的主要优点在于能够将转炉产生的高温烟气进行冷却、除尘和灭火，且除尘系统的运行稳定性较高，但存在下列缺点：除尘效率不高，检修难度大，检修频繁，对正常的炼钢生产造成严重影响；运行费用高。为满足GB28664－2012及今后日趋严格的排放标准，排放需要达到30 mg／m3以下的水平，并实现降低维护量和运行费用的效果，综合考虑厂房空间、工艺流程等方面，最终选择对现有湿法除尘系统改造为湿法塔文除尘系统。

2 转炉湿法除尘系统改造

对此次改造来说，目标是在尽量少影响转炉正常冶炼生产的前提下，采用先进、合理、安全、可靠的除尘技术和工艺降低转炉烟囱颗粒物排放和回收煤气中的粉尘含量，同时实现减小占地空间、降低企业投资和运行成本。

2.1 工艺技术路径

在转炉炼钢过程中，带有大量粉尘的高温烟气从炉口溢出进入烟罩，在烟道中进行汽化冷却，此时温度降到900℃左右。在烟道尾部设置的水封式补偿器，将烟道和一级节能洗涤塔进行联接。烟气经过洗涤塔的入口时，单介质喷枪迅速感应并动作，将烟气温度降低到饱和温度左右，然后烟气在洗涤塔内通过多层单介质喷枪的降温，其温度进一步降低到70℃以下。之后烟气进入二级洗涤塔，在降温的过程中同时发挥除尘的效果。饱和烟气向上进入线性环缝文氏管，在喉口压差的作用下，烟气中30 mg／m3以上的颗粒物基本被滤除。烟气从文氏管出来后进入旋流脱水器后通过多级脱水，分离烟气与水颗粒。排水水封的作用是确保吸附粉尘后的净化水能够顺利排出除尘系统。改造后的除尘系统流程图如图1所示。

图1 除尘系统流程图

2.2 节能洗涤塔

节能洗涤塔的改造按照结构可分为上、中、下三大部分。结构示意如图2所示。

图2 节能洗涤塔

对于洗涤塔上部，加大洗涤塔入口，使其比冷却烟道出口直径大100～200 mm，保证烟尘气流流动通畅，减小烟道阻力从而减少汽化冷却烟道的180°大烟道积灰积渣，同时缓解烟尘颗粒对内壁的冲刷磨损，提高洗涤塔的使用寿命和维护成本。同时对喷水装置进行优化改造，将水流方向设置为与烟气相反的方向，对喷枪的喷嘴进行重新设计为螺旋状，提高喷水量和喷水水压，加速细小水珠与烟尘颗粒的撞击，提高传热交换的热效率，从而达到迅速熄火降温，粗除尘的目的，并取消了喷射氮气的设计，在保证降温除尘效果的同时大幅缩减成本。

对于洗涤塔中部，考虑到其功能以烟气净化为主，可以通过加强塔内烟气与洗涤液之间的混合效果提高烟气的净化。烟气从洗涤塔上部以带有初速度的运动状态进入中部会因为初始动量衰减而改变运动方向向上流动，在向上流动的过程中不断卷吸周围的流体，导致部分冷却液回流，产生气相浓度总体分布不均的现象，影响烟气净化效果［16］。因此本次改造在洗涤塔设置多个平行分隔板，使得烟气在向上流动的过程中产生回流，洗涤液在气体的扰动下产生了二次回流，造成紊流状态，加强了气液之间的混合效果，提高烟气的净化程度。

对于洗涤塔下部，其主要功能为分离烟气与洗涤液，防止烟气清洗污水被带出进而影响烟气净化效果。洗涤塔液池的上部存在一个气液分离区，烟气冷却液在气液分离区内依靠液滴自身的重力实现气液分离，合理的气液分离区高度能够保证液滴的分离效率［17］。本次改造在洗涤塔尾端设置耐高温的陶瓷烟气湿度检测器，与洗涤塔水位控制系统构建闭环控制网络，通过检测洗涤塔尾部烟气的湿度，自动调节洗涤塔下部液池水位，使得气液分离区高度保持在合理的范围内，保证清洗污水不会被烟气带出。

2.3 线性环缝文氏管

含尘烟气经过节能洗涤塔粗除尘后，烟气中的粉尘颗粒大部分已经降到1μm以下。为提高粉尘颗粒的捕集效率，需对线性环缝文氏管进行优化改造。

线性环缝文氏管主要包括收缩段、喉口和扩散管。含尘气体进入收缩段后，流速不断增大，在喉口处达到最大，此时高速的含尘气体与喷射在喉口处的液体之间发生高速碰撞，细化烟尘颗粒，增加烟尘颗粒与细小水珠的接触面积，促进烟尘与细小水珠的凝聚。凝聚物进入扩散管后，由于流速逐渐减小，受到重力的作用从烟气中分离出去。

本文对线性环缝文氏管结构进行优化改造，结构示意如图3所示。根据转炉吹炼过程中不同阶段烟气排放量的变化，自动控制重铊进行上下运动调节喉口的开度，进而改变喉口处烟尘的流速，控制炉口烟气保持微正压和调节文氏管喉口阻损。对比定截面的线性环缝文氏管，提高了气流分布的均匀程度，产生更好的除尘效果，提高煤气回收质量。

图3 线性环缝文氏管

2.4 旋流脱水器

离开线性环缝文氏管后的湿烟气，由于其中带有溶解于水汽的细微烟尘颗粒，对除尘效率具有较大的影响。为了提高除尘效率，需要使用脱水器对烟气进行干燥处理。

本文对旋流脱水器的结构进行重新设计，结构示意如图4所示。旋流脱水器包括底部风扇、筒体、导板等组成。湿烟气从旋流脱水器的底部切向进入，与底部风扇之间进行碰撞后沿着旋流脱水器内部螺旋上升。由于受到离心力的作用，包含细微烟尘颗粒的细小水珠被甩至筒体内壁上，沿着内壁向下流动实现第一步脱水。之后湿烟气进入旋流叶片，与叶片发生撞击，聚集形成大颗粒水珠，在叶片的旋转下沿离心力方向被强制甩至脱水器的内壁，实现第二部脱水。

图4 旋流脱水器

相较于传统脱水器，旋流脱水器能够大幅提高除尘效率，同时由于其结构设计优势，脱水器内壁无需定期冲洗，减小日常维护工作量和运营成本。

3 改造效果

转炉湿法除尘系统改造于2021年12月完成，经过探索和研究，已形成一套与新型转炉湿法除尘系统相匹配的生产流程和工艺制度。目前转炉湿法除尘系统运行状况安全稳定，大幅降低颗粒物排放，煤气回收量超过改造预期指标。

3.1 颗粒物排放

2021年和2022年1—9月的颗粒物排放数据如图5所示，转炉湿法除尘改造大幅降低颗粒物排放，取得显著效果。2021年改造前1—9月转炉颗粒物排放平均为60.87 mg／m3，最高可达到72.4 mg／m3；经过改造后，2022年1—9月转炉颗粒物排放平均为17.51 mg／m3，降低71.23%，颗粒物最大排放量为20.7 mg／m3，符合GB28664－2012对颗粒物排放小于30 mg／m3的要求。

图5 颗粒物排放数据

3.2 转炉煤气回收

2021年和2022年1—9月的转炉煤气回收数据如图6所示，转炉改造湿法除尘系统改造有效提升煤气回收量。2021年改造前1—9月转炉煤气回收量平均为76.94 m3／t，最 大 煤 气 回 收 量 为83.1 m3／t；改 造 后，2022年1—9月转炉煤气回收量平均为87.96 m3／t，最大煤气回收量为92.6 m3／t。

图6 转炉煤气回收量

3.3 效益分析

根据转炉车间统计测算，对现有转炉湿法除尘系统进行改造，可产生显著的经济效益。改造产生的经济效益主要包括水电节省费用、新增优质煤气，其中每吨钢可节约电力使用0.5 kW·h，节水2 t，并增加回收约11 m3／t的优质煤气，折合节省工业用电100万元，节省工业用水150万元，节省生产费用500万元，共计1 450万元。

对现有转炉湿法除尘系统改造还可以产生显著的社会效益：（1）提高除尘效率，降低颗粒物排放，有利于减少环境污染，保护大气环境。（2）改进生产工艺，降低员工检修工作量，提高企业生产自动化和智能化程度，有助于促进钢铁厂现代化发展。（3）减少水电、煤气的消耗，提高能源的回收利用率，有助于钢铁厂实现节能减排，促进可持续发展。

4 结束语

针对目前转炉湿法除尘系统除尘效率低下，造成环境污染、能源浪费、影响企业生产的问题，本文开展对转炉湿法除尘系统的优化改造实践。改造内容包括对工艺技术路径进行优化，设置二级洗涤塔、排水水封等装置，在最大程度利用现有设备的前提下对除尘系统进行改造；对洗涤塔结构进行重新设计，增大了烟气与水雾之间的紊流程度，提高烟气的净化效果；在洗涤塔尾端增设耐温陶瓷式烟气湿度检测器，构建闭环控制网络，保证烟气净化程度的相对稳定性；对线性环缝文氏管和旋流脱水器结构进行优化，提高了烟气的除尘效率和回收煤气的质量。

测量结果表明，本次优化改造显著降低钢铁厂转炉的颗粒物排放水平，颗粒物平均排放量为17.51 mg／m3，符合30 mg／m3的国标排放标准，有效减少环境污染。同时提高了煤气的回收量，从原先的76.94 m3／t提升至87.96 m3／t。本文对转炉湿法除尘系统的改造，有助于钢铁厂实现节能减排，绿色生产。