生石灰消化除尘防雾技术进展

＊刘啸宇 韩雨琪 张雁 杨永斌 李骞*

（1.湖南晟清环保科技有限公司 湖南 411101 2.中南大学资源加工与生物工程学院 湖南 410083）

通常在烧结过程的配料环节需加入生石灰作为碱性熔剂；生石灰在消化过程中会释放大量的热量，从而提高混合料料温，减少甚至消除烧结料层的过湿现象；生石灰消化形成的消石灰是一种极细的胶体颗粒，可改善原料的制粒效果。因此，生石灰可提高料层温度、改善料层透气性和烧结矿粒度，从而显著提升烧结成品矿的产量和质量，其消化工艺在烧结过程中具有重要的意义。

然而，生石灰在消化过程中释放的热量会使消化水沸腾，并同时携带生石灰、消石灰胶体的微细颗粒，造成现场环境的污染以及消化水的浪费，故生石灰消化系统需配备除尘器。由于生石灰消化系统产生的含尘蒸汽具有特殊性质，需使用特定的除尘防雾系统，这也是国内钢铁厂在烧结工序除尘方面面临的巨大难题。

1.生石灰特性与消化

生石灰的主要成分为氧化钙（CaO），外形为白色、灰色（含杂质）或棕白。生石灰具有吸水性，可吸收空气中的水和二氧化碳。生石灰与水反应生成氢氧化钙的过程称为消化，化学反应方程式如下：

消化过程会产生大量的热量（65.17kJ/mol），温度可超过100℃，体积扩大1～2倍[1]。生石灰消化后形成氢氧化钙胶体，该胶体颗粒极细，比表面积较大，并可吸附大量的水，从而可强化制粒、改善料层透气性。

目前，烧结过程中生石灰的消化有两种方法[2]，一是将生石灰通过皮带与其他烧结原料一起送入混合系统中进行混合，并在一混过程中加入柱状水以达到生石灰消化的目的；二是在配料系统中配备单独的消化器，在进入混合系统之前完成生石灰的消化工作。相较而言，第一种方法易出现“多白点”现象（即消化不完全），从而造成后续烧结过程中残留生石灰破坏原有矿相，致使成品矿粉化、强度下降。第二种方法生石灰消化更完全，可有效改善烧结料层的透气性，并可为高料层烧结打下良好的基础。加之，国内各烧结厂逐步实现了设备大型化。因此目前烧结厂普遍采用单独消化的方法（即第二种方法），并在配料车间中配备生石灰消化器。

生石灰消化工艺主要有湿法和干法两种[3]，两种工艺都需要搅拌以推动消化反应的进行，搅拌方法分为机械搅拌与气流扰动搅拌[3]，搅拌过程都会伴有一定量的扬尘。同时，消化过程中会释放出大量的热量使水沸腾、产生大量的蒸汽，吸附大量微细生石灰和消石灰颗粒物。且生石灰消化产生的含尘蒸汽具有以下特征[4]：

（1）高分散性：消石灰粒度细，自然沉降慢，分布范围广，难以捕捉。

（2）强亲水性：粉尘断裂强度大于600Pa，属于强亲水性粉尘，湿度大，极易结块，粘附在通风管道内壁和除尘器上。

（3）水硬性：蒸汽中的细小消石灰胶体颗粒，易与空气中的CO2反应生成CaCO3固体沉淀，大量的CaCO3固体容易形成硬垢而板结。

因此，普通的除尘设备无法满足生石灰消化系统的除尘，为避免对现场工作环境产生影响，需要在生石灰消化装置上配备特定的除尘器。

2.除尘技术

目前主要的除尘方法有机械式除尘、静电除尘、袋式除尘以及湿式除尘四种。各除尘技术的原理、优缺点及在生石灰消化系统中的运用如下：

（1）机械式除尘，指依靠重力、离心力等机械力将含尘废气中的尘粒去除的方法。该方法具有除尘设备结构简单、运行费用低等优点。在消化除尘方面主要通过离心装置实现含尘蒸汽中的固体分离，主要运用于湿式除尘器结合离心装置构成的复合除尘技术中。

（2）静电除尘，指含尘气体经过高压静电场时被电分离的方法。由于在除尘过程中经常发生电除尘器除尘管道堵塞、含尘蒸汽致使电除尘器管道内污水淤积，以及极板挂泥、腐蚀严重，除尘器运行电压、电流达不到正常范围等问题，该方法在消化除尘中已被逐渐淘汰。

（3）袋式除尘，指含尘气体在通过圆筒形滤袋的过程中分离气体中固体粉尘的方法。袋式除尘器具有效率高、对微细粒捕集能力强的优点。但是，由于消化系统产生的蒸汽具有湿度大、温度高等特点，含尘蒸汽极易在布袋除尘器中堵塞除尘滤袋，因此生石灰消化不适宜运用布袋除尘器。

（4）湿式除尘，是将含尘废气与洗涤剂充分接触，使灰尘被洗涤下来再加以净化的方法。这种除尘方式的优点为效率高、除尘器结构简单、造价低、占地面积小、操作维修方便；特别适合用于处理高温、高湿、易燃、易爆的含尘气体；且可同时除去部分气态污染物。因此，目前配料系统的生石灰消化系统普遍使用湿式除尘器。

3.生石灰消化湿式除尘技术

湿式除尘是生石灰消化普遍采用的方法，但使用过程易产生管道堵塞的问题，因此“防堵”措施的研发是湿式除尘器发展的一大难题。据研究[1]，对湿式除尘器的三个关键部位进行防堵措施至关重要：

第一，水平通风管道：首先在水平收尘管道上设置一个大于10°的斜坡，之后在管道内安装喷嘴，对管道内堆积的淤泥进行冲洗。

重钢[5]就是采用多相流水雾捕尘技术实现含尘蒸汽向固相和液相分别转换实现初步净化，之后利用液体的流动性，在管道内设置一定的坡度，同时在管道内每间隔2m设置清堵口。

第二，垂直收尘管道：垂直管道不可用水进行冲洗，则采用仓壁振动器以解决淤堵问题。据研究，将垂直管道内壁换为双层帆布管后，仅需人工抖动即可抖落内壁粘附物料，解决了垂直收尘管道淤堵的问题。

第三，喷淋系统管道：喷淋系统管道内壁极易由于生石灰的水硬性产生前文提到CaCO3固体沉淀而淤堵。据肖玉庆等人[1]通过实验探究得到了两种解决方法：一是将喷淋系统的钢管全部换为内壁更为光滑的PE管；二是在喷淋系统的水中混入3%的废酸（来自烧结烟气脱硫脱硝过程）。

针对湿式除尘器普遍存在易堵的问题，目前各烧结厂采用的生石灰消化湿式除尘技术大多经过改造，通常采用复合分级除尘、浸入除尘以及水幕除尘技术。

(1)复合分级除尘技术

烧结厂常采用复合分级除尘技术来解决生石灰消化除尘系统普遍存在除尘效果差、水箱污水易外排的问题，该除尘技术有两个除尘点，结合了湿式除尘及袋式除尘两种技术，利用粉尘亲水性，实现对含尘蒸汽的分级处理。

攀钢[6]根据这一技术，将其烧结配料过程中原有的普通消化系统除尘器改为了二级水系除尘器，采用“预洗—水浴—抽风—净气排放”的思路对含尘蒸汽进行了治理及循环回收利用，其流程如图1所示。该分级除尘系统在原有的除尘系统基础上增加二次洗涤技术。细颗粒物由于本身粒度细、分散度高容易在一次洗涤时从雾状除尘水中逃逸出来，残余的细颗粒粉尘通过第二级除尘过滤网时，被过滤网上的水膜捕捉，从而达到提高除尘效率的目的。该技术在降低粉尘排放浓度的同时，还保护了风机的正常运行，避免了风机因粘结物板结而引起的振动。

图1 攀钢二级水洗除尘器流程图

新钢[7]根据复合分级除尘技术设计了一个新型除尘器（见图2）。该除尘器在原有的复合分级处理基础上，设计了溢流装置与搅拌装置，防止因为水池中粉尘的沉淀和板结造成的水箱污水外溢的问题。粉尘排放浓度由原来的210mg/m3下降到25mg/m3，可见该除尘器除尘效果良好，可有效改善生石灰配料系统的环境。

图2 新钢复合湿式除尘器[7]

(2)浸入式除尘技术

莱钢烧结厂[4]研发了一种筛管浸入式高效湿式除尘器，其工作原理如图3。筛管浸入式高效湿式除尘器通过风机在水箱内形成负压，将含尘蒸汽吸入除尘水箱内，含尘蒸汽经过水的喷淋后，通过筛管进入水浴盒内，通过引风机的引力使水浴盒内的水在多孔筛管的作用下沸腾，达到含尘蒸汽与水的完全混合，从而去除蒸汽中的微细粒粉尘。

图3 筛管浸入式高效湿式除尘工作原理图[4]

值得注意的是，该除尘器为了防止含沉淀物的废水淤堵在水箱内，设计了一个可以将污水中的沉淀物与清水分离，并将分离出来的废水通过潜水泵送入消化器进行二次利用的循环装置，解决了湿式除尘污水利用率低和二次水污染问题。

(3)水幕除尘技术

水幕除尘器特点为将水浴和喷淋结合，分级对含尘蒸汽进行除尘，工作原理如图4。通过高压风机将含尘蒸汽集中到水槽中，实现第一级除尘，之后将气流与水雾对冲进行第二级除尘，经过两级湿式除尘，除尘效果可达到85%以上。但是，水幕除尘器仍存在以下问题[8]：

图4 水幕除尘器工作原理图

①进风口处喷头水量不稳定，导致进风口管道内壁产生很多粉尘粘附。

②由于进风口发生堵塞，导致进水量与出水量不平衡，需要人工进行污水外排工作。

③污水及沉淀物容易导致除尘箱和水箱设备损坏。

邯钢[9]在生石灰配料环节设置了水幕除尘器，但是存在通风管道入口处粘料严重的问题。针对该问题，金中环保机械厂[10]研发了一种新型复合型水幕除尘器，该除尘器设置了五道净化流程，除尘效率高且除尘器产生的污水可完全回收利用，不会产生二次污染。

(4)湿式除尘技术研究前沿

上述技术虽然有效改善了生石灰消化系统含尘蒸汽严重外溢的问题，但除尘效果仍然无法达到预期。因此，研究人员针对具体情况，发明了一些优化除尘的装置，各烧结厂可根据现场生产的具体情况，在原有的除尘技术基础上进行优化升级。

①用于高温含尘蒸汽的除尘装置

针对生石灰消化含尘蒸汽温度高的问题，王淼等人[11]发明了一种用于高温含尘蒸汽的除尘装置。其创新点在于设计了水淬池，高温含尘蒸汽可提前进入水淬池降温；喷嘴将水雾化后喷射到排气管内实现了降温和除雾双层作用；且可将高温蒸汽中的粉尘有效过滤，实现回收利用，减少环境污染。

②提高除尘效率的装置

湿式除尘器在处理粒径为0～5μm的颗粒物时效率较低（60%～72%）。针对该问题，发明了一种新型共震声波除雾塔[12]。该除雾塔可使含尘蒸汽流形成涡旋，在离心力作用下实现脱水；并可高效捕捉雾滴，在共震声波的作用下使雾滴落下并汇集排出。与此设备相似，还有一种涡旋离心脱水塔[13]，是一种可以有效实现蒸汽液化并与颗粒物分离的方法。该涡旋离心脱水塔通过若干带有导槽的高分子隔板及涡旋叶轮，可使含液气流在离心力的作用下发生气液分离，并使液体快速汇集排出，提高脱水效率及效果。

此外，杜江[14]发明了一种烧结配料地沟消化器除尘装置，该设备包括箱体、水泵、高压风机和分隔板，水箱内装有溶尘液。当含尘蒸汽进入箱体内部后，分隔板靠近蒸汽入口从而达到封闭装置的目的，之后雾化喷头喷出溶尘液将含尘蒸汽中的颗粒物溶解，水蒸气液化与箱内溶尘液混合，从而达到提高除尘效率及石灰回收率的目的。

③湿式除尘器防堵措施

前文介绍了湿式除尘器水平管道、垂直管道及喷淋系统的防堵工作，接下来将综述含尘蒸汽进入除尘器前后所进行的防堵措施，包括蒸汽预处理、通风管道防堵技术、喷头防堵技术、分段除尘技术以及排渣箱防堵技术。

A.蒸汽预处理：李佳瑞等[15]研究了一种石灰消化工艺烧结板流化除尘系统，该系统可对含尘蒸汽进入除尘系统前进行预处理，可在有效回收水蒸气的同时减轻除尘装置的除尘压力；该系统能够充分过滤经过预处理的含石灰水蒸气，可达环保要求，同时拦截的石灰可返回石灰消化工艺，实现其回收利用。

B.通风管道防堵措施：由于需要在除尘过程中对淤堵在管道内的颗粒物进行冲洗，一般通风管道采用碳钢材质风管再加上隔断冲洗的喷嘴，虽然该方法能有效解决风管堵塞的问题，但投资成本高，喷嘴容易堵塞。针对该问题，提出一种新型含尘蒸汽废气收集的通道管道[16]，该装置采用高分子材质作为抽尘立管、抽尘斜下管的原材料，并安装垂上斜下的抽尘管。在抽尘斜下管侧壁上安装喷管，有效减少了颗粒物淤堵在管道内部；同时，喷管对管道内部进行循环冲洗，使管道内壁上粘接的料灰随湍流进入汇流管内，与其他含尘蒸汽废气一起进入除尘器内部集中处理，避免抽尘斜下管内壁堵塞，实现自动防堵。

C.喷头防堵措施：崔志永等[17]发明了一种烧结配料室石灰消化器除尘装置。该装置的优点为：喷嘴倾斜15°安装，与水平面形成20°的夹角，可以有效防止淤堵，同时安装有多孔数过滤板和低数目过滤网板，可以对水流起到阻挡作用，使水流中的粉尘形成更大的颗粒，易于去除。

D.分段喷淋：针对在除尘器内部喷淋除尘水时易产生堵塞的问题，有一种SQ-多力场湿式除尘除雾装[18]，该装置通过不同功能段的结合，有效实现除尘、除水、除雾功能，从而实现排口无水雾的效果及满足超低排放要求。

该装置的优点在于，通过不同功能段的结合，有效实现除尘、除水、除雾功能，其中，Ⅰ为整流段、Ⅱ为除尘段、Ⅲ为除水段、Ⅳ为除雾段。该装置设备结构简单紧凑，整个喷淋系统无喷嘴等容易堵塞的组件，喷淋除尘结构仅由孔板和布水管组成，维护成本低；装置运行时，只要启动风机和水泵，循环池液位自控保持。

E.排渣箱：湿式除尘后会产生大量的含有絮状杂质的渣水，这些渣水直接排放会二次污染水资源，因此需对渣水进行过滤。目前常用的过滤箱过滤效果较差，同时过滤网需要定时进行清理，操作复杂。针对这一问题，有一种多力场湿式除尘专用免清理过滤排渣箱[19]，该设备的优点为：该新型排渣箱通过设置带有倾斜过滤网的过滤箱，使渣水从低处进入并从高处排出，可以有效过滤渣水中的絮状杂质，水的冲击力小，杂质不会从过滤网上穿过。同时，在过滤箱底端设置带有手动阀门的排渣管，可以定时打开阀门进行排渣，过滤网拦截的杂质直接在水的反冲作用下排出，不需另外对过滤网进行清理冲洗，操作简单，节省人力和时间；另外通过设置带有观察板的箱盖，便于直接查看箱体内的情况以便及时进行排渣，保持高效的过滤效果。

综上所述，目前生石灰消化的除尘防雾技术普遍采用分级湿式复合除尘器，并可配合特定的防堵、除雾、提高效率的设备，从而提高除尘器对生石灰消化产生含尘蒸汽的除尘防雾性能。然而，上述方法所涉及的设备较复杂、环节较多、且维修成本较高。

4.消化除尘防雾一体化新设想

为了防止生石灰消化系统外溢含尘蒸汽，并同时减少烧结配料车间设备负荷，现提出一种消化除尘防雾一体化装置的新设想。

生石灰由螺旋给料器输送至消化反应器内进行消化，该消化器顶端与输送生石灰的管道连接，生石灰在消化过程中产生的含尘蒸汽由该管道进行铺集，收集后返回至消化器。含尘蒸汽的水分在输送管道内冷凝，对生石灰进行消化；由蒸汽携带的生石灰、消石灰胶体颗粒与输送管道的生石灰一起返回消化器。消化完成的消石灰由下部螺旋给料器输送至配料皮带进行混合作业，解决了生石灰在消化过程中扬尘大的问题。

综上，生石灰消化过程中产生含尘蒸汽回收以及石灰再利用过程在该密闭装置内统一完成，基本实现消化系统颗粒物零排放，解决了生石灰在消化过程中扬尘大的问题，改善了配料系统现场的工作环境。该设备在改善配料系统环境的同时，实现了水分和石灰的再利用，减少了资源浪费；改善了生石灰消化不完全的问题，提高了生石灰消化的效率。

5.结论与展望

烧结过程中，生石灰消化可强化制粒，对改善烧结成品矿产质量具有重要作用，但消化过程易产生含微细颗粒蒸汽，需要特定的除尘器进行处理。本文综述了目前生石灰消化所采用的除尘技术及其研究前沿，并提出一种可同时实现生石灰的消化、含尘蒸汽除尘、水分回收利用的一体化装置。

（1）生石灰消化除尘主要使用湿式除尘器，但是湿式除尘器普遍存在效率低、易堵等问题，需要对普通的湿式除尘器进行改进，目前主要有采用复合分级除尘、浸入除尘以及水幕除尘技术。

（2）针对生石灰消化系统外溢含尘蒸汽温度高、湿式除尘器除尘效率低、易堵的问题，研究人员提出了一些针对性的发明，如水淬池、除雾塔、脱水塔、排渣箱等除尘器附件，能够提高除尘效率、防止除尘器堵塞。但是，随着各烧结厂为优化除尘配加多种除尘设备后，烧结工序生石灰消化系统逐渐开始出现设备复杂、维修成本高等问题。

（3）本文提出了一种消化除尘防雾一体化新设想。消化除尘防雾一体化设备能够在密闭空间内完成生石灰的消化以及石灰和水分的回收再利用。该设备在改善配料生产环境的同时，减少了资源浪费、减轻了配料车间设备负荷，基本实现消化过程零颗粒物排放。