转炉一次干法除尘超低排放改造方案分析

黄建东,张裕明

(宝山钢铁股份有限公司炼钢厂,上海 200941)

1 概述

转炉一次干法除尘技术(LT)是一种先进的转炉煤气除尘与回收的工艺方法,其烟气净化效果、能耗、工厂占地面积等方面都明显优于传统的OG湿法除尘技术[1-2],是国际上公认的转炉一次除尘发展方向[3]。宝山钢铁股份有限公司二炼钢现有3座300 t转炉,一次除尘系统采用LT法干式除尘技术。4#、5#转炉于1998年投运,由德国鲁奇公司负责设计和调试;6#转炉于2006年投运,由奥钢联负责设计和调试。改造前LT法回收转炉煤气工艺流程如图1所示。4#和5#转炉的LT系统在2008年进行了局部优化改造,主要在蒸发冷却器内增加蒸汽喷嘴和声波清灰器,在静电除尘器一电场增加三相电源和声波清灰装置。二炼钢3座转炉的LT系统经过多年高负荷运转,设备存在劣化,烟囱粉尘排放浓度已很难达到设计指标。由于LT设备的维护和功能性缺陷,二炼钢厂房和LT烟囱可见烟尘频发,不符合超低排放要求,对周围环境造成了影响。LT风机设计能力偏弱,烟气捕集能力不足,制约转炉吹炼达不到设计供氧强度,影响转炉生产效率,急需对现有LT系统进行改造。

2 LT系统存在的主要问题及改造目标

2.1 主要问题

(1) 蒸发冷却器筒体内壁积灰严重,清理频率和劳动强度高,大块落灰经常损坏底部香蕉弯输灰链条,严重制约转炉正常生产,须停炉检修。

(2) 蒸发冷却器出口温度控制不稳定,在200～280 ℃之间波动。

(3) 粗灰经常潮湿结块,影响气力输送。

(4) 粉尘排放浓度高,烟囱经常有可视烟尘外逸。

(5) 系统排烟能力不足,吹氧时炉口外逸烟尘多。

(6) 电除尘器响爆发生多,每月响爆2～6次/炉。

2.2 改造目标

(1) 每个炉役(约8个月5 600炉)蒸发冷却器积灰厚度≤50 mm。

(2) 烟囱颗粒物排放≤10 mg/m3。

(3) 最大供氧强度72 000 m3/h条件下炉口烟气无外溢。

(4) 静电除尘器泄爆次数≤1次/月(单炉座)。

3 LT系统主要问题原因分析及解决方案

3.1 蒸发冷却器积灰严重

3.1.1 原因分析

蒸发冷却器具有对一次干法除尘烟气降温和调质的作用,降温及调质的效果决定着干法除尘系统运行效果。整个干法除尘系统设备,对烟气具有调节功能的只有蒸发冷却器,因此蒸发冷却器是干法除尘系统的工艺核心设备。必须保证蒸发冷却器出口烟气温度稳定,如果蒸发冷却器出口烟气温度波动大,静电除尘器入口烟气温度波动大,粉尘比电阻波动大,静电除尘器的除尘效果波动也会大,且烟气量波动也会大。温度波动大也会导致设备频繁热胀冷缩,对设备的使用寿命极为不利;烟气量波动大导致风机频繁调速,对风机的使用寿命不利;风机的频繁调速反过来影响蒸发冷却器内部的烟气量,进一步影响蒸发冷却器的喷水量和出口烟气温度,从而加剧整个系统的温度不稳定、烟气量不稳定,系统很难达到最佳的平衡点,周而复始,导致整个系统除尘效果、设备运行状态每况愈下,缩短大修时间、影响转炉生产[4]。

宝钢股份二炼钢原LT系统初始设计存在荒煤气管道太短的问题(约80 m),荒煤气管道降温的空间很小,为达到电除尘器适宜除尘的温度要求,蒸发冷却器出口温度控制得较低,设定值仅为200 ℃。为达到较低的出口设定温度,蒸发冷却器基础喷水量较大,很容易喷射过量的水,过量的水在蒸发冷却器内难以完全蒸发,导致烟气含湿量过高,粉尘湿润度过大,就会出现粗灰湿灰和筒体内壁积灰现象,也容易导致粉尘粘在电除尘器极板极线上难于振落,导致电除尘器反电晕现象严重,二次电流较低,影响电除尘器的除尘效果。

3.1.2 解决方案

第一步是降低原蒸发冷却器的基础喷水量。在荒煤气管道上静电除尘器入口区域增加二级蒸发冷却设备,原蒸发冷却器出口设定温度由原来的200 ℃提高至230～250 ℃,再通过二级蒸发冷却器将烟气温度降低至电除尘器适宜除尘的温度。原蒸发冷却器出口设定温度的提高,大大降低了喷水量,有效解决了原喷水量较大无法完全蒸发导致蒸发冷却器积灰的问题。图2是二级蒸发冷却器结构形式及设置位置。

图2 二级蒸发冷却器结构形式及设置位置Fig.2 Process flow diagram and set position of secondary evaporation cooler

第二步是升级原蒸发冷却器的喷水工艺控制模型,保持出口温度稳定。吹炼开始阶段根据蒸发冷却器进出口烟气温度阶梯调节喷水,当系统检测到温度达到某一个阈值时,可以自动选择合适的供水量,从而解决了转炉开吹阶段温度上升过快引起的喷水量不足和温度上升过慢引起的喷水量过多的问题;吹炼中期根据烟气流量和蒸发冷却器进出口温度PID调节喷水。此喷水工艺模型的运用使得蒸发冷却器的喷水调节真正实现自动化无人干预调节,使得系统的喷水调节更加精准,为后续工艺流程提供了良好的保障[5]。喷水工艺控制模型升级改造后,原蒸发冷却器出口烟气温度稳定,避免了喷水量超调导致的积灰问题。图3是升级改造后的原蒸发冷却器出口温度曲线。

图3 升级改造后的原蒸发冷却器出口温度曲线Fig.3 Outlet temperature curves of evaporation cooler after upgrading

3.2 净化后烟气粉尘浓度降低

(1) 通过上述蒸发冷却器升级改造方案,保证了静电除尘器入口烟气温度稳定、烟气比电阻稳定,静电除尘器的除尘效率提升。避免了进入静电除尘器内的烟气存在未完全蒸发的液滴,解决了静电除尘器极板极线结垢积灰影响除尘效率的问题。

(2) 由于原静电除尘器内烟气温度不稳定、烟气含有未完全蒸发的液滴,导致极板极线变形腐蚀严重,本次改造更换了极板极线。阴极振打系统原设计为顶部凸轮传动侧部振打方式,当凸轮转到一定位置时,振打锤提升到一定高度同时落下敲击振打砧实现振打,这种振打方式在长期运行中如出现磨损或提升装置偏移,导致振打锤提升高度不足,振打力小无法清除阴极框架积灰,易形成反电晕影响静电除尘器的除尘效率。为提高清灰率和降低设备故障频率,阴极振打由提升振打改为拨叉振打。为改进电场内极线、极板及气流分布板的振打效果,将电场内部的振打锤改为仿形挠臂锤方式。为提高极线寿命,极线采用一体化激光切割技术。

(3) 原静电除尘器的高压电源为单相电源,除尘效率低,本次改造将高压电源升级为三相智能IGBT高频电源电压。图4是三相智能IGBT高频电源输出电压曲线。从曲线可以看出,三相智能IGBT高频电源电压特性强,输出波纹极小,接近纯直流电源,除尘效率较单相电源可提升20%。

图4 三相智能IGBT高频电源输出电压曲线Fig.4 Output voltage curve of three-phase intelligent IGBT high-frequency power supply

(4)上述措施保证了静电除尘器的基本除尘效率,这是实现系统超低排放最根本的需要,也是系统长期稳定运行最根本的需要。为达到烟气中粉尘含量≤10 mg/m3的排放要求,进一步增设了超低排放设备。采用煤气冷却器前置的技术,每套系统在原有轴流风机消音器和切换站之间增设1座煤气冷却器、1座除雾器和1座湿式电除尘器,除雾器放置在煤气冷却器上部,湿式电除尘器放置在除雾器上部。在新增煤气冷却器内,为了满足煤气柜回收煤气温度要求,需要大水量喷淋通过热交换将煤气温度冷却至≤70 ℃,同时对烟气进行洗涤,烟气会带出大量粒径较大的水滴,因此经煤气冷却器喷淋冷却后的烟气在进入湿式电除尘器之前需要先经过除雾器除雾,经过除雾器的烟气再经过湿式电除尘器进行精除尘,湿式电除尘器精除尘后烟气中粉尘含量≤10 mg/m3。

3.3 原系统排烟能力不足

原系统轴流风机按照300 t转炉、最大吹氧量72 000 m3/h设计,但实际吹氧量超过55 000 m3/h时炉口就出现烟尘外逸现象,因此风机实际能力达不到最大吹氧量72 000 m3/h的冶炼要求。

解决方案的第一步是重新进行风机设计选型,增大了风机的能力。表1为新风机与原风机参数对比表。

表1 新风机与原风机参数对比Table 1 Comparison of parameters between new and original ID fans

解决方案的第二步是升级改造原轴流风机转速的工艺控制模型。转炉在吹炼初期、吹炼中期、吹炼末期炉内的脱碳反应强度是不同的,吹炼中期脱碳反应最剧烈,产生的CO最多,吹炼初期和吹炼末期产生的CO相应较少。本次改造轴流风机转速采用抛物线形式的乘数因子烟气量计算模型,如图5所示。针对转炉不同吹炼阶段,烟气量计算乘数因子呈抛物线趋势时刻变化,在吹炼初期和吹炼末期烟气量不会过量计算,吹炼中期反应最剧烈时炉口不冒烟,使炉口稳定保持在微正压或微负压状态,尽可能减少炉口空气吸入量,最大化烟气回收热值的同时,最小化系统烟气量和轴流风机转速,保持系统和设备长期稳定运行。

图5 抛物线形式的乘数因子Fig.5 Parabola multiplier factor

3.4 静电除尘器泄爆

开吹、提枪后再下枪、双渣法二次下枪是3个极易引起静电除尘器泄爆的阶段。避免泄爆的主要手段是吹氧流量曲线与轴流风机转速及烟罩位置合理的配合,引起静电除尘器泄爆的大多数原因也是上述三者配合不合理。

开吹阶段的吹氧流量曲线要满足以下3点:①防止堵枪;②能够顺利点火;③能够符合开吹阶段反应由弱到强的反应事实,还要和轴流风机转速配合对一次除尘系统进行CO2置换。将开吹阶段生成的CO尽可能二次燃烧产生足够的CO2对系统进行置换,生成CO2隔离层,避免开吹前一次除尘系统内的空气与后续产生的CO追尾混气泄爆。

吹炼阶段提枪后再下枪、双渣法二次下枪前,系统内CO含量降到6%以下。

4 改造后效果

(1) 改造后5#转炉LT系统2021年12月3日投产,6#转炉于2022年1月26日投产,4#转炉于2022年8月1日投产,至今蒸发冷却器未出现严重积灰问题,平均积灰厚度为15 mm,避免了蒸发冷却器积灰清理以及大块落灰砸坏输灰链条导致的转炉停产。

(2) 2022年10月对系统进行了功能考核。在连续全放散的条件下,烟气中粉尘含量测试结果均在5 mg/m3以内,其中4#转炉LT为1.68 mg/m3,5#转炉LT为2.71 mg/m3,6#转炉LT为4.77 mg/m3,考核结果优良(改造目标为≤10 mg/m3)。

(3) 最大供氧强度72 000 m3/h条件下炉口烟气无外溢。

(4) 静电除尘器泄爆次数为零(单炉座)。

5 结论

(1) 本次改造通过对LT工艺控制系统的全面更新、增设二级蒸发冷却器、优化静电除尘器、增设精除尘设施等,实现了LT系统超低排放,彻底解决了制约二炼钢生产的环保老大难问题,为转炉煤气用户提供了更为清洁的能源。避免了蒸发冷却器严重积灰引起的转炉停产。

(2) 通过轴流风机扩容,为炼钢的高效生产创造了条件,转炉原吹氧量超过55 000 m3/h就会造成炉口冒烟,现在吹氧量72 000 m3/h炉口烟气无外溢。

(3) 本次改造几乎所有设备,包括静电除尘器内部件、静电除尘器高压电源、泄爆阀、杯阀、液压站等全部为国内厂家制造,为该领域的国内装备技术提升做了有益的尝试。