萬大陽，呂 鳳，邵 松

（洛陽瑞昌環(huán)境工程有限公司，河南471300）

0 引言

高爐煉鐵生產過程中，主要采用水力沖渣方式對融渣進行處理。由于融渣溫度較高，約1400 ℃，采用高速水流對其進行水淬?；倪^程中，沖渣水在短時間內急劇升溫氣化，形成沖渣乏汽。沖渣乏汽成分非常復雜，其中絕大部分是水蒸氣和空氣，但也含有大量的粉塵（主要是渣粒），SO2、H2S 等酸性氣和氣溶膠等。這些沖渣乏汽沿渣溝擴散或經渣溝收集煙囪排出到大氣環(huán)境中，遇冷會形成濃濃“白煙”，對環(huán)境造成嚴重污染。高爐沖渣乏汽具有工況不穩(wěn)定，溫度和流量周期性變化，濕熱大，污染物含量大等特點，較難治理。

采用冷凝工藝對沖渣乏汽進行處理后再排放，能有效減少污染物排量。

1 項目概況

河北遷安某鋼A 鐵廠有一座660 m3高爐和一座1080 m3高爐，均采用底濾法沖渣。高爐煉鐵沖渣過程并不是一個穩(wěn)定均勻的過程，而是一個波動且呈現(xiàn)周期性變化的過程。沖渣時長一般約為60～100 min/次，一個周期內沖渣乏汽溫度約為50～95℃，峰值溫度持續(xù)時間約15 min。

經過反復測量，該660 m3高爐沖渣乏汽約17 萬m3/h，90 ℃時工況下。沖渣乏汽顆粒物含量約168 mg/m3，二氧化硫含量未檢出，氮氧化物34 mg/m3。

1080 m3高爐沖渣乏汽量約 24 萬 m3/h（90 ℃時工況）。沖渣乏汽顆粒物含量約120 mg/m3，二氧化硫含量約22 mg/m3，氮氧化物含量約8 mg/m3。

2019 年1 月起開始對該兩座高爐沖渣乏汽進行冷凝減排改造，2019 年6 月項目完成，運行效果良好。改造完成后，達到以下排放標準：

（1）高爐沖渣水乏汽最大限度減少煙氣中含濕量，渣溝含濕量降低比例不低于50%。[1]

（2）顆粒物、二氧化硫最終排放濃度不高于10 mg/m3。

（3）環(huán)境溫度0 ℃以上，視覺基本無白煙（大霧、雨雪等極端天氣除外）。

2 工藝方案

本項目中高爐沖渣乏汽冷凝減排方案設計采用空冷除濕減排+熱干空氣混兌消白工藝路線。具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 高爐沖渣乏汽冷凝減排工藝流程圖

在渣溝和渣池上方架設高爐沖渣乏汽收集系統(tǒng)，將沖渣過程中產生的乏汽進行收集，通過乏汽引風機的作用，將收集到的乏汽送入絲網除沫器，先進行初步過濾，以降低乏汽攜帶的粉塵顆粒物含量。再用沖渣水對濕乏氣進行初步的噴淋沖洗，因為沖渣水基本呈堿性（PH 約8～9），中和一部分乏汽中的SO2等酸性物質。初步沖洗后的乏汽送入玻璃板式空冷除水器，和環(huán)境冷空氣進行間壁式換熱。乏汽溫度降低，產生大量冷凝水，冷凝水析出的同時會帶走乏汽中的可溶性鹽類等超細顆粒物，從而進一步起到減排污染物的作用。與此同時，環(huán)境冷空氣和濕乏氣進行間壁式換熱后成為熱干空氣。

降溫冷凝除濕后的濕乏氣，再經過除霧器的作用，去除小液滴后，與熱干空氣充分混合均勻，成為不飽和氣體，其相對不飽和度大大提高，這樣從煙囪排出后，遇冷就不易冷凝結露，不形成“白煙”。[2，3]

3 沖渣乏汽冷凝設備選型

高爐沖渣乏汽含有大量的酸性物質和水蒸氣，水蒸氣含量高達30～70%，遇冷極易形成冷凝水霧，會對金屬設備造成極嚴重的酸性腐蝕和氯離子腐蝕。

根據方案設計，在本項目改造過程中，與沖渣乏汽接觸的主要關鍵設備有乏汽引風機和空氣—乏汽冷凝器（換熱器）。

高爐沖渣水循環(huán)使用，其氯離子濃度極高，一般在1000 mg/l 左右，甚至更高。這就導致高爐乏汽冷凝水中的氯離子含量也相對較高，本項目中達97mg/l（見表2）。乏汽引風機在收集乏汽時，乏汽往往會攜帶有沖渣水滴，因此，乏汽風機葉輪和蝸殼應選用耐腐蝕性不低于316L 不銹鋼的材質，最好是2205 雙相不銹鋼級別。曾做過驗證，ND 鋼材質風機在該同類環(huán)境下使用不超過兩個月，即出現(xiàn)殼體腐蝕穿孔。

綜合性價比，該方案中空氣—乏汽冷凝器材質易選用非金屬材質。本項目中選用REGLASS 玻璃板式換熱器，采用特種耐熱玻璃材質，幾乎能抗除氫氟酸以外的所有酸性腐蝕。板式結構，采用大平板玻璃，平直通道，阻力小，流速高，不易積灰結垢。[4]結構緊湊，同樣體積下，換熱面積是管式結構的兩倍多。設計使用壽命不低于8 年。

同等結構條件下，非金屬換熱器傳熱性能比金屬略低，但其整體性能優(yōu)異，性價比高，有其自身優(yōu)勢，在電力行業(yè)煙氣冷凝再熱，工業(yè)爐煙氣余熱回收等領域已大量應用，相當成熟。[4]

4 項目運行效果

本項目在建成調試完成后，即投入運行。運行三個月后，委托當地第三方專業(yè)檢測機構，中環(huán)（唐山）環(huán)境檢測有限公司進行檢測。檢測主要結果見表1。

根據表1 中數據，可以得出：

（1）660 m3高爐和 1080 m3高爐乏汽含濕量降低比例分別為62.1%、67.3%，均大于50%，滿足設計標準。

排放乏汽含濕量降幅=（（改造裝置入口含濕度-出口含濕量）/入口含濕量）×100%[1]

表1 第三方檢測主要乏汽數據表

（2）660 m3高爐和 1080 m3高爐乏汽顆粒物排放值均低于5 mg/m3，滿足設計標準。

（3）項目投運后，高爐沖渣溝白煙基本消除；環(huán)境溫度0 ℃以上時，視覺白煙消除率達90%以上。消白效果如圖2 所示。該項目系統(tǒng)安全運行至今，效果穩(wěn)定，完全滿足業(yè)主生產需求，獲得好評。

圖2 系統(tǒng)開啟前后“白煙”變化情況

5 冷凝減排分析

和許多工業(yè)現(xiàn)場測量一樣，受限于現(xiàn)場檢測條件如檢測孔位置不太理想，或不滿足測量孔前后直管段要求，或測量儀器精度、環(huán)境適配性等原因，工業(yè)現(xiàn)場測量數據往往會有一定偏差，不像實驗室獲得的數據那樣精準。為了進一步研究分析沖渣乏汽冷凝減排的實際效果，分別對該項目中A 鋼鐵公司兩套沖渣乏汽冷凝減排系統(tǒng)和唐山B 鋼鐵公司某460 m3高爐沖渣乏汽冷凝減排系統(tǒng)產生的冷凝水進行了取樣分析。冷凝水組份分析見表2。

A 鋼鐵公司和B 鋼鐵公司三座高爐沖渣乏汽冷凝減排系統(tǒng)的設計原理和主要核心設備均相同，差別主要存在于處理量和高爐生產負荷容量、高爐生產原材料、沖渣溝渣池布局長短、大小等的差異。由表2 可以看出：

（1）沖渣乏汽冷凝水主要呈酸性或中性（弱堿性），說明冷凝水中溶有一部分酸性物質，冷凝對乏汽中的酸性物質有一定減排效果。PH 值相差較大，可能主要和高爐生產使用礦石種類不同關系較大。

（2）沖渣乏汽冷凝水中含有懸浮物3～35 mg/l，主要是一些不溶于水的渣粒。懸浮物的多少，主要和渣粒粒徑大小，沖渣溝長短等因素有關。A 廠660 m3高爐和1080 m3高爐渣溝長度分別約為30 m 和 50 m，B 廠 460 m3高爐渣溝長度約 80 m，渣溝長度越長，渣粒越容易沉淀下來，故而B 廠460 m3高爐沖渣乏汽冷凝水懸浮物最少。

（3）沖渣乏汽冷凝水中含鹽量較大，638～982 mg/l?？赡Y顆粒物（CPM）主要分為無機、有機兩大類，沖渣乏汽中的可溶性鹽類大多都屬于可凝結顆粒。這些顆粒粒徑較小，毒性強，在空氣中停留時間長，擴散遠，是當前重污染天氣頻發(fā)的成因之一[5]。若不進行乏汽冷凝處理，這些可凝結顆粒都會隨乏汽一起排入大氣環(huán)境中，對環(huán)境造成嚴重污染[6]。將這部分鹽類也歸到乏汽攜帶的顆粒物中，根據三套系統(tǒng)的冷凝水量和乏汽量對其進行折算，可間接得到乏汽冷凝對顆粒物的減排效果，如表3 所示。

表2 高爐沖渣乏汽冷凝水水質檢測

表3 沖渣乏汽冷凝工藝顆粒物減排量折算表

根據表3 可知，乏汽冷凝工藝對乏汽中顆粒物的減排作用是巨大的，其中可溶性顆粒物減排量達62.30～95.52 mg/m3?？偟念w粒物減排量達65.03～98.92 mg/m3，占冷凝前乏汽總顆粒物含量比例達50%以上?？梢?，冷凝工藝對可溶性顆粒物的減排效果尤為突出。

6 結語

近年來，為了打贏大氣污染防治攻堅戰(zhàn)，河北、山西、江蘇、陜西等地的鋼鐵企業(yè)率先對高爐沖渣乏汽進行了治理。高爐沖渣乏汽具有狀態(tài)不穩(wěn)定，流量和溫度周期性波動，峰值溫度高濕熱大，成分復雜含水量大，含有大量酸性物質，可溶性鹽類、氣溶膠顆粒物等特點，治理難度較大[7]。

本文通過兩個高爐沖渣乏汽冷凝減排項目實例的運行情況，介紹了沖渣乏汽空冷除濕減排+熱干空氣混兌消白工藝的一般流程，分享了關鍵設備選型中的一些注意事項，并根據從三套裝置運行數據，重點研究分析了乏汽冷凝工藝對顆粒物的減排作用。主要結論如下：

（1）高爐沖渣乏汽含有大量水分和酸性物質，易冷凝，氯離子含量高，易對金屬設備造成酸性腐蝕和氯離子腐蝕。

（2）以環(huán)境空氣做為冷源，采用空冷除濕減排+熱干空氣混兌消白工藝對沖渣乏汽進行處理，能有效降低污染物和消除視覺“白煙”，達標排放。

（3）冷凝作用對乏汽中的可凝結顆粒物減排效果明顯，達50%以上。不溶性顆粒物，主要是渣粒，由于粒徑較大，則主要是通過噴淋洗滌、過濾、碰撞、沉淀等作用捕集。