呂孟天予

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京，100176）

0 引言

高爐出鐵場是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)中的主要污染源之一，且控制和收集難度相當(dāng)大，是冶金企業(yè)環(huán)保工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。隨著國家對保護(hù)工作的日益加強(qiáng)，對高爐出鐵場通風(fēng)除塵的設(shè)計(jì)也提出更高的要求。

高爐出鐵場通風(fēng)除塵設(shè)計(jì)是整個(gè)出鐵場設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。本文總結(jié)分析了近期國內(nèi)部分高爐出鐵場的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合出鐵場各類煙塵的特性，給出了各級別高爐出鐵場除塵的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)分析認(rèn)為，高爐出鐵口、撇渣器、渣鐵溝、擺動(dòng)流嘴、鐵水罐位處采用全封閉和負(fù)壓抽風(fēng)設(shè)計(jì)，將鐵口區(qū)域封閉在小房子里，可以有效控制和收集出鐵場各類煙塵，強(qiáng)化煙塵捕集效果。煙塵經(jīng)布袋除塵器凈化后，排放濃度可以達(dá)到國家超低排放標(biāo)準(zhǔn)，并通過國內(nèi)某鋼鐵廠高爐出鐵場除塵設(shè)計(jì)案例加以驗(yàn)證。

1 出鐵場煙塵特性

據(jù)統(tǒng)計(jì)，高爐平均每生產(chǎn)1 t鐵水，出鐵場即產(chǎn)生2.5 kg煙塵[1]，同時(shí)受冶煉工藝和爐料的影響，產(chǎn)塵量可能高于2.5 kg。出鐵場鐵口、撇渣器、鐵溝、渣溝、擺動(dòng)流嘴、鐵水罐是產(chǎn)生煙塵的主要部位。

1.1 出鐵場煙塵主要點(diǎn)位和特性

1.1.1 鐵口煙塵特性

在開鐵口、堵鐵口及出鐵后期煙氣發(fā)生量較大，煙塵對出鐵場工作環(huán)境造成很大的污染，同時(shí)對人體健康也存在很大的隱患[2]。

開鐵口后，鐵水在爐內(nèi)壓力的作用下從鐵口噴出，同空氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量三氧化二鐵、一氧化碳煙塵。由于鐵水沿鐵溝方向噴出，產(chǎn)生的煙塵在水平方向流速較高，無法組織起有效的熱抬升運(yùn)動(dòng)，煙氣很快同冷空氣混合，在鐵溝附近呈無組織擴(kuò)散。該煙塵呈現(xiàn)出溫度高、流速快、射程遠(yuǎn)、噴射瞬時(shí)量大、擴(kuò)散面積大、煙塵顆粒小等特點(diǎn)，且捕集難度大，一旦失去控制就會(huì)迅速擴(kuò)散至整個(gè)出鐵場內(nèi)，并會(huì)長時(shí)間在空氣中飄散無法沉降。鐵出盡后，需要用泥炮進(jìn)行堵口操作，結(jié)束出鐵過程，堵口雖然過程持續(xù)時(shí)間短，但在堵口瞬間會(huì)產(chǎn)生一股煙氣，捕集難度也很大。

1.1.2 撇渣器處煙塵特性

高溫鐵水和熔渣經(jīng)主鐵溝流至撇渣器處進(jìn)行渣鐵分離，撇渣后的鐵水表面與空氣發(fā)生強(qiáng)烈氧化作用，產(chǎn)生大量煙塵。

1.1.3 擺動(dòng)流嘴、鐵水罐處煙塵特性

鐵水經(jīng)支鐵溝流落至擺動(dòng)流嘴，再從擺動(dòng)流嘴流落至鐵水罐內(nèi)。首先高溫鐵水流入鐵水灌發(fā)生撞擊，產(chǎn)生大量煙塵；另外高溫鐵水在罐內(nèi)呈沸騰狀態(tài)，鐵水與氧氣發(fā)生反應(yīng)也生成含氧化鐵顆粒的紅色煙塵，隨著熱氣流集中向上擴(kuò)散。在出鐵過程中，當(dāng)煙氣受到橫向氣流干擾時(shí)，煙塵在擺動(dòng)流嘴平臺下方至鐵水罐上部空間處外溢，形成無組織煙塵擴(kuò)散。

1.2 出鐵場煙塵的主要成分和粒徑

煙塵主要成分：Fe2O3約占61.4%，F(xiàn)eO約占32.36%，C約占2.5%。

煙塵主要粒徑分布：粒徑＞20 μm的約占21.65%，20～11 μm的約占16.40%，10～4 μm的約占44.58%，＜3 μm的約占17.39%。

2 出鐵場除塵設(shè)計(jì)方案及設(shè)備選型

2.1 高爐出鐵場除塵設(shè)計(jì)方案

出鐵場除塵點(diǎn)的分布：鐵口處、撇渣器處、支鐵溝處、渣溝處、擺動(dòng)流嘴處、鐵水罐處。

2.1.1 出鐵口處除塵

鐵口部位一般采用頂吸和側(cè)吸相結(jié)合的方式進(jìn)行除塵。開、堵鐵口時(shí)產(chǎn)生的大量煙塵主要靠鐵口頂吸罩抽風(fēng)進(jìn)行除塵；鐵口側(cè)吸罩作為輔助除塵，主要是在出鐵過程中，將鐵流落入主鐵溝時(shí)產(chǎn)生的煙塵抽走。

（1）爐前出鐵口處除塵設(shè)計(jì)原則。為了增強(qiáng)除塵效果，對于煙塵源頭的密封尤為重要，除了采用除塵罩，還輔助采用過水膜、垂暮等減少煙塵外溢的措施，但效果不盡人如意。目前大部分高爐爐前采取封閉式設(shè)計(jì)：即在出鐵場平臺上設(shè)立柱，利用風(fēng)口平臺，將泥炮、開口機(jī)和主溝前段全部封閉在房子內(nèi)，將煙塵限制在有限的空間內(nèi)?？紤]安全因素，在封閉房子內(nèi)設(shè)置煤氣報(bào)警儀，增設(shè)軸流風(fēng)機(jī)用于通風(fēng)、降溫，封閉房內(nèi)設(shè)置耐熱、防爆照明設(shè)施。考慮操作和檢修方便，在封閉房子泥炮、開口機(jī)側(cè)設(shè)置檢修門，用于工人進(jìn)行開口機(jī)換桿、裝炮泥和清理炮嘴作業(yè)；將泥炮開口機(jī)上部屋頂設(shè)置為活動(dòng)蓋板，滿足泥炮開口機(jī)檢修和設(shè)備吊裝的需要；在正對出鐵口側(cè)設(shè)置固定封板，主溝兩側(cè)則設(shè)置活動(dòng)門，以滿足主溝解體機(jī)進(jìn)入封閉房子進(jìn)行主溝解體作業(yè)，另外檢修及活動(dòng)門，均可作為安全疏散門；考慮封閉房子使用壽命，房子側(cè)封板及頂蓋板均進(jìn)行耐熱噴涂處理，也可在封板上設(shè)置水冷管。但對于改造項(xiàng)目，應(yīng)首先實(shí)現(xiàn)出鐵場平坦化，封閉方案可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改，目的是在不影響爐前安全及操作的條件下，實(shí)現(xiàn)爐前的有效封閉。出鐵場封閉房子平面布置見圖1。

圖1 出鐵場封閉房子平面布置圖

（2）出鐵口頂吸罩設(shè)計(jì)原則。不同級別的高爐，爐內(nèi)壓力不同，出鐵口頂吸罩安裝位置也不同，鐵口頂吸罩安裝位置應(yīng)該根據(jù)爐內(nèi)壓力大小適當(dāng)調(diào)整安裝位置。高爐容越大，爐內(nèi)壓力相對越高，鐵水流從鐵口噴射越遠(yuǎn)，鐵水流在主鐵溝內(nèi)的落點(diǎn)越遠(yuǎn)，高溫鐵水在落點(diǎn)處沖刷主鐵溝內(nèi)澆注料，同時(shí)與空氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量煙塵?？紤]到鐵口頂吸罩不能影響到爐前設(shè)備的運(yùn)行，因此不能安裝的太低；同時(shí)鐵口頂吸罩又要考慮風(fēng)口平臺留出換風(fēng)口的空間，不能離高爐太近。

（3）主鐵溝蓋板設(shè)計(jì)原則。原則上1 000 m3級別的高爐，為了不影響泥炮和開鐵口機(jī)工作，不設(shè)置主溝蓋，鐵口附近設(shè)置頂吸罩和側(cè)吸罩。2 000 m3及以上高爐，在主鐵溝上設(shè)置蓋板，并配置揭蓋機(jī)，開、堵鐵口時(shí)用揭蓋機(jī)移開溝蓋板，此時(shí)鐵口處的煙塵主要通過頂吸罩和側(cè)吸罩抽走，正常出鐵的過程中，用揭蓋機(jī)將溝蓋板蓋至主鐵溝上，此時(shí)鐵口側(cè)吸起主要作用。

2.1.2 撇渣器處除塵

考慮主鐵溝生產(chǎn)使用和維護(hù)成本情況，目前主鐵溝主要采用貯鐵式主溝。高爐鐵水從鐵口通道噴出經(jīng)主鐵溝流至撇渣器處進(jìn)行渣鐵分離，渣、鐵混合液體對撇渣器處耐材沖刷產(chǎn)生煙氣。對于出鐵口到撇渣器間產(chǎn)生的煙氣，大部分被鐵口處除塵罩負(fù)壓抽走，剩余煙氣被撇渣器處除塵點(diǎn)抽走。

2.1.3 鐵水罐位處除塵

1 000 m3及以下高爐多采用固定罐位式出鐵場，根據(jù)鐵水罐位處鐵水流動(dòng)特性，那里產(chǎn)生的煙氣很容易受鋼平臺下面橫向風(fēng)的干擾，導(dǎo)致此處煙氣流動(dòng)不穩(wěn)定，煙氣外溢。因此，設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量減少鐵水落差，適當(dāng)封閉減少橫向風(fēng)的影響，同時(shí)加大除塵風(fēng)量，盡量減少煙氣外泄。

2.1.4 擺動(dòng)流嘴處除塵

1 000 m3及以上高爐多采用擺動(dòng)流嘴式出鐵場，根據(jù)擺動(dòng)流嘴處鐵水流動(dòng)特性及土建結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)密封，減少橫向風(fēng)干擾，進(jìn)行負(fù)壓除塵。

2.2 高爐出鐵場除塵點(diǎn)位風(fēng)量分配

除塵點(diǎn)除塵風(fēng)量分配原則：除塵風(fēng)量理論上講越大越好，可以有效的吸走煙塵，但是風(fēng)量越大能耗越高，鐵水成本越高；另外風(fēng)量大會(huì)吸入一些大粒徑的固體顆粒，會(huì)加快除塵管道的磨損，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致鐵水溫降較大。所以除塵點(diǎn)的有效封閉和除塵風(fēng)量的合理搭配，是除塵達(dá)到超低排放要求的關(guān)鍵一步。不同級別高爐出鐵場各除塵點(diǎn)參照風(fēng)量見表1。

表1 不同級別高爐出鐵場除塵點(diǎn)位風(fēng)量分配

2.3 除塵設(shè)備選型

根據(jù)系統(tǒng)總風(fēng)量及出鐵場粉塵特性，以及以往高爐出鐵場除塵經(jīng)驗(yàn)，選用脈沖布袋除塵器。

脈沖布袋除塵器主要技術(shù)參數(shù)包括：除塵器處理風(fēng)量、過濾速度、過濾面積、濾袋規(guī)格、濾袋數(shù)量等。

風(fēng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)包括：風(fēng)量、風(fēng)壓、電機(jī)功率等。小型高爐由于間斷出鐵，為節(jié)約能源，主風(fēng)機(jī)配有調(diào)速型液力偶合器。大中型高爐由于鐵口交替出鐵，風(fēng)機(jī)配變頻電機(jī)（并具有旁路直接啟動(dòng)的功能），根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況合理調(diào)節(jié)風(fēng)量，保證除塵效果的同時(shí)降低能耗，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

3 工程設(shè)計(jì)案例

國內(nèi)某鋼鐵廠高爐有效容積2 500 m3，年產(chǎn)量213萬t/a。出鐵場面積5 500 m2，全部平坦化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)采用全混凝土梁、柱和無填沙層模板結(jié)構(gòu)。出鐵場設(shè)有3個(gè)鐵口，每個(gè)鐵口設(shè)有各自獨(dú)立的泥炮、開鐵口機(jī)和擺動(dòng)溜槽。鐵水溫度1 350～1 460℃，出鐵次數(shù)每天12～13次。

3.1 出鐵場除塵系統(tǒng)配置情況

高爐出鐵場設(shè)置除塵系統(tǒng)2套，除塵站設(shè)置兩套除塵器、風(fēng)機(jī)及消音器。除塵器采用低壓長袋脈沖布袋除塵器，除塵系統(tǒng)風(fēng)機(jī)總能力2×80×104m3/h，風(fēng)機(jī)配變頻電機(jī)（并具有旁路直接啟動(dòng)的功能），可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況合理調(diào)節(jié)風(fēng)量，在保證了除塵效果的同時(shí)降低能耗，節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。正常生產(chǎn)時(shí)，3個(gè)出鐵場交替工作，此時(shí)3個(gè)出鐵口可共用一套出鐵場除塵系統(tǒng)，通過電動(dòng)閥門進(jìn)行切換除塵管道；非正常生產(chǎn)時(shí)，可以兼顧兩個(gè)鐵口重疊出鐵，此時(shí)2套除塵系統(tǒng)同時(shí)工作。

3.2 出鐵場除塵點(diǎn)位配置情況

出鐵口頂部設(shè)置頂吸風(fēng)罩，雙側(cè)設(shè)置側(cè)吸風(fēng)罩，以捕集出鐵口、主鐵溝區(qū)域散發(fā)出的煙氣，其中頂吸罩是除塵關(guān)鍵，要適當(dāng)加大其尺寸和包容擴(kuò)散角度；為了保證除塵效果，鐵口區(qū)域封閉在小房子里，減少鐵口區(qū)域煙塵外溢；撇渣器處設(shè)置除塵罩及抽風(fēng)管道；渣、鐵溝設(shè)蓋板加強(qiáng)封閉，以便有效地控制煙塵；擺動(dòng)流嘴處雙側(cè)吸風(fēng)除塵，設(shè)擋風(fēng)墻，形成相對密閉的空間；封閉廠房減少橫向風(fēng)對鐵口除塵煙氣影響。

通過上述除塵環(huán)保措施，保證了出鐵場各除塵點(diǎn)位的密封和抽風(fēng)排煙效果，確保出鐵場除塵系統(tǒng)有效捕集和凈化出鐵時(shí)產(chǎn)生的煙塵，使出鐵場排放達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)（布袋除塵后排放濃度＜10 mg/Nm3），打造出“環(huán)境友好型”的潔凈出鐵場。實(shí)際效果見圖2。

圖2 出鐵場封閉實(shí)景圖

4 結(jié)語

隨著國家對環(huán)境保護(hù)要求的日益提高以及鋼鐵行業(yè)超低排放產(chǎn)業(yè)政策的實(shí)施，對高爐出鐵場通風(fēng)除塵的設(shè)計(jì)提出更高的要求。本文總結(jié)分析以往高爐出鐵的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，按照鋼鐵行業(yè)超低排放的要求，提出了各級別高爐出鐵場除塵的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

實(shí)踐證明，隨著高爐大型化以及爐前設(shè)備自動(dòng)化和智能化水平的提高，高爐出鐵場的封閉設(shè)計(jì)是一種必然的趨勢，通過配置合適的風(fēng)量可有效控制和收集出鐵場的各處煙塵，經(jīng)布袋除塵器凈化處理后，排放濃度＜10 mg/Nm3，可以達(dá)到鋼鐵行業(yè)超低排的要求。