周俊敏，李永輝，李新強，吳 量，高 璐，蔡澤龍

（1.青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島 266500；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018）

0 引言

為應(yīng)對氣候變化，我國提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”等莊嚴的目標承諾?！笆奈濉币?guī)劃也將加快推動綠色低碳發(fā)展列入其中。鋼鐵工業(yè)是物耗、能耗大戶，隨著當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施和提倡建立節(jié)約型社會，要堅持開源節(jié)流，科學(xué)地減少資源的消耗，有效降低碳排放。轉(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)生的煤氣熱值雖然不是太高，但是其數(shù)量巨大，噸鋼產(chǎn)生100 m3以上的含CO的煙氣具有很高的回收利用價值，并對降低碳排放起著至關(guān)重要的作用。目前，我國鋼鐵產(chǎn)量高居世界首位，從2020年底開始，工信部一再強調(diào)，要圍繞“碳達峰、碳中和”目標節(jié)點，實施工業(yè)低碳行動和綠色制造，堅決要求壓減2021年粗鋼產(chǎn)量，并發(fā)布了新版《鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能置換實施辦法》，完善了產(chǎn)能信息預(yù)警發(fā)布機制。在此背景下，2021年我國粗產(chǎn)量仍高達10.3億t。隨著國家淘汰落后產(chǎn)能，煉鋼轉(zhuǎn)爐趨于大型化，開發(fā)并推廣大型轉(zhuǎn)爐一次煙氣低碳高能效超凈排放技術(shù)及裝備是實現(xiàn)節(jié)約能源與環(huán)境保護的雙贏途徑，是實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煉鋼低能耗和粉塵超凈排放的有力措施，也是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標的重要手段。

大型轉(zhuǎn)爐一次煙氣低碳高能效超凈排放系統(tǒng)通過“大型圓筒型電除塵器+柔性精細調(diào)節(jié)設(shè)備”的新工藝研發(fā)、工藝智能控制及精準的實時調(diào)節(jié)控制，在各個工藝細節(jié)層層突破，實現(xiàn)了更高標準的系統(tǒng)節(jié)能、超低排放和“降碳”等關(guān)鍵技術(shù)指標。該技術(shù)是轉(zhuǎn)爐負能煉鋼的關(guān)鍵技術(shù)手段，通過智能化控制提高設(shè)備運行穩(wěn)定性，降低了碳排放，為實現(xiàn)超凈排放和減碳目標做出應(yīng)有貢獻。

1 系統(tǒng)總體描述

1.1 主要工藝

大型轉(zhuǎn)爐一次煙氣低碳高能效超凈排放系統(tǒng)主要用于處理大型轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的一次煙氣，在吹煉過程中，其瞬時煙氣處理量大、煙氣成分復(fù)雜且煙氣溫度隨冶煉階段的不同呈周期性劇烈變化。同時，在吹煉過程中會產(chǎn)生大量煙塵（含全鐵粉粉塵）和一氧化碳氣體，粉塵和一氧化碳都具備很高的回收價值。大型轉(zhuǎn)爐吹煉過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔馐紫冉?jīng)過汽化冷卻煙道降溫至1 000 ℃左右，然后通過多功能智能除塵冷卻器，將煙氣溫度從1 000 ℃降至200 ℃，并進行粗除塵，再進入圓筒電除塵器進行精除塵，經(jīng)除塵后的煙塵濃度≤10 mg/Nm3，潔凈煙氣經(jīng)過柔性精細調(diào)節(jié)設(shè)備洗滌，確保溫度達到回收標準的同時，再次凈化煙氣，確保煙囪排放含塵濃度長期穩(wěn)定低于排放標準，使回收煤氣和排放煙氣均能長期達到超凈排放要求。當(dāng)煙氣中煤氣達到可回收條件時，經(jīng)切換站進入煤氣柜回收利用。反之，則通過切換站進入放散煙囪點火放散。多功能智能型噴霧除塵冷卻器和電除塵器收集的粗、細粉塵通過輸灰裝置排出，并予以回收利用。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

1.2 工作原理

氧氣轉(zhuǎn)爐吹煉產(chǎn)生的煙氣溫度高達1 600 ℃，經(jīng)移動煙罩吸排進入汽化冷卻煙道。移動煙罩為循環(huán)水冷卻并可根據(jù)需要控制升降，吹氧冶煉期間，爐口與移動煙罩的間隙越小越好，盡量避免爐外空氣進入。如果爐外空氣進入量太多，空氣中的氧氣會與一氧化碳反應(yīng)燃燒，不但煙氣量增大，還會使煤氣含量下降，同時煙氣燃燒放熱后溫度會升高。高溫經(jīng)汽化冷卻煙道后，溫度由1 600 ℃降到800 ℃左右，然后進入多功能智能型噴霧除塵冷卻器，在其內(nèi)部與噴入的水進行熱交換，并急速降溫至200 ℃左右。噴入的水量由計算機自動控制調(diào)節(jié)，確保噴入的水全部汽化。多功能智能型噴霧除塵冷卻器中噴入了大量的霧化水，不但能讓煙氣溫度降到200 ℃左右，也能對煙氣進行調(diào)質(zhì)，使煙氣中粉塵的比電阻降到適合電除塵器捕集的范圍內(nèi)，同時多功能智能型噴霧除塵冷卻器也能對較大顆粒的粉塵進行除塵，可以作為第一級除塵，其除塵效率一般可達30%左右；而后，200 ℃左右的煙氣進入圓筒形電除塵器進一步凈化。圓筒形電除塵器是整個凈化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備［1］。由于氧氣轉(zhuǎn)爐煙氣的主要成分為一氧化碳，具有引發(fā)爆炸事故的危險性，因此為了使電除塵器有較好的空氣動力，要避免在除塵器內(nèi)部形成煤氣和空氣的可燃性混合氣體，為防止氣體在電除塵器內(nèi)形成回流和死區(qū)，可以將電除塵器截面設(shè)計成圓形。圓筒形電除塵器在其進出風(fēng)口配備有若干個不同級別的安全泄爆閥保護設(shè)備安全運行［2］。從圓筒形電除塵器出來的煙氣通過風(fēng)機再經(jīng)柔性精細調(diào)節(jié)設(shè)備洗滌降溫確保超凈后，通過切換站按照不同成分自動選擇不同路徑。符合回收標準的煤氣經(jīng)過切換站回收杯閥進入煤氣柜，其余煙氣經(jīng)過放散煙囪點火放散；由多功能智能型噴霧除塵冷卻器捕集下來的粗顆粒粉塵可直接通過斗提機設(shè)備轉(zhuǎn)運至中間暫存灰倉，在轉(zhuǎn)爐合適時機直接加入轉(zhuǎn)爐；由圓筒形電除塵器捕集的細顆粒粉塵，定期轉(zhuǎn)運到處理車間回收利用。

1.3 系統(tǒng)主要技術(shù)指標

適用轉(zhuǎn)爐容量為100～300 t；入口含塵濃度≤150 g/Nm3；出口含塵濃度≤10 mg/Nm3；系統(tǒng)阻力為7 500～8 000 Pa；煤氣回收量為 90～110 m3/噸鋼；系統(tǒng)耗電量為2～2.5 kW·h/噸鋼；系統(tǒng)耗水量為 0.1～0.2 m3/噸鋼；控制技術(shù)為實時自動精準控制。

2 系統(tǒng)特點

2.1 “多功能智能型噴霧除塵冷卻器+電除塵器+柔性精細調(diào)節(jié)設(shè)備”模式

“多功能智能型噴霧除塵冷卻器+電除塵器+柔性精細調(diào)節(jié)設(shè)備”新工藝，與傳統(tǒng)的一次除塵工藝相比，除塵效率提高并且運行更加穩(wěn)定，有效降低顆粒物排放量達5 mg/Nm3以上，可增收煤氣2～10 Nm3/噸鋼，節(jié)能減排效果顯著。

本工藝經(jīng)過多次試驗研究，在傳統(tǒng)干法除塵系統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，將柔性精細調(diào)節(jié)設(shè)備前移至切換站之前，除滿足回收煤氣降溫的作用外，還可放散煙氣洗滌再除塵，確保放散煙氣排放含塵濃度長期穩(wěn)定低于10 mg/Nm3，降低了放散排放粉塵濃度，噸鋼約降低排放4 g粉塵，按全國10億噸鋼計算，每年減少粉塵排放約4 000 t，真正實現(xiàn)了超凈排放，為減排工作做出較大貢獻。

2.2 多功能智能型噴霧冷卻及恒壓供水技術(shù)

針對轉(zhuǎn)爐煙氣工況特點，建立了流體熱交換溫度控制數(shù)學(xué)模型，開發(fā)了多功能雙流霧化噴槍（蒸汽/水、氮氣/水），水量調(diào)節(jié)范圍大，霧化效果好，確保了高溫?zé)煔獾臒峤粨Q效率，并采用智能型溫度調(diào)節(jié)技術(shù)進行閉環(huán)控制，確保煙氣溫度恒定且水霧全部汽化。同時，蒸汽和氮氣可以互用，在蒸汽不足時可用氮氣代替，保證雙流噴槍的使用［3］。本技術(shù)還提供了一種定頻泵的恒壓供水裝置結(jié)構(gòu)形式，在需水量頻繁變化且需要響應(yīng)速度特別及時的狀況下保證供水壓力響應(yīng)及時且壓力保持不變的同時，減少變頻器和水泵的投資，降低裝置的建設(shè)成本，延長了裝置的使用壽命。

本創(chuàng)新點實現(xiàn)了精準穩(wěn)定的降溫控制，在達到降溫目的的同時，能更加精準地控制蒸發(fā)冷出口溫度［2］，并根據(jù)工況隨時控制耗水量，減少了對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝節(jié)奏的干擾，大大提高了煉鋼效率。以前吹煉中斷時，可回收的煤氣都會因為吹煉中途中斷而被迫放散，采取該技術(shù)后，煉鋼節(jié)奏得到保證，因吹煉中斷而被迫放散的轉(zhuǎn)爐煤氣（主要成分為一氧化碳）也大大減少，有效降低了碳排放。

2.3 高效超低排放系統(tǒng)的開發(fā)

針對易燃爆煙氣工況和大煙氣量的特點，研發(fā)了國內(nèi)最大直徑防爆型圓筒電除塵器，開發(fā)了新型的極配型式、極線張緊裝置、扇形刮灰裝置、自恢復(fù)安全泄爆閥、刮灰傳動用一種自潤滑剖分軸承、軌道式扇形刮灰裝置等專利技術(shù)，確保了電除塵器高效除塵和長期安全穩(wěn)定運行，大大提高了系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)率和煤氣回收質(zhì)量。

自主開發(fā)的國內(nèi)第一套最大直徑防爆型圓筒電除塵器為大型轉(zhuǎn)爐徹底解決了煙氣量大、工況復(fù)雜等一系列難題，確保后續(xù)回收煤氣和放散煙氣的含塵濃度，為超凈排放打下堅實的基礎(chǔ)。

2.4 全新工藝控制模型

針對系統(tǒng)實時溫度和耗水量進行精準匹配，建立更加細致的微積分模型，增加包括吹氧量計算煙氣量的預(yù)判因素參與噴水控制，精準有效地控制出口溫度和噴水量；爐口微差壓模型控制風(fēng)機的實時轉(zhuǎn)速，代替轉(zhuǎn)爐階段的控制，減少了風(fēng)機耗電的同時，減少了爐口野風(fēng)的吸入，降低了爐口的煤氣燃燒系數(shù)，加之對轉(zhuǎn)爐降罩的要求，提高了煤氣中一氧化碳的濃度，增加了煤氣回收量，并提高了回收煤氣的熱值［4］；柔性精細調(diào)節(jié)設(shè)備根據(jù)回收或放散的不同狀態(tài)設(shè)置不同的噴水控制方式，放散階段更是根據(jù)出口粉塵排放濃度實時閉環(huán)控制，在確保排放達標的情況下，最大限度地節(jié)約用水。該技術(shù)在控制工藝細節(jié)中還增加了對吹煉結(jié)束轉(zhuǎn)爐提槍后的高濃度煤氣進行回收的工藝控制環(huán)節(jié)，即原來系統(tǒng)控制中，轉(zhuǎn)爐提槍后，煤氣回收立即切換為放散模式，15～60 s內(nèi)煤氣成分仍在可回收的條件范圍，但因控制手段不夠造成該部分煤氣的浪費且增加了碳排放。該技術(shù)將該部分高濃度煤氣合理且安全地回收利用，有效降低了一氧化碳的無效排放。

3 系統(tǒng)存在的不足

該研究成果雖然已廣泛應(yīng)用于各種型號的轉(zhuǎn)爐煙氣治理，在節(jié)能減排方面也在鋼鐵行業(yè)得到廣泛認可，但由于轉(zhuǎn)爐煉鋼周期性強，生產(chǎn)節(jié)奏快，而且鋼種較多，加入廢鋼的成分也比較復(fù)雜，因此煙氣成分變化范圍較大。當(dāng)煙氣成分或工況瞬間對電場造成抑制時，有可能導(dǎo)致電場參數(shù)的波動，為避免上述情況發(fā)生，應(yīng)積累轉(zhuǎn)爐煉鋼各種工況下的電場參數(shù)，形成數(shù)據(jù)庫，以便發(fā)生極端情況時用于做出科學(xué)的預(yù)判，將該系統(tǒng)對轉(zhuǎn)爐煉鋼節(jié)奏的影響降至最低，并結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)反饋情況，實現(xiàn)遠程在線診斷，充分利用好網(wǎng)絡(luò)時代的技術(shù)優(yōu)勢，不斷完善該項目的技術(shù)成果。針對目前的技術(shù)需求，研究人員已著手該方面的研究和試驗，儲備相關(guān)技術(shù)，爭取早日在工程項目上有技術(shù)突破，讓用戶獲得更好的服務(wù)和體驗。

4 結(jié)論

綜上所述，通過大型轉(zhuǎn)爐一次煙氣低碳高能效超凈排放技術(shù)的研發(fā)，進一步掌握了大型轉(zhuǎn)爐一次煙氣低碳高能效超凈排放技術(shù)與裝備的關(guān)鍵，并結(jié)合我國鋼鐵行業(yè)的發(fā)展特點，通過創(chuàng)新，開發(fā)出一種具有自主創(chuàng)新知識產(chǎn)權(quán)又適合我國大型轉(zhuǎn)爐新建、改造的投資少、能耗低、建設(shè)速度快的大型轉(zhuǎn)爐煉鋼煙氣超凈排放系統(tǒng)，使國內(nèi)企業(yè)具備大型轉(zhuǎn)爐一次煙氣低碳高能效超凈排放系統(tǒng)成套設(shè)備設(shè)計和供貨的綜合能力。但是，該技術(shù)也有不足之處，例如智能化控制還不完善、大數(shù)據(jù)利用率較低等，還需要在此基礎(chǔ)上開發(fā)創(chuàng)新，以便更好地服務(wù)生產(chǎn)、服務(wù)社會，創(chuàng)造更大的價值。