馮夢雅，李 軍，賴 穎

（1.廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東韶關(guān) 512126；2.珠海粵裕豐鋼鐵有限公司，廣東珠海 519050）

0 引言

面對日益嚴(yán)峻的資源和環(huán)境壓力，中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級的階段［1］，因此對鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐排放和煤氣回收的要求也越來越高。如何在最大程度上利用現(xiàn)有設(shè)備進行除塵系統(tǒng)優(yōu)化改造，提高煤氣回收量和降低顆粒物排放，成為一個亟待解決的問題。

轉(zhuǎn)爐濕法除塵技術(shù)是一種在國內(nèi)國際上非常成熟的除塵技術(shù)［2］，目前仍然處在不斷發(fā)展完善的過程中，國內(nèi)的研究人員也在節(jié)能減排方面做出了大量研究。劉瑛等［3］通過對濕法除塵工藝的分析，指出洗滌塔加文氏管的工藝能夠從源頭上解決除塵水與轉(zhuǎn)爐煤氣夾雜的問題，具有較強的實踐價值。劉棟［4］對濕法除塵技術(shù)在轉(zhuǎn)爐煤氣除塵系統(tǒng)中的應(yīng)用進行介紹，結(jié)果表明對轉(zhuǎn)爐煤氣放散排放量的減少具有顯著效果，大幅降低大氣污染。楊瑩莉等［5］對轉(zhuǎn)爐濕法除塵超低排放技術(shù)、聲波團聚超低排放技術(shù)等進行了詳細介紹，為國內(nèi)的鋼鐵企業(yè)進行除塵系統(tǒng)改造提供經(jīng)驗。王宇鵬等［6］分析轉(zhuǎn)爐煙氣濕法除塵技術(shù)在實踐過程中氣霧噴槍、噴淋塔和喉口產(chǎn)生的問題并提出改進的方法和思路。高致遠和李朝輝等［7－8］對濕法除塵技術(shù)在轉(zhuǎn)爐煤氣除塵中的應(yīng)用進行介紹，通過對比改造前后電除塵器出入口含塵量和除塵效率，結(jié)合經(jīng)濟效益和社會效益測算，表明轉(zhuǎn)爐濕法除塵具有實踐性。唐國蘭等［9－15］對各領(lǐng)域除塵系統(tǒng)產(chǎn)生的問題進行總結(jié)介紹，并提出相應(yīng)的改造工藝建議。但是當(dāng)前對于轉(zhuǎn)爐濕法除塵系統(tǒng)的改造實踐研究尚少?；诖?，考慮到鋼鐵廠的實際生產(chǎn)和經(jīng)營情況，為提高轉(zhuǎn)爐煙氣中顆粒物濾除效率，降低環(huán)境污染和企業(yè)的經(jīng)營成本，本文在廣東某鋼鐵廠開展轉(zhuǎn)爐濕法除塵系統(tǒng)優(yōu)化改造實踐，對除塵工藝以及除塵裝置進行改進，并對改造結(jié)果進行評估。結(jié)果表明：本次改造能夠有效提高煙氣中顆粒物的濾除效率，降低環(huán)境污染和企業(yè)的經(jīng)營成本。

1 轉(zhuǎn)爐濕法除塵系統(tǒng)及現(xiàn)狀

該鋼鐵廠目前已有三座80 t轉(zhuǎn)爐，均采用一次煙氣凈化濕法除塵系統(tǒng)，主要包括溢流文氏管、線性環(huán)縫文氏管、洗滌塔、脫水塔等。由于煙氣除塵能力不足，尾氣顆粒物超標(biāo)，造成大氣污染。顆粒物無法及時濾除同時降低回收煤氣的品位，降低回收煤氣的產(chǎn)量，造成能源的浪費。系統(tǒng)管道內(nèi)積累大量污垢，每個月需定期組織人員進行人工清淤，影響生產(chǎn)效率。

一次除塵系統(tǒng)的工作原理主要為：煉鋼時轉(zhuǎn)爐爐口溢出1 400～1 600℃的高溫含塵煙氣，經(jīng)過冷卻煙道后進行降溫，依次進入溢流文氏管、重力脫水器、可調(diào)喉口文氏管、彎頭脫水器等進行除塵脫水得到凈化后的煤氣，通過風(fēng)機抽入經(jīng)過三通閥，具備回收價值的煤氣進入煤氣柜儲存使用，而不具備回收價值的煤氣經(jīng)過三通閥到放散煙囪點火后進行排放。

濕法除塵的主要優(yōu)點在于能夠?qū)⑥D(zhuǎn)爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M行冷卻、除塵和滅火，且除塵系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性較高，但存在下列缺點：除塵效率不高，檢修難度大，檢修頻繁，對正常的煉鋼生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響；運行費用高。為滿足GB28664－2012及今后日趨嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，排放需要達到30 mg／m3以下的水平，并實現(xiàn)降低維護量和運行費用的效果，綜合考慮廠房空間、工藝流程等方面，最終選擇對現(xiàn)有濕法除塵系統(tǒng)改造為濕法塔文除塵系統(tǒng)。

2 轉(zhuǎn)爐濕法除塵系統(tǒng)改造

對此次改造來說，目標(biāo)是在盡量少影響轉(zhuǎn)爐正常冶煉生產(chǎn)的前提下，采用先進、合理、安全、可靠的除塵技術(shù)和工藝降低轉(zhuǎn)爐煙囪顆粒物排放和回收煤氣中的粉塵含量，同時實現(xiàn)減小占地空間、降低企業(yè)投資和運行成本。

2.1 工藝技術(shù)路徑

在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，帶有大量粉塵的高溫?zé)煔鈴臓t口溢出進入煙罩，在煙道中進行汽化冷卻，此時溫度降到900℃左右。在煙道尾部設(shè)置的水封式補償器，將煙道和一級節(jié)能洗滌塔進行聯(lián)接。煙氣經(jīng)過洗滌塔的入口時，單介質(zhì)噴槍迅速感應(yīng)并動作，將煙氣溫度降低到飽和溫度左右，然后煙氣在洗滌塔內(nèi)通過多層單介質(zhì)噴槍的降溫，其溫度進一步降低到70℃以下。之后煙氣進入二級洗滌塔，在降溫的過程中同時發(fā)揮除塵的效果。飽和煙氣向上進入線性環(huán)縫文氏管，在喉口壓差的作用下，煙氣中30 mg／m3以上的顆粒物基本被濾除。煙氣從文氏管出來后進入旋流脫水器后通過多級脫水，分離煙氣與水顆粒。排水水封的作用是確保吸附粉塵后的凈化水能夠順利排出除塵系統(tǒng)。改造后的除塵系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 除塵系統(tǒng)流程圖

2.2 節(jié)能洗滌塔

節(jié)能洗滌塔的改造按照結(jié)構(gòu)可分為上、中、下三大部分。結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 節(jié)能洗滌塔

對于洗滌塔上部，加大洗滌塔入口，使其比冷卻煙道出口直徑大100～200 mm，保證煙塵氣流流動通暢，減小煙道阻力從而減少汽化冷卻煙道的180°大煙道積灰積渣，同時緩解煙塵顆粒對內(nèi)壁的沖刷磨損，提高洗滌塔的使用壽命和維護成本。同時對噴水裝置進行優(yōu)化改造，將水流方向設(shè)置為與煙氣相反的方向，對噴槍的噴嘴進行重新設(shè)計為螺旋狀，提高噴水量和噴水水壓，加速細小水珠與煙塵顆粒的撞擊，提高傳熱交換的熱效率，從而達到迅速熄火降溫，粗除塵的目的，并取消了噴射氮氣的設(shè)計，在保證降溫除塵效果的同時大幅縮減成本。

對于洗滌塔中部，考慮到其功能以煙氣凈化為主，可以通過加強塔內(nèi)煙氣與洗滌液之間的混合效果提高煙氣的凈化。煙氣從洗滌塔上部以帶有初速度的運動狀態(tài)進入中部會因為初始動量衰減而改變運動方向向上流動，在向上流動的過程中不斷卷吸周圍的流體，導(dǎo)致部分冷卻液回流，產(chǎn)生氣相濃度總體分布不均的現(xiàn)象，影響煙氣凈化效果［16］。因此本次改造在洗滌塔設(shè)置多個平行分隔板，使得煙氣在向上流動的過程中產(chǎn)生回流，洗滌液在氣體的擾動下產(chǎn)生了二次回流，造成紊流狀態(tài)，加強了氣液之間的混合效果，提高煙氣的凈化程度。

對于洗滌塔下部，其主要功能為分離煙氣與洗滌液，防止煙氣清洗污水被帶出進而影響煙氣凈化效果。洗滌塔液池的上部存在一個氣液分離區(qū)，煙氣冷卻液在氣液分離區(qū)內(nèi)依靠液滴自身的重力實現(xiàn)氣液分離，合理的氣液分離區(qū)高度能夠保證液滴的分離效率［17］。本次改造在洗滌塔尾端設(shè)置耐高溫的陶瓷煙氣濕度檢測器，與洗滌塔水位控制系統(tǒng)構(gòu)建閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)，通過檢測洗滌塔尾部煙氣的濕度，自動調(diào)節(jié)洗滌塔下部液池水位，使得氣液分離區(qū)高度保持在合理的范圍內(nèi)，保證清洗污水不會被煙氣帶出。

2.3 線性環(huán)縫文氏管

含塵煙氣經(jīng)過節(jié)能洗滌塔粗除塵后，煙氣中的粉塵顆粒大部分已經(jīng)降到1μm以下。為提高粉塵顆粒的捕集效率，需對線性環(huán)縫文氏管進行優(yōu)化改造。

線性環(huán)縫文氏管主要包括收縮段、喉口和擴散管。含塵氣體進入收縮段后，流速不斷增大，在喉口處達到最大，此時高速的含塵氣體與噴射在喉口處的液體之間發(fā)生高速碰撞，細化煙塵顆粒，增加煙塵顆粒與細小水珠的接觸面積，促進煙塵與細小水珠的凝聚。凝聚物進入擴散管后，由于流速逐漸減小，受到重力的作用從煙氣中分離出去。

本文對線性環(huán)縫文氏管結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改造，結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。根據(jù)轉(zhuǎn)爐吹煉過程中不同階段煙氣排放量的變化，自動控制重鉈進行上下運動調(diào)節(jié)喉口的開度，進而改變喉口處煙塵的流速，控制爐口煙氣保持微正壓和調(diào)節(jié)文氏管喉口阻損。對比定截面的線性環(huán)縫文氏管，提高了氣流分布的均勻程度，產(chǎn)生更好的除塵效果，提高煤氣回收質(zhì)量。

圖3 線性環(huán)縫文氏管

2.4 旋流脫水器

離開線性環(huán)縫文氏管后的濕煙氣，由于其中帶有溶解于水汽的細微煙塵顆粒，對除塵效率具有較大的影響。為了提高除塵效率，需要使用脫水器對煙氣進行干燥處理。

本文對旋流脫水器的結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。旋流脫水器包括底部風(fēng)扇、筒體、導(dǎo)板等組成。濕煙氣從旋流脫水器的底部切向進入，與底部風(fēng)扇之間進行碰撞后沿著旋流脫水器內(nèi)部螺旋上升。由于受到離心力的作用，包含細微煙塵顆粒的細小水珠被甩至筒體內(nèi)壁上，沿著內(nèi)壁向下流動實現(xiàn)第一步脫水。之后濕煙氣進入旋流葉片，與葉片發(fā)生撞擊，聚集形成大顆粒水珠，在葉片的旋轉(zhuǎn)下沿離心力方向被強制甩至脫水器的內(nèi)壁，實現(xiàn)第二部脫水。

圖4 旋流脫水器

相較于傳統(tǒng)脫水器，旋流脫水器能夠大幅提高除塵效率，同時由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)勢，脫水器內(nèi)壁無需定期沖洗，減小日常維護工作量和運營成本。

3 改造效果

轉(zhuǎn)爐濕法除塵系統(tǒng)改造于2021年12月完成，經(jīng)過探索和研究，已形成一套與新型轉(zhuǎn)爐濕法除塵系統(tǒng)相匹配的生產(chǎn)流程和工藝制度。目前轉(zhuǎn)爐濕法除塵系統(tǒng)運行狀況安全穩(wěn)定，大幅降低顆粒物排放，煤氣回收量超過改造預(yù)期指標(biāo)。

3.1 顆粒物排放

2021年和2022年1—9月的顆粒物排放數(shù)據(jù)如圖5所示，轉(zhuǎn)爐濕法除塵改造大幅降低顆粒物排放，取得顯著效果。2021年改造前1—9月轉(zhuǎn)爐顆粒物排放平均為60.87 mg／m3，最高可達到72.4 mg／m3；經(jīng)過改造后，2022年1—9月轉(zhuǎn)爐顆粒物排放平均為17.51 mg／m3，降低71.23%，顆粒物最大排放量為20.7 mg／m3，符合GB28664－2012對顆粒物排放小于30 mg／m3的要求。

圖5 顆粒物排放數(shù)據(jù)

3.2 轉(zhuǎn)爐煤氣回收

2021年和2022年1—9月的轉(zhuǎn)爐煤氣回收數(shù)據(jù)如圖6所示，轉(zhuǎn)爐改造濕法除塵系統(tǒng)改造有效提升煤氣回收量。2021年改造前1—9月轉(zhuǎn)爐煤氣回收量平均為76.94 m3／t，最 大 煤 氣 回 收 量 為83.1 m3／t；改 造 后，2022年1—9月轉(zhuǎn)爐煤氣回收量平均為87.96 m3／t，最大煤氣回收量為92.6 m3／t。

圖6 轉(zhuǎn)爐煤氣回收量

3.3 效益分析

根據(jù)轉(zhuǎn)爐車間統(tǒng)計測算，對現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐濕法除塵系統(tǒng)進行改造，可產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。改造產(chǎn)生的經(jīng)濟效益主要包括水電節(jié)省費用、新增優(yōu)質(zhì)煤氣，其中每噸鋼可節(jié)約電力使用0.5 kW·h，節(jié)水2 t，并增加回收約11 m3／t的優(yōu)質(zhì)煤氣，折合節(jié)省工業(yè)用電100萬元，節(jié)省工業(yè)用水150萬元，節(jié)省生產(chǎn)費用500萬元，共計1 450萬元。

對現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐濕法除塵系統(tǒng)改造還可以產(chǎn)生顯著的社會效益：（1）提高除塵效率，降低顆粒物排放，有利于減少環(huán)境污染，保護大氣環(huán)境。（2）改進生產(chǎn)工藝，降低員工檢修工作量，提高企業(yè)生產(chǎn)自動化和智能化程度，有助于促進鋼鐵廠現(xiàn)代化發(fā)展。（3）減少水電、煤氣的消耗，提高能源的回收利用率，有助于鋼鐵廠實現(xiàn)節(jié)能減排，促進可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)束語

針對目前轉(zhuǎn)爐濕法除塵系統(tǒng)除塵效率低下，造成環(huán)境污染、能源浪費、影響企業(yè)生產(chǎn)的問題，本文開展對轉(zhuǎn)爐濕法除塵系統(tǒng)的優(yōu)化改造實踐。改造內(nèi)容包括對工藝技術(shù)路徑進行優(yōu)化，設(shè)置二級洗滌塔、排水水封等裝置，在最大程度利用現(xiàn)有設(shè)備的前提下對除塵系統(tǒng)進行改造；對洗滌塔結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，增大了煙氣與水霧之間的紊流程度，提高煙氣的凈化效果；在洗滌塔尾端增設(shè)耐溫陶瓷式煙氣濕度檢測器，構(gòu)建閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)，保證煙氣凈化程度的相對穩(wěn)定性；對線性環(huán)縫文氏管和旋流脫水器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提高了煙氣的除塵效率和回收煤氣的質(zhì)量。

測量結(jié)果表明，本次優(yōu)化改造顯著降低鋼鐵廠轉(zhuǎn)爐的顆粒物排放水平，顆粒物平均排放量為17.51 mg／m3，符合30 mg／m3的國標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)，有效減少環(huán)境污染。同時提高了煤氣的回收量，從原先的76.94 m3／t提升至87.96 m3／t。本文對轉(zhuǎn)爐濕法除塵系統(tǒng)的改造，有助于鋼鐵廠實現(xiàn)節(jié)能減排，綠色生產(chǎn)。