郭映波，嚴(yán)月祥，李 博，鄭 濤

（中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司煉鋼工程技術(shù)所，北京 100176）

0 引言

在轉(zhuǎn)爐一次煙氣除塵領(lǐng)域主要存在兩種工藝路線：濕法除塵技術(shù)和干法除塵技術(shù)。由于國(guó)內(nèi)早期環(huán)保政策沒(méi)有歐美嚴(yán)格，2000 年以前，我國(guó)國(guó)內(nèi)有的轉(zhuǎn)爐車間以及新建車間轉(zhuǎn)爐一次煙氣主要以濕法除塵技術(shù)路線為主。濕法除塵技術(shù)以水為介質(zhì)對(duì)轉(zhuǎn)爐煙氣進(jìn)行冷卻和洗滌，達(dá)到降溫和除塵效果，操作簡(jiǎn)單、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性好，但設(shè)備占地大、水耗量高。與濕法除塵技術(shù)相比，干法除塵技術(shù)水耗、能耗比較低，除塵效率高，能夠穩(wěn)定地將轉(zhuǎn)爐煤氣煙塵質(zhì)量濃度降低到15 mg/m3（甚至10 mg/m3）以下。根據(jù)國(guó)內(nèi)鋼廠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)[1]，對(duì)于150 t 轉(zhuǎn)爐，采用干法除塵比濕法除塵電耗降低越4.4 kW·h/t；轉(zhuǎn)爐煤氣回收量增加12.427 m3/t。

轉(zhuǎn)爐一次煙氣干法除塵技術(shù)成熟于20 世紀(jì)60年代，并逐漸在世界范圍內(nèi)推廣使用。我國(guó)第一套轉(zhuǎn)爐干法除塵設(shè)備由上海寶山鋼鐵公司于20 世紀(jì)90年代率先引進(jìn)，應(yīng)用于二煉鋼廠250 t 轉(zhuǎn)爐[2]。

近年來(lái)，由于國(guó)內(nèi)環(huán)境問(wèn)題日益突出，環(huán)保政策逐漸收緊（轉(zhuǎn)爐一次煙氣粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)由過(guò)去100 mg/m3降低到50 mg/m3[3]），“碳達(dá)峰、碳中和”“創(chuàng)建超低排放A 級(jí)企業(yè)”等節(jié)能環(huán)保理念受到鋼鐵企業(yè)重視，大多數(shù)煉鋼企業(yè)對(duì)標(biāo)國(guó)際、國(guó)內(nèi)先進(jìn)企業(yè)，在新建或改造項(xiàng)目中積極采用環(huán)保節(jié)能技術(shù)，實(shí)際建設(shè)過(guò)程中將轉(zhuǎn)爐一次除塵的排放要求降低至15 mg/m3以下，為適應(yīng)將來(lái)國(guó)家環(huán)保政策的調(diào)整預(yù)留空間。在此背景下，轉(zhuǎn)爐一次干法除塵技術(shù)得到快速推廣，成為各企業(yè)轉(zhuǎn)爐車間新建和改造項(xiàng)目采用的主流技術(shù)。

一批國(guó)內(nèi)承包商掌握了大中型轉(zhuǎn)爐一次干法除塵整套技術(shù)，全面實(shí)現(xiàn)了工藝和機(jī)械/電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)、加工制造、施工安裝以及軟件編程、調(diào)試等整個(gè)系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，除塵效果、能耗指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，降低了國(guó)內(nèi)企業(yè)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，為轉(zhuǎn)爐干法除塵技術(shù)快速推廣奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 干法除塵工藝流程

轉(zhuǎn)爐干法除塵工藝流程如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)爐一次干法除塵工藝流程圖

轉(zhuǎn)爐冶煉產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓? 400～1 600 ℃）通過(guò)汽化冷卻煙道時(shí)降溫至800～1 000 ℃。通過(guò)蒸發(fā)冷卻器時(shí)，被噴入到煙氣中的細(xì)小霧化水滴直接冷卻，噴入的水全部蒸發(fā)；煙氣中粉塵在入口處被水滴濕潤(rùn)，煙氣流在蒸發(fā)冷卻器內(nèi)流速降低，粗顆粒粉塵被捕集下來(lái)。煙氣在降低溫度的同時(shí)被加濕調(diào)質(zhì)，適于在干式靜電除塵器內(nèi)凈化處理。

煙氣離開(kāi)蒸發(fā)冷卻器時(shí)溫度為180～250 ℃，通過(guò)荒煤氣管道進(jìn)入靜電除塵器。轉(zhuǎn)爐冶煉不同階段，含CO2或CO 的煙氣呈柱塞狀交替地通過(guò)蒸發(fā)冷卻器和除塵器設(shè)備等全部煙氣通道。為消除爆炸氣流產(chǎn)生的破壞，靜電除塵器外殼上裝有泄爆閥。煙氣在靜電除塵器中流通時(shí)，在高壓電場(chǎng)力的作用下，荷電后的灰塵（粒徑0.02～1.5 μm）吸附在陽(yáng)極板上，煙氣中的含塵質(zhì)量濃度可以降低到10 mg/m3左右。

轉(zhuǎn)爐煙氣經(jīng)過(guò)降溫、除塵等一系列凈化處理，達(dá)到煤氣回收標(biāo)準(zhǔn)后，打開(kāi)切換站回收側(cè)杯閥，進(jìn)入煤氣冷卻器，噴水洗滌，轉(zhuǎn)爐煤氣冷卻到70 ℃以下后回收入柜；如果凈化煙氣不滿足煤氣回收標(biāo)準(zhǔn)，打開(kāi)切換站中的放散杯閥，煙氣中的CO 在煙囪中與O2充分燃燒后，排放至大氣。在吹煉過(guò)程中，粗粉塵在蒸發(fā)冷卻器內(nèi)被分離出來(lái)輸送至儲(chǔ)灰倉(cāng)內(nèi)。吸附在靜電除塵器內(nèi)極板上的細(xì)灰顆粒通過(guò)振打落下，由扇刮、輸灰裝置將細(xì)灰輸送到儲(chǔ)灰倉(cāng)中。儲(chǔ)灰倉(cāng)中的粉塵可用吸塵車運(yùn)出做進(jìn)一步處理。

轉(zhuǎn)爐干法除塵系統(tǒng)主要存在問(wèn)題[4]：泄爆故障、蒸發(fā)冷卻器積灰、輸灰系統(tǒng)故障、煙氣含水含塵量過(guò)高等。其中，系統(tǒng)泄爆發(fā)生頻率高，難以預(yù)防；小泄爆導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐提槍，影響生產(chǎn)節(jié)奏；嚴(yán)重的泄爆破壞電除塵器內(nèi)部設(shè)備[5]，造成轉(zhuǎn)爐停產(chǎn)，帶來(lái)重大損失；泄爆控制不好，發(fā)展為爆炸，可能導(dǎo)致設(shè)備毀損和人員傷亡。

控制或消除泄爆，是采用干法除塵技術(shù)的鋼廠每天不得不面對(duì)的重要課題。

2 泄爆機(jī)理

泄爆本質(zhì)上是在有限空間內(nèi)的壓力急劇升高到體系限值后自發(fā)或受控的釋放過(guò)程。為了保護(hù)設(shè)備安全，轉(zhuǎn)爐干法除塵系統(tǒng)靜電除塵器兩端設(shè)置有泄爆閥，當(dāng)靜電除塵器內(nèi)部壓力達(dá)到設(shè)定值5 kPa 時(shí)，泄爆閥自動(dòng)打開(kāi)，完成泄爆，將靜電除塵器內(nèi)部壓力降低到安全范圍內(nèi)。

泄爆主要分為燃燒性泄爆和非燃燒性泄爆兩類。

非燃燒性泄爆是由于前端壓力突然升高，傳導(dǎo)至靜電除塵器造成的泄爆[6]，如：爐內(nèi)脫碳速度異常提高、產(chǎn)生的爐氣量瞬間加大，EC 槍內(nèi)蒸汽壓力、流量不穩(wěn)定等。

燃燒性泄爆是由于可燃性氣體瞬間燃燒，因體積膨脹導(dǎo)致壓力急劇升高的泄爆現(xiàn)象。轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程產(chǎn)生的煙氣中含有CO 和H2，同時(shí)含有一定量的O2，轉(zhuǎn)爐煙氣的爆炸有三要素：一是可燃性氣體與氧氣混合比達(dá)到爆炸極限，即：φ（CO）≥9%，φ（O2）≥6%；φ（H2）≥3%，φ（O2）≥2%；CO 與空氣的混合爆炸極限為12.5%～75%[7]，考慮提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，生產(chǎn)實(shí)踐中將CO 體積濃度控制邊界確定為9%。二是混合氣體的溫度?；旌蠚怏w的溫度在最低著火點(diǎn)以下，即CO 的著火點(diǎn)≤610 ℃；H2的著火點(diǎn)≤645 ℃。三是點(diǎn)火火源。

這三個(gè)條件缺一不可，控制泄爆的關(guān)鍵在于破壞爆炸發(fā)生的條件。根據(jù)轉(zhuǎn)爐煙氣干法除塵流程分析，靜電除塵內(nèi)煙氣溫度在180～250 ℃，滿足了第2 個(gè)因素，此條件無(wú)法破除。因此，控制泄爆的目標(biāo)是破壞第1 或者第3 個(gè)條件。控制點(diǎn)火火源依靠設(shè)備維護(hù)，保持設(shè)備狀態(tài)良好，減少靜電除塵器內(nèi)放電打火次數(shù)。針對(duì)第1 個(gè)要素，根據(jù)轉(zhuǎn)爐冶煉的不同階段，采用不同的控制路線：開(kāi)吹階段φ（O2）≥6%，控制φ（CO）≤9%；正常冶煉階段φ（CO）≥9%，控制φ（O2）≤6%。H2比CO 更易造成泄爆，應(yīng)將原料等帶入的H 元素盡量以H2O 的形式排出，避免H2的產(chǎn)生。

經(jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，燃燒性泄爆是靜電除塵器泄爆的主要原因，約占97%；泄爆強(qiáng)度較大，對(duì)設(shè)備破壞性較大。

3 泄爆的控制措施

各企業(yè)根據(jù)自身設(shè)備和操作人員實(shí)際情況，摸索出各自預(yù)防和減少泄爆的方法。

3.1 原料方面堅(jiān)持精料原則

要求入爐廢鋼、石灰、輕燒白云石等爐料干燥、無(wú)水汽；若廢鋼潮濕，入爐后需要利用轉(zhuǎn)爐余熱烘烤2～4 min，烘烤時(shí)爐口不正對(duì)煙道口；氧槍、煙道系統(tǒng)漏水時(shí)，嚴(yán)禁生產(chǎn)；通過(guò)這些手段，避免轉(zhuǎn)爐煙氣中H2含量超標(biāo)，消除H2導(dǎo)致的燃燒性泄爆。要求入爐廢鋼潔凈，無(wú)可燃物，防止吹煉過(guò)程中，廢鋼中的油污、油漆、橡膠等可燃物瞬間燃燒產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致靜電除塵器內(nèi)壓力驟然升高，引發(fā)泄爆。

嚴(yán)格“先廢鋼，后鐵水”的裝入順序[8]。除第一批料外，副原料的加入堅(jiān)持少量、多批次原則：

1）操作上，根據(jù)吹煉的不同階段，控制煙氣成分，避免進(jìn)入爆炸極限；確保吹煉平穩(wěn)，防止煤氣量波動(dòng)導(dǎo)致靜電除塵器壓力泄爆。轉(zhuǎn)爐吹煉階段的泄爆多數(shù)發(fā)生在開(kāi)吹打火階段和二次下槍階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)[9]，開(kāi)吹泄爆占比31.8%，二次下槍泄爆占比68.2%。

2）開(kāi)吹階段，鐵水溫度較低，吹煉前期需要脫出鐵水中的Si、Mn、P 等元素，脫碳速度低，煙道內(nèi)存在大量空氣。本階段采取的主要措施是優(yōu)化供氧模式，根據(jù)自身的設(shè)備配置和操作習(xí)慣，部分企業(yè)采用氧氣流量階梯控制模式[10]，部分企業(yè)采用氧氣流量斜坡控制模式[11]。主要操作目標(biāo)是通過(guò)充分的二次燃燒將開(kāi)吹產(chǎn)生的CO 轉(zhuǎn)換為CO2，使φ（CO）降到9%以下，利用CO2改質(zhì)后的爐氣排空煙道及除塵系統(tǒng)中的O2，達(dá)到避免泄爆的目標(biāo)。針對(duì)半鋼煉鋼開(kāi)吹打火困難問(wèn)題，某廠摸索出了氧氮復(fù)合點(diǎn)火技術(shù)[12]。

3）二次下槍與開(kāi)吹下槍相比，鐵水溫度高、爐渣氧化性強(qiáng)，Si、Mn、P 等元素已經(jīng)完成氧化，煙道內(nèi)存有大量的CO，操作不好極易導(dǎo)致燃燒性泄爆。大多數(shù)廠家二次下槍采用彈幕技術(shù)，吹氧前，先使用氮?dú)鈱?duì)系統(tǒng)內(nèi)爐氣進(jìn)行置換；二次下槍時(shí)，采用比開(kāi)吹階段更低的氧氣流量和更高的槍位，抑制C-O 反應(yīng)，并將產(chǎn)生的CO 燃燒為CO2。國(guó)內(nèi)某廠摸索出了二次下槍的七步處理法[13]，有效避免了二次下槍導(dǎo)致的泄爆。

4）吹煉中期，主要是維持吹煉平穩(wěn)，避免冷卻劑尤其是鐵礦石或氧化鐵皮大量集中加入，防止C-O反應(yīng)劇烈波動(dòng)導(dǎo)致泄爆。

5）吹煉后期，控制拉碳速度，使終點(diǎn)w（C）≤0.15%[14]，防止點(diǎn)吹泄爆。

6）濺渣護(hù)爐階段發(fā)生泄爆概率較小，但也有鋼廠由于加入含碳濺渣料導(dǎo)致泄爆。根據(jù)某廠數(shù)據(jù)，濺渣時(shí)加入鎂球500 kg、焦末300 kg 以上的爐次，煙氣中CO 體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)11.5%，具備泄爆條件。

3.2 加強(qiáng)設(shè)備檢查

在設(shè)備方面，冶煉前確保煙道、氧槍等設(shè)備完好，無(wú)漏水；加強(qiáng)對(duì)管路、泄爆閥等設(shè)備及設(shè)施的密封性檢查，避免冶煉過(guò)程中吸入空氣導(dǎo)致O2含量超標(biāo)；定期檢查確認(rèn)陽(yáng)極板與陰極線間距離，減少高壓起弧次數(shù)。

4 結(jié)論及建議

1）干法除塵泄爆是目前鋼廠生產(chǎn)過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題。原料條件、操作手法以及設(shè)備狀況等多種因素均可導(dǎo)致泄爆發(fā)生。目前控制泄爆主要依賴操作和設(shè)備的磨合，通過(guò)操作優(yōu)化可以大大降低泄爆的次數(shù)，將泄爆率降低到0.088‰。

2）各企業(yè)將控制泄爆的措施主要集中于優(yōu)化槍位、氧流量、加料制度、氮?dú)庀♂尩确矫?，?duì)爐口微正壓操作重視不夠。建議強(qiáng)化爐口微差壓控制，使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與爐內(nèi)煙氣發(fā)生速度相協(xié)調(diào)，避免從爐口吸入過(guò)多空氣導(dǎo)致煙氣中O2超標(biāo)泄爆的發(fā)生。

3）現(xiàn)有干法除塵系統(tǒng)煤氣在線分析儀大都安裝在靜電除塵器后?？陀^上，成分檢測(cè)有一定的滯后性，為泄爆發(fā)生埋下隱患。建議在蒸發(fā)冷器出口管道上增加煙氣成分在線分析儀，便于提前發(fā)現(xiàn)煙氣濃度超標(biāo)，為充氮稀釋提供反應(yīng)時(shí)間，降低泄爆發(fā)生的可能性。

4）靜電除塵器內(nèi)電場(chǎng)起弧打火是泄爆發(fā)生的必要條件之一，建議開(kāi)展對(duì)電場(chǎng)起弧打火監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)手段的研究。如果能夠提前預(yù)測(cè)起弧打火的時(shí)間、位置、范圍大小，有針對(duì)性地采取措施進(jìn)行干預(yù)，對(duì)預(yù)防泄爆有一定的實(shí)際意義。

5）目前取得的成績(jī)和經(jīng)驗(yàn)，是各廠操作人員根據(jù)自身操作經(jīng)驗(yàn)不斷試錯(cuò)取得的成果，具有個(gè)性化、不穩(wěn)定的特點(diǎn)，難以從根本上解決問(wèn)題。實(shí)質(zhì)原因在于目前轉(zhuǎn)爐和氧槍的控制系統(tǒng)與干法除塵控制系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)、獨(dú)立運(yùn)行，轉(zhuǎn)爐氧槍的操作后果傳遞給干法除塵系統(tǒng)，干法除塵系統(tǒng)事故發(fā)生后，相關(guān)信號(hào)返回轉(zhuǎn)爐氧槍控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)提槍作業(yè)，這個(gè)過(guò)程屬于事后反饋。建議相關(guān)承包商開(kāi)展研發(fā)工作，建立專門(mén)的預(yù)防泄爆二級(jí)模型，統(tǒng)一考慮原料條件、操作過(guò)程、設(shè)備狀態(tài)等因素，將基于煙氣分析的轉(zhuǎn)爐冶煉二級(jí)系統(tǒng)整合起來(lái)，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析、人工智能技術(shù)，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)冶煉各階段煙氣流量、煙氣成分，匹配相應(yīng)的操作，變后饋為前饋，減少人為操作因素導(dǎo)致的泄爆問(wèn)題，穩(wěn)定轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)，直至徹底消除非設(shè)備原因?qū)е碌男贡?/p>