黃建東,張?jiān)Ｃ?/p>

(寶山鋼鐵股份有限公司煉鋼廠(chǎng),上海 200941)

1 概述

轉(zhuǎn)爐一次干法除塵技術(shù)(LT)是一種先進(jìn)的轉(zhuǎn)爐煤氣除塵與回收的工藝方法,其煙氣凈化效果、能耗、工廠(chǎng)占地面積等方面都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的OG濕法除塵技術(shù)[1-2],是國(guó)際上公認(rèn)的轉(zhuǎn)爐一次除塵發(fā)展方向[3]。寶山鋼鐵股份有限公司二煉鋼現(xiàn)有3座300 t轉(zhuǎn)爐,一次除塵系統(tǒng)采用LT法干式除塵技術(shù)。4#、5#轉(zhuǎn)爐于1998年投運(yùn),由德國(guó)魯奇公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和調(diào)試;6#轉(zhuǎn)爐于2006年投運(yùn),由奧鋼聯(lián)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和調(diào)試。改造前LT法回收轉(zhuǎn)爐煤氣工藝流程如圖1所示。4#和5#轉(zhuǎn)爐的LT系統(tǒng)在2008年進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化改造,主要在蒸發(fā)冷卻器內(nèi)增加蒸汽噴嘴和聲波清灰器,在靜電除塵器一電場(chǎng)增加三相電源和聲波清灰裝置。二煉鋼3座轉(zhuǎn)爐的LT系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),設(shè)備存在劣化,煙囪粉塵排放濃度已很難達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。由于LT設(shè)備的維護(hù)和功能性缺陷,二煉鋼廠(chǎng)房和LT煙囪可見(jiàn)煙塵頻發(fā),不符合超低排放要求,對(duì)周?chē)h(huán)境造成了影響。LT風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)能力偏弱,煙氣捕集能力不足,制約轉(zhuǎn)爐吹煉達(dá)不到設(shè)計(jì)供氧強(qiáng)度,影響轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率,急需對(duì)現(xiàn)有LT系統(tǒng)進(jìn)行改造。

2 LT系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題及改造目標(biāo)

2.1 主要問(wèn)題

(1) 蒸發(fā)冷卻器筒體內(nèi)壁積灰嚴(yán)重,清理頻率和勞動(dòng)強(qiáng)度高,大塊落灰經(jīng)常損壞底部香蕉彎輸灰鏈條,嚴(yán)重制約轉(zhuǎn)爐正常生產(chǎn),須停爐檢修。

(2) 蒸發(fā)冷卻器出口溫度控制不穩(wěn)定,在200～280 ℃之間波動(dòng)。

(3) 粗灰經(jīng)常潮濕結(jié)塊,影響氣力輸送。

(4) 粉塵排放濃度高,煙囪經(jīng)常有可視煙塵外逸。

(5) 系統(tǒng)排煙能力不足,吹氧時(shí)爐口外逸煙塵多。

(6) 電除塵器響爆發(fā)生多,每月響爆2～6次/爐。

2.2 改造目標(biāo)

(1) 每個(gè)爐役(約8個(gè)月5 600爐)蒸發(fā)冷卻器積灰厚度≤50 mm。

(2) 煙囪顆粒物排放≤10 mg/m3。

(3) 最大供氧強(qiáng)度72 000 m3/h條件下?tīng)t口煙氣無(wú)外溢。

(4) 靜電除塵器泄爆次數(shù)≤1次/月(單爐座)。

3 LT系統(tǒng)主要問(wèn)題原因分析及解決方案

3.1 蒸發(fā)冷卻器積灰嚴(yán)重

3.1.1 原因分析

蒸發(fā)冷卻器具有對(duì)一次干法除塵煙氣降溫和調(diào)質(zhì)的作用,降溫及調(diào)質(zhì)的效果決定著干法除塵系統(tǒng)運(yùn)行效果。整個(gè)干法除塵系統(tǒng)設(shè)備,對(duì)煙氣具有調(diào)節(jié)功能的只有蒸發(fā)冷卻器,因此蒸發(fā)冷卻器是干法除塵系統(tǒng)的工藝核心設(shè)備。必須保證蒸發(fā)冷卻器出口煙氣溫度穩(wěn)定,如果蒸發(fā)冷卻器出口煙氣溫度波動(dòng)大,靜電除塵器入口煙氣溫度波動(dòng)大,粉塵比電阻波動(dòng)大,靜電除塵器的除塵效果波動(dòng)也會(huì)大,且煙氣量波動(dòng)也會(huì)大。溫度波動(dòng)大也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備頻繁熱脹冷縮,對(duì)設(shè)備的使用壽命極為不利;煙氣量波動(dòng)大導(dǎo)致風(fēng)機(jī)頻繁調(diào)速,對(duì)風(fēng)機(jī)的使用壽命不利;風(fēng)機(jī)的頻繁調(diào)速反過(guò)來(lái)影響蒸發(fā)冷卻器內(nèi)部的煙氣量,進(jìn)一步影響蒸發(fā)冷卻器的噴水量和出口煙氣溫度,從而加劇整個(gè)系統(tǒng)的溫度不穩(wěn)定、煙氣量不穩(wěn)定,系統(tǒng)很難達(dá)到最佳的平衡點(diǎn),周而復(fù)始,導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)除塵效果、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)每況愈下,縮短大修時(shí)間、影響轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)[4]。

寶鋼股份二煉鋼原LT系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)存在荒煤氣管道太短的問(wèn)題(約80 m),荒煤氣管道降溫的空間很小,為達(dá)到電除塵器適宜除塵的溫度要求,蒸發(fā)冷卻器出口溫度控制得較低,設(shè)定值僅為200 ℃。為達(dá)到較低的出口設(shè)定溫度,蒸發(fā)冷卻器基礎(chǔ)噴水量較大,很容易噴射過(guò)量的水,過(guò)量的水在蒸發(fā)冷卻器內(nèi)難以完全蒸發(fā),導(dǎo)致煙氣含濕量過(guò)高,粉塵濕潤(rùn)度過(guò)大,就會(huì)出現(xiàn)粗灰濕灰和筒體內(nèi)壁積灰現(xiàn)象,也容易導(dǎo)致粉塵粘在電除塵器極板極線(xiàn)上難于振落,導(dǎo)致電除塵器反電暈現(xiàn)象嚴(yán)重,二次電流較低,影響電除塵器的除塵效果。

3.1.2 解決方案

第一步是降低原蒸發(fā)冷卻器的基礎(chǔ)噴水量。在荒煤氣管道上靜電除塵器入口區(qū)域增加二級(jí)蒸發(fā)冷卻設(shè)備,原蒸發(fā)冷卻器出口設(shè)定溫度由原來(lái)的200 ℃提高至230～250 ℃,再通過(guò)二級(jí)蒸發(fā)冷卻器將煙氣溫度降低至電除塵器適宜除塵的溫度。原蒸發(fā)冷卻器出口設(shè)定溫度的提高,大大降低了噴水量,有效解決了原噴水量較大無(wú)法完全蒸發(fā)導(dǎo)致蒸發(fā)冷卻器積灰的問(wèn)題。圖2是二級(jí)蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)形式及設(shè)置位置。

圖2 二級(jí)蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)形式及設(shè)置位置Fig.2 Process flow diagram and set position of secondary evaporation cooler

第二步是升級(jí)原蒸發(fā)冷卻器的噴水工藝控制模型,保持出口溫度穩(wěn)定。吹煉開(kāi)始階段根據(jù)蒸發(fā)冷卻器進(jìn)出口煙氣溫度階梯調(diào)節(jié)噴水,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到溫度達(dá)到某一個(gè)閾值時(shí),可以自動(dòng)選擇合適的供水量,從而解決了轉(zhuǎn)爐開(kāi)吹階段溫度上升過(guò)快引起的噴水量不足和溫度上升過(guò)慢引起的噴水量過(guò)多的問(wèn)題;吹煉中期根據(jù)煙氣流量和蒸發(fā)冷卻器進(jìn)出口溫度PID調(diào)節(jié)噴水。此噴水工藝模型的運(yùn)用使得蒸發(fā)冷卻器的噴水調(diào)節(jié)真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無(wú)人干預(yù)調(diào)節(jié),使得系統(tǒng)的噴水調(diào)節(jié)更加精準(zhǔn),為后續(xù)工藝流程提供了良好的保障[5]。噴水工藝控制模型升級(jí)改造后,原蒸發(fā)冷卻器出口煙氣溫度穩(wěn)定,避免了噴水量超調(diào)導(dǎo)致的積灰問(wèn)題。圖3是升級(jí)改造后的原蒸發(fā)冷卻器出口溫度曲線(xiàn)。

圖3 升級(jí)改造后的原蒸發(fā)冷卻器出口溫度曲線(xiàn)Fig.3 Outlet temperature curves of evaporation cooler after upgrading

3.2 凈化后煙氣粉塵濃度降低

(1) 通過(guò)上述蒸發(fā)冷卻器升級(jí)改造方案,保證了靜電除塵器入口煙氣溫度穩(wěn)定、煙氣比電阻穩(wěn)定,靜電除塵器的除塵效率提升。避免了進(jìn)入靜電除塵器內(nèi)的煙氣存在未完全蒸發(fā)的液滴,解決了靜電除塵器極板極線(xiàn)結(jié)垢積灰影響除塵效率的問(wèn)題。

(2) 由于原靜電除塵器內(nèi)煙氣溫度不穩(wěn)定、煙氣含有未完全蒸發(fā)的液滴,導(dǎo)致極板極線(xiàn)變形腐蝕嚴(yán)重,本次改造更換了極板極線(xiàn)。陰極振打系統(tǒng)原設(shè)計(jì)為頂部凸輪傳動(dòng)側(cè)部振打方式,當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)到一定位置時(shí),振打錘提升到一定高度同時(shí)落下敲擊振打砧實(shí)現(xiàn)振打,這種振打方式在長(zhǎng)期運(yùn)行中如出現(xiàn)磨損或提升裝置偏移,導(dǎo)致振打錘提升高度不足,振打力小無(wú)法清除陰極框架積灰,易形成反電暈影響靜電除塵器的除塵效率。為提高清灰率和降低設(shè)備故障頻率,陰極振打由提升振打改為撥叉振打。為改進(jìn)電場(chǎng)內(nèi)極線(xiàn)、極板及氣流分布板的振打效果,將電場(chǎng)內(nèi)部的振打錘改為仿形撓臂錘方式。為提高極線(xiàn)壽命,極線(xiàn)采用一體化激光切割技術(shù)。

(3) 原靜電除塵器的高壓電源為單相電源,除塵效率低,本次改造將高壓電源升級(jí)為三相智能IGBT高頻電源電壓。圖4是三相智能IGBT高頻電源輸出電壓曲線(xiàn)。從曲線(xiàn)可以看出,三相智能IGBT高頻電源電壓特性強(qiáng),輸出波紋極小,接近純直流電源,除塵效率較單相電源可提升20%。

圖4 三相智能IGBT高頻電源輸出電壓曲線(xiàn)Fig.4 Output voltage curve of three-phase intelligent IGBT high-frequency power supply

(4)上述措施保證了靜電除塵器的基本除塵效率,這是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)超低排放最根本的需要,也是系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行最根本的需要。為達(dá)到煙氣中粉塵含量≤10 mg/m3的排放要求,進(jìn)一步增設(shè)了超低排放設(shè)備。采用煤氣冷卻器前置的技術(shù),每套系統(tǒng)在原有軸流風(fēng)機(jī)消音器和切換站之間增設(shè)1座煤氣冷卻器、1座除霧器和1座濕式電除塵器,除霧器放置在煤氣冷卻器上部,濕式電除塵器放置在除霧器上部。在新增煤氣冷卻器內(nèi),為了滿(mǎn)足煤氣柜回收煤氣溫度要求,需要大水量噴淋通過(guò)熱交換將煤氣溫度冷卻至≤70 ℃,同時(shí)對(duì)煙氣進(jìn)行洗滌,煙氣會(huì)帶出大量粒徑較大的水滴,因此經(jīng)煤氣冷卻器噴淋冷卻后的煙氣在進(jìn)入濕式電除塵器之前需要先經(jīng)過(guò)除霧器除霧,經(jīng)過(guò)除霧器的煙氣再經(jīng)過(guò)濕式電除塵器進(jìn)行精除塵,濕式電除塵器精除塵后煙氣中粉塵含量≤10 mg/m3。

3.3 原系統(tǒng)排煙能力不足

原系統(tǒng)軸流風(fēng)機(jī)按照300 t轉(zhuǎn)爐、最大吹氧量72 000 m3/h設(shè)計(jì),但實(shí)際吹氧量超過(guò)55 000 m3/h時(shí)爐口就出現(xiàn)煙塵外逸現(xiàn)象,因此風(fēng)機(jī)實(shí)際能力達(dá)不到最大吹氧量72 000 m3/h的冶煉要求。

解決方案的第一步是重新進(jìn)行風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)選型,增大了風(fēng)機(jī)的能力。表1為新風(fēng)機(jī)與原風(fēng)機(jī)參數(shù)對(duì)比表。

表1 新風(fēng)機(jī)與原風(fēng)機(jī)參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of parameters between new and original ID fans

解決方案的第二步是升級(jí)改造原軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的工藝控制模型。轉(zhuǎn)爐在吹煉初期、吹煉中期、吹煉末期爐內(nèi)的脫碳反應(yīng)強(qiáng)度是不同的,吹煉中期脫碳反應(yīng)最劇烈,產(chǎn)生的CO最多,吹煉初期和吹煉末期產(chǎn)生的CO相應(yīng)較少。本次改造軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速采用拋物線(xiàn)形式的乘數(shù)因子煙氣量計(jì)算模型,如圖5所示。針對(duì)轉(zhuǎn)爐不同吹煉階段,煙氣量計(jì)算乘數(shù)因子呈拋物線(xiàn)趨勢(shì)時(shí)刻變化,在吹煉初期和吹煉末期煙氣量不會(huì)過(guò)量計(jì)算,吹煉中期反應(yīng)最劇烈時(shí)爐口不冒煙,使?fàn)t口穩(wěn)定保持在微正壓或微負(fù)壓狀態(tài),盡可能減少爐口空氣吸入量,最大化煙氣回收熱值的同時(shí),最小化系統(tǒng)煙氣量和軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,保持系統(tǒng)和設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 拋物線(xiàn)形式的乘數(shù)因子Fig.5 Parabola multiplier factor

3.4 靜電除塵器泄爆

開(kāi)吹、提槍后再下槍、雙渣法二次下槍是3個(gè)極易引起靜電除塵器泄爆的階段。避免泄爆的主要手段是吹氧流量曲線(xiàn)與軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及煙罩位置合理的配合,引起靜電除塵器泄爆的大多數(shù)原因也是上述三者配合不合理。

開(kāi)吹階段的吹氧流量曲線(xiàn)要滿(mǎn)足以下3點(diǎn):①防止堵槍;②能夠順利點(diǎn)火;③能夠符合開(kāi)吹階段反應(yīng)由弱到強(qiáng)的反應(yīng)事實(shí),還要和軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速配合對(duì)一次除塵系統(tǒng)進(jìn)行CO2置換。將開(kāi)吹階段生成的CO盡可能二次燃燒產(chǎn)生足夠的CO2對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行置換,生成CO2隔離層,避免開(kāi)吹前一次除塵系統(tǒng)內(nèi)的空氣與后續(xù)產(chǎn)生的CO追尾混氣泄爆。

吹煉階段提槍后再下槍、雙渣法二次下槍前,系統(tǒng)內(nèi)CO含量降到6%以下。

4 改造后效果

(1) 改造后5#轉(zhuǎn)爐LT系統(tǒng)2021年12月3日投產(chǎn),6#轉(zhuǎn)爐于2022年1月26日投產(chǎn),4#轉(zhuǎn)爐于2022年8月1日投產(chǎn),至今蒸發(fā)冷卻器未出現(xiàn)嚴(yán)重積灰問(wèn)題,平均積灰厚度為15 mm,避免了蒸發(fā)冷卻器積灰清理以及大塊落灰砸壞輸灰鏈條導(dǎo)致的轉(zhuǎn)爐停產(chǎn)。

(2) 2022年10月對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功能考核。在連續(xù)全放散的條件下,煙氣中粉塵含量測(cè)試結(jié)果均在5 mg/m3以?xún)?nèi),其中4#轉(zhuǎn)爐LT為1.68 mg/m3,5#轉(zhuǎn)爐LT為2.71 mg/m3,6#轉(zhuǎn)爐LT為4.77 mg/m3,考核結(jié)果優(yōu)良(改造目標(biāo)為≤10 mg/m3)。

(3) 最大供氧強(qiáng)度72 000 m3/h條件下?tīng)t口煙氣無(wú)外溢。

(4) 靜電除塵器泄爆次數(shù)為零(單爐座)。

5 結(jié)論

(1) 本次改造通過(guò)對(duì)LT工藝控制系統(tǒng)的全面更新、增設(shè)二級(jí)蒸發(fā)冷卻器、優(yōu)化靜電除塵器、增設(shè)精除塵設(shè)施等,實(shí)現(xiàn)了LT系統(tǒng)超低排放,徹底解決了制約二煉鋼生產(chǎn)的環(huán)保老大難問(wèn)題,為轉(zhuǎn)爐煤氣用戶(hù)提供了更為清潔的能源。避免了蒸發(fā)冷卻器嚴(yán)重積灰引起的轉(zhuǎn)爐停產(chǎn)。

(2) 通過(guò)軸流風(fēng)機(jī)擴(kuò)容,為煉鋼的高效生產(chǎn)創(chuàng)造了條件,轉(zhuǎn)爐原吹氧量超過(guò)55 000 m3/h就會(huì)造成爐口冒煙,現(xiàn)在吹氧量72 000 m3/h爐口煙氣無(wú)外溢。

(3) 本次改造幾乎所有設(shè)備,包括靜電除塵器內(nèi)部件、靜電除塵器高壓電源、泄爆閥、杯閥、液壓站等全部為國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家制造,為該領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)裝備技術(shù)提升做了有益的嘗試。