高炉煤气干法袋式除尘技术的研究与应用
2014-08-26 06:00 来源：钢联资讯 作者：侯健
1.技术研发背景
高炉炼铁生产成本占整个钢铁联合企业生产成本约50%以上，炼铁工序能耗占整个钢铁制造流程能源消耗约70%。因此，降低炼铁生产环节的能耗，提高其二次能源回收利用率具有重要意义。
炼铁生产的副产品高炉煤气是钢铁联合企业中很重要的二次能源。高炉煤气必须经过净化后才能利用，传统的煤气净化方法是湿法除尘，湿法除尘之后采用炉顶煤气余压发电（TRT）技术回收高炉煤气的压力能和部分热能，将其转化为电能，该部分能量约为高炉鼓风机能耗的30%-40%，因此回收这部分能量具有显著的经济效益。
传统的湿法除尘技术工艺成熟，运行稳定，除尘效率较高，可是使用过程中存在一系列弊病，例如耗水量大，耗电量高，降低煤气热值，TRT发电量低，占地大，还存在着水污染等环境污染。以上湿法除尘存在的一系列重大缺陷，是其所无法解决的。因此，采用高炉煤气全干法除尘技术已是大势所趋。
2、首钢国际工程公司高炉煤气干法除尘技术研发历程
从20世纪90年代开始，首钢国际工程公司就致力于高炉煤气脉冲干法除尘技术的开发和设计。2004年，首钢国际工程公司在首秦1200 m3高炉上成功设计应用高炉煤气脉冲干法袋式除尘技术，带动了国内钢铁行业大型高炉煤气脉冲干法除尘技术的应用，大大提高了高炉煤气能源的回收利用，带来显著的经济效益和社会效益。之后，该技术又成功应用在迁钢2650 m3高炉上，各项指标均达到设计标准，取得了节能、节水和环保效果。
目前，首钢京唐5500 m3特大型高炉也采用了高炉煤气全干法袋式除尘技术，摒弃了特大型高炉一直采用的湿法除尘工艺，创造了高炉煤气全干法技术在特大型高炉上成功应用的世界新记录，为世界钢铁行业节能环保做出了突出贡献。
首钢国际工程公司开展的长寿集约型冶金煤气全干法除尘工艺技术开发课题，获得了国家科技部“十一五”重点科技支撑计划支持。国家住房和城乡建设部批准了由首钢国际工程公司主编的《高炉煤气干法袋式除尘设计规范》国家标准，编号为GB50505-2009，该标准自2009年12月1日起实施。该项国家标准的发布实施，奠定了首钢国际工程公司在国内高炉煤气全干法除尘技术研究应用领域的领先地位，进一步提高了首钢国际工程公司的核心竞争力。
3.高炉煤气干法袋式除尘主要技术特点
高炉煤气干法袋式除尘技术在大型乃至特大型高炉使用，并不仅仅单纯的将小高炉的技术应用推广，而是需要进行多项技术的研发、升级，以适应大型高炉煤气流量大、压力高、温度变化范围大的工况条件，满足高炉系统稳定、安全运行的要求。典型高炉煤气干法除尘工艺流程如图1所示：
图1 典型高炉煤气干法除尘工艺流程图
1-高炉，2-旋风除尘器，3-罐车，4-煤气换热器，5-布袋除尘器，6-灰仓，7-减压阀组，8-TRT，9-喷碱脱氯装置，10-管网放散塔
现代大型高炉煤气干法袋式除尘技术特点主要包括以下几个方面。
3.1 高炉煤气温度控制技术
高炉煤气干法布袋除尘使用的是高温滤料，但是它仍然有一定的温度要求，比如当前使用的几种滤布要求温度在100-220℃范围，最高不超过260-280℃，太高要损坏滤布，太低则要结露，都影响除尘器工作，所以布袋除尘器对净化介质温度有一定要求。
高炉炉顶煤气温度大部分在250℃以下，但是由于冶炼情况复杂，温度过高过低是常有的事，比如炉况不顺，有时会升高到500-600℃以上，这样炉顶设备必须加以保护，并且干法除尘也无法使用，为此高炉煤气除尘系统采用以下降温措施：
1）炉顶喷水：炉顶喷水是必要的手段，防止出现高温损坏炉顶设备，降温幅度可达数百度。
2）煤气换热器：针对特大型高炉的工艺技术特点，在高炉煤气袋式除尘系统前置热管式煤气换热器作为高炉煤气降温装置，该装置可以根据高炉煤气温度的变化情况进行自动切换，以保证干法除尘滤袋在合适的温度下运行，采用热管式换热器进行换热不仅节约电能，而且不产生二次污染，设备简单，操作维护方便。
热管换热器利用热管原理将高温热量传递到水中从而降低煤气温度，是一种高效冷却设备。为减少磨损，热管表面钎焊了镍铬合金材料。这种设备传热效率高，体积小。在首钢京唐高炉投产初期，炉顶温度偏高，高炉煤气温度多次出现干法除尘入口超过260℃甚至300℃的情况，降温装置长期投入使用，温降可达70℃以上，运行效果好，满足了生产要求。
3.2 紧凑化工艺技术
伴随着高炉容积的不断增大，高炉煤气发生量也大幅增加。1000m3级别至5500m3级别高炉煤气发生量差别巨大，除尘器箱体直径的大小关系到干法除尘系统的整体布置，要求干法袋式除尘系统箱体配置应与工艺参数同步，直径与单箱体煤气处理量系列化，保持合理的箱体数量配置，使工艺流程紧凑化，达到最佳的性价比配置。紧凑化工艺技术主要有以下几点：
1）与高炉容积匹配的除尘器直径与数量：应根据不同容积高炉煤气量的变化选择相适宜的除尘器直径和除尘器数量。除尘器箱体数量一般为10-16台之间，数量太少，不能满足维护检修的倒箱操作，一旦因为偶发事故造成布袋破损，会造成系统负荷过大，难以保持稳定；数量太多，投资和占地面积大幅增加，设备日常维护量大，造成资源浪费。
2）除尘器结构优化及流场分析：除尘器箱体是高炉煤气干法除尘系统主要设备之一，对于确保系统的安全、稳定运行有着重要作用。通过对除尘器壳体进行应力分析，研究除尘器结构的局部薄弱点，进行局部调整降低应力集中，提高设备安全与稳定性。除尘器箱体内部采用特殊的导流结构，使得除尘器箱体煤气气流分布均匀，降低了流速，大大减少了滤袋异常破损的发生，保证整个系统满足高炉的持续稳定生产。
3）合理进行工艺布局：根据除尘器数量和总图情况，合理进行工艺布局。工艺布置应满足以下几点要求：占地长宽比列合适、美观；操作巡检方便，吊装范围合理；煤气气流分布合理，减少荒煤气主管道积灰的可能；主框架受力合理，各层平台宽阔，有效利用空间；脉冲设备布置（布袋、袋笼更换）平台开阔，吊装和更换布袋、袋笼方便。
3.3 煤气系统综合防腐技术
近几年，煤气干法除尘系统开始在国内大高炉上推广普及，但是由于小高炉干法系统腐蚀的矛盾不突出，又沿袭了大高炉传统湿法除尘的习惯，对煤气中HCl等酸性气体的存在缺少认识，因此，大型高炉煤气除尘在由湿法向干法转型期间，很多都没有充分考虑到由酸性气体带来的严重腐蚀现象。另外，高炉原料越来越多地使用进口矿，进口矿尤其是澳矿中氯元素含量普遍高于地方矿，导致高炉煤气中的HCl含量更高，这也是大高炉干法系统腐蚀严重的重要背景条件。目前，济钢、莱钢、太钢、迁钢、首秦等企业的高炉干法煤气系统都普遍存在腐蚀问题。
受原料条件限制，控制入炉料中氯元素和高炉内部氯元素不进入煤气也有很大难度。首钢国际工程公司根据高炉生产操作实际情况，在迁钢2号高炉中进行喷水喷碱液工厂试验，并进行多种防腐蚀涂料的实验室实验，进一步深入分析腐蚀的原因，找出了相应的解决方法与措施。喷碱工厂试验装置实施后，对煤气冷凝水及系统腐蚀情况进行跟踪和进一步分析后，优化了工艺参数与结构，并进一步在京唐工程中实施应用。目前高炉煤气冷凝水PH值均大于6.5，运行效果良好。
4.干法除尘技术经济效益及应用前景
干法袋式除尘技术与湿法除尘技术相比，具有煤气净化质量高、节水、节电、运行费用低、无污水排放、提高TRT发电等优点，经济效益和社会效益显著（经济效益计算以2500m3高炉为例）。
1）煤气洁净度高：采用全干法布袋除尘技术处理后的净煤气洁净度高，正常情况下净煤气含尘量≤ 5mg/m3，煤气含尘量低可减少加热炉用户等堵塞，提高加热设备的热效率和使用寿命。
2）煤气热值高：干法后煤气温度高，含水量低，显著提高了煤气热值，可提供热风炉理论燃烧温度约40℃。热风温度提高，降低了燃料比、提高回收利用水平，降低了工序能耗，每年减少CO2排放约2万t。
3）生产能耗下降：采用全干法除尘工艺，与湿法除尘相比，吨铁新水消耗降低约0.40 m3，吨铁电量消耗降低约4-6 kWh。年节约新水约80万t，节电1000×104 kWh，大大减少了运行成本。
4）TRT发电量显著提高：干法除尘后净煤气温度（约150℃），比湿法除尘煤气温度（约50℃）提高100℃以上，且煤气含水量低，阻力损失小，可相应提高TRT发电量35%-40%以上。年可增加发电量约2000×104 kWh。
5）社会和环境效益良好：采用全干法布袋除尘工艺，经济效益显著，社会效益良好。湿法除尘产生大量污水，水中含有有毒物质，经处理后排放的水中仍含有氰、硫、酚和重金属等有害物质，造成土壤和水污染，形成毒害作用。采用全干法袋式除尘技术，完全避免了湿法除尘过程中大量有毒污水、污泥的产生，从根本上解决了二次水污染及污泥的处理问题。
干法除尘显著提高了TRT发电量，提高了高炉煤气热值，对提高热风温度具有重要意义，为企业创造了巨大的经济效益、社会效益和环境效益。该项目是创建环境友好型、资源节约型循环社会经济的成功范例，完全符合低碳、循环经济的发展要求。目前高炉煤气干法袋式除尘技术已应用在京唐、宣钢、济钢等多座高炉上，推广前景良好。
5、首钢国际工程公司高炉煤气干法除尘技术研发团队
首钢国际工程公司在冶金工艺技术上坚持不断创新，在高炉煤气干法除尘技术领域一直走在国际前沿，锻炼了一支以教授级高级工程师张福明、高鲁平、张建、毛庆武、韩渝京，高级工程师郑传和等一批专家为主导，多名中青年工程师陈玉敏、章启夫、侯健等为骨干的高炉煤气干法除尘技术团队。他们先后组织并承担了多个高炉煤气干法除尘技术研发课题和设计总包工程共20余项。近年来，该团队通过大量生产调研、科学计算和反复论证，连续完成了高炉煤气低压脉冲布袋除尘技术的不断升级和产品创新。这支由老中青三代技术专家组成的技术团队共完成22项具有自主知识产权的相关专利技术。
高炉煤气全干法除尘技术作为一项新技术，仍然需要不断创新和改进。首钢国际工程公司高炉煤气干法除尘技术团队将认真做好该项国标实施后的技术跟踪和调研工作，继续发扬创新精神，在新型滤袋反吹清灰、新型材料过滤等工艺上进行大胆创新，以期降低系统氮气消耗并减轻干法布袋工艺所带来的滤袋大量更换的工作量，使该项技术不断创新发展，为钢铁行业节能减排发挥更大的作用。（撰稿人：侯健）
