转炉烟气治理低碳技术研究

刘昌健 王勇纲 徐海伦

（中冶南方工程技术有限公司，湖北武汉 430223）

0.引言

2030碳达峰和2060碳中和是我国向国际社会做出的庄严承诺，体现了我国作为负责任大国的担当和减少碳排放的决心，也为钢铁行业绿色低碳发展指明了方向。我国钢铁行业碳达峰和碳中和计划初步定为：2025年前，实现碳排放达到历史峰值；到2030年，碳排放量较历史峰值降低30%。实现这一目标有五大路径，分别是推动绿色布局、节能及提升能效、优化用能及流程结构、构建循环经济产业链和应用突破性低碳技术。中国钢铁工业协会于2021年4月发布了《钢铁行业低碳技术路线》（讨论稿），其中新型转炉煤气余热回收及净化工艺、炼钢转炉汽化烟罩后烟气余热回收技术、转炉一次干法净化回收系统等都属于推荐的低碳技术路线。本文将围绕转炉烟气，积极探索研究其绿色低碳技术工艺。

炼钢车间转炉烟气治理主要指转炉一次、二次、三次烟气除尘[1]。转炉一次烟气主要指转炉冶炼时产生的烟气，其治理过程也称为转炉煤气净化与回收，目前新建工程大部分采用干法除尘系统，以满足超低排放的要求。除一次烟气之外，加废钢、兑铁水、出钢等生产过程产生的烟气称为转炉二次烟气。一次、二次除尘系统没有捕集到而外逸到炼钢车间的烟气称为三次烟气。二次、三次烟气除尘器采用覆膜滤料袋式除尘器、滤筒除尘器等均可满足超低排放的要求。对于炼钢转炉烟气，转炉一次、二次烟气治理是降碳重点，因此，本文主要研究转炉一次、二次烟气的绿色低碳技术。

1.新型转炉一次烟气干法净化与回收低碳技术

1.1 新型转炉一次烟气干法净化与回收低碳技术流程

传统转炉一次烟气干法净化与回收主要工艺流程为：进入蒸发冷却器的转炉荒煤气通过喷水，先将900℃～1000℃的煤气冷却至250℃～300℃，之后烟气进入静电除尘器进行精除尘（出口含尘浓度≤15mg/Nm3）。当烟气中一氧化碳、氧气成分满足可回收条件时（不满足条件时放散），通过切换站将煤气送入煤气冷却器，经过喷水洗涤，将煤气冷却到70℃以下（出口烟气含尘浓度≤10mg/Nm3），最后进入煤气柜储存，流程图见图1。

图1 传统转炉一次烟气干法净化与回收系统流程图

从上述流程可以看出，转炉汽化冷却烟道尾部出口烟气温度尚有900℃～1000℃左右，直接通过喷水蒸汽冷却，水蒸汽随着烟气进入管道系统，该部分热量没有回收，造成部分热量损失。同时为了便于煤气柜储存，含有水蒸汽的烟气在煤气冷却器中需要进一步喷水降温，消耗了大量的水资源，因此传统转炉一次烟气干法净化与回收系统余热回收不充分、水耗和能耗较高。

根据《钢铁行业低碳技术路线》（讨论稿），本文提出了一种新型转炉一次烟气全干式、全余热回收低碳工艺，充分回收转炉一次烟气中低温区域（约900℃～250℃）余热，消除烟气净化过程中的喷水，实现全干式除尘，降低水资源消耗，最终大幅提升转炉炼钢过程能效、降低企业能源成本的，实先低碳、减碳目标，其工艺流程图见图2。

图2 一种新型转炉一次烟气干法净化与回收低碳技术流程

1.2 转炉一次烟气的爆炸机理及防爆、泄爆措施

转炉一次烟气全余热回收最关键的问题是防止煤气爆炸。由可燃气体热力学可知，煤气爆炸必须同时满足3个条件：（1）CO与氧气或空气的混合比例处于爆炸极限范围以内；（2）CO与氧气或空气在自燃点（605℃～650℃）以下预混；（3）遇到明火或者有足够能量的火种。

针对以上条件，防爆、泄爆采取如下措施：1）合理的工艺操作制度：合适的吹氧参数和吹氧制度，防止氧气过剩，采用炉口微压差控制，防止吸入空气；2）控制原料条件：防止原料带入水分，避免产生H2扩大爆炸极限；3）系统密封性控制：防止设备漏水，防止系统漏入空气；4）惰性气体吹扫技术：惰性气体稀释爆炸性气体；5）高温烟气净化技术：旋风除尘器去掉大颗粒高温粉尘，减少或者去掉足够能量的火种；6）泄爆装置：在关键设备和部位上安装泄爆阀。

1.3 高温旋风除尘器

高温旋风除尘器的主要作用是去掉大颗粒高温粉尘和火星，减少或者消除足够能量的火种，减少煤气爆炸的机率，同时对转炉一次烟气进行粗除尘，降低粉尘对余热锅炉的冲击、磨损，也可以避免在换热面的灰尘聚集、堵塞、结垢。高温旋风除尘器的正常运行，提高了整个系统运行的稳定性、安全性。

1.3.1 旋风除尘器耐温材料

旋风除尘器在900℃～1000℃环境下工作，要求其制作或者涂层材料能够耐高温，同时结合其要求耐磨的特点，采用碳化硅陶瓷，它的主要组成物是SiC，能够在1400℃环境下使用仍能保持高强度，高硬度的优异特性，同时使用成本并不高。

1.3.2 旋风除尘器结构形式

旋风除尘器是利用离心力使气、固两项分离，达到除尘的效果，具有几个特点：（1）结构成熟稳定、易加工制作；（2）设备整体无运动部件，使用寿命长；（3）可耐1400℃的温度，满足高温烟气的除尘；（4）压力损失适宜，除尘效率满足本工艺粗除尘的要求。

在压力损失一致的情况下，轴向进入式旋风除尘器处理的气体约为径向进入式旋风除尘器的3倍[2]，且除尘效率更高，因为轴向进入式旋风除尘器的气流分布更加均匀。由于受限于当前的陶瓷制作工艺，单个旋风除尘器处理风量的能力十分有限，但它们可以进行并联，以处理烟气量较大的转炉一次烟气。在处理相同体积气体条件下，多管旋风除尘器组合占地面积小，因此我们采用轴向进入式多管旋风除尘器作为粗除尘装置，典型轴向多管旋风除尘器结构见图3（a）。为了保证除尘器灰斗足够的卸灰角度，防止卸灰困难，同时降低除尘器的整体高度，除尘器可设置2个灰斗，如图3（b）所示。

图3 轴向多管旋风除尘器结构

1.3.3 高温旋风除尘器输灰系统

高温旋风除尘器灰斗内的灰温度可达900℃，里面夹杂温度较高的大颗粒和火星，不管采用机械输灰还是气力输灰，设备的耐温是关键问题。经过研究，高温输灰得到应用的有2种方案：

（1）直接采用耐高温输送设备。在冶炼黄金领域，高温机械输灰方式有应用，但是其关键传动部件容易变形损坏，8～12个需要更换一次，其初投资和后期运行维护成本高昂。（2）传动轴等关键传动设备采用水冷结构。对输灰机容易高温变形的部件进行冷却，可以有效延长其使用寿命，但是由于设备跟高温灰直接接触面较多，使用周期仍达不到理想年限。本工艺如采用高温灰直接卸灰、输送，则浪费了一定的高温灰余热，同时增加了初投资和后期运行维护成本。因此本工艺对高温灰先进行余热回收，然后采用常规的输送、卸灰系统。旋风除尘器输灰系统流程如图4所示。除尘器灰斗内的灰先卸至高温灰仓内进行冷却，然后通过双层翻板阀卸至埋刮板输灰机进行输送，冷却水经高温灰仓进行预热后送至余热锅炉进行综合利用。

图4 旋风除尘器输灰系统流程图

单个旋风除尘器设置有2个灰斗，为了维持高温灰仓内的压力平衡，2个灰斗的卸灰口接至一个高温水冷灰仓。

1.4 余热锅炉

1.4.1 余热锅炉的结构特点

针对转炉一次烟气的特性，余热锅炉需要解决的问题是防止磨损、防止结垢和防爆，同时要解决转炉一次烟气周期性温度波动所带来的热应力疲劳损坏的问题，其主要特点如下：

对流段前端，应采用加厚换热管，烟气保持较低的流速，避免磨损严重。设备换热管采用光管方式，降低烟气阻力。采用强制水循环系统，配置循环泵等辅助设备；来自汽包的下降水，经余热锅炉加热后再回到汽包中综合利用。余热锅炉自上而下分段布置蒸发器，蒸发器采用自立式光管全水冷形式，如图5所示。

图5 余热锅炉结构示意图

余热锅炉进口温度900℃～1000℃左右，出口设计温度250℃～300℃。考虑到安装和检修的方便性，锅炉蒸发器采用片状结构，散装出厂，可现场组装。

1.4.2 余热锅炉的清灰方案

余热锅炉在生产过程中，受热面积灰、结焦是最普遍的现象。本工艺中余热锅炉的吹灰经过研究、试验，采用激波吹灰器，产生脉冲的吹灰介质选用惰性气体氮气，以保证设备的安全可靠性。激波吹灰器吹灰效果可以很好满足余热锅炉的使用要求，可靠性高，耗气量也非常低。

1.5 滤管除尘器

转炉一次烟气净化与回收系统中，余热锅炉后的精除尘装置是净化的关键设备，因此选择高效的精除尘器是能否实现超低排放的关键。本工艺由于采用了全干式工艺，因此静电除尘器不再适用（静电除尘器需要对烟气进行适当的喷水调质）。高温复合纤维滤管，其主材料为复合硅酸铝，具有高强度、高空隙率、低密度、抗热震性能好，可以在750℃条件下稳定运行，因此本工艺采用复合纤维滤管除尘器作为精除尘装置，此装置有如下优势：

（1）可以实现在无凝结水条件下，对不同粒径粉尘协同治理，设备简单，系统能耗低。（2）适应温度范围大，无需预先烟气调质，在转炉各生产工艺阶段的烟气温度、流量变化，都能稳定运行并达到超低排放要求。（3）除尘系统由多个单箱除尘仓组成，各仓独立运行，可实现离线检修，不影响主体设备生产。（4）由于滤管除尘器本身不产生电火花，可以有效地防止和减少泄爆频率。单仓滤管除尘器结构示意图如图6所示。

图6 单仓滤管除尘器结构示意图

为了确保系统的安全性，采取几点措施和方案：（1）除尘器仓体采用圆筒型结构，减少死角，防止煤气的聚集，从而减少煤气泄爆的频率；（2）严格控制系统中氧气含量，避免一氧化碳和氧气处于爆炸极限范围之内；（3）强化系统的密封性，保证滤管除尘器密封性能，并在滤管除尘器上安装泄爆装置；采用纤维滤管后，除尘器的出口浓度可以低于5mg/Nm3。

1.6 热回收式煤气冷却器

热回收式煤气冷却器设置于滤管除尘器出口，它由多个间接式水冷冷却器串联而成，冷却器中的循环水通过冷却器升温后，再进行二次加热汽化，送至蒸汽系统中回收利用。滤管除尘器出口的烟气经过热回收式煤气冷却器后，温度可以降低至70℃以下。为了充分利用空间，降低煤气冷却器的高度，可以采用U型结构，如图7所示。由于进入煤气冷却器的烟气含尘浓度远小于10mg/Nm3，因此煤气冷却器底部可不设置卸灰设备。

图7 热回收式煤气冷却器结构示意图

设置热回收式煤气冷却器的优点有：（1）回收利用了转炉煤气的低温余热，减少了碳排放。（2）由于冷却过程中没有喷水，实现了全干式煤气净化与回收，同时也解决了烟囱冒白雾的问题，整个工艺流程，实现了节能减排的目标。（3）进入煤气风机的烟气温度低于70℃以下，体积流量更小，风机消耗功率更低。烟气温度的降低也延长了风机、杯阀等设备的使用寿命。（4）转炉煤气含湿量低，提高了转炉煤气的品质，减少了其排水负荷。

2.新型转炉二次烟气治理低碳技术

转炉二次烟气治理低碳技术可以采用高效、低耗的炉前排烟罩[3]、适当的气流组织策略[4]和低阻力的超低排放除尘器等。为响应钢铁行业低碳发展的号召，遵循打造绿色低碳产品的原则，本文对炉前排烟罩开展进一步的探索创新。

2.1 双风口转炉二次烟气炉前排烟罩

经过长期现场实测和理论研究，转炉二次烟气外逸主要通过吊车横梁与炉前排烟罩之间的间隙逃逸至炼钢车间，造成车间内环境污染。因此我们研制了一种双风口转炉二次烟气炉前排烟罩，如图8所示。

图8 双风口转炉二次烟气炉前排烟罩

兑铁水时，由于顶板的遮挡作用，增加了二次烟气从此通道逃逸的阻力，有利于炉前排烟罩对二次烟气的捕集。同时排烟罩前面板的二次吸风口也可以对逃逸的烟气进行二次捕获，以减少二次烟气的外逸。与顶板相连接的弹簧装置，可以缓冲吊车横梁与遮挡顶板可能产生的碰撞，确保生产的安全性。

2.2 热回收式炉前排烟罩

国内目前部分炼钢厂冶炼强度大、冶炼周期短，特别是兑铁水速度远远高于设计值，导致兑铁水时炉前烟气量十分巨大，而且温度非常高。部分转炉甚至在冶炼状态下，还有大部分烟气外逸出炉前挡火门，如图9所示。

图9 转炉兑铁水及冶炼时烟气外逸情况

高效的炉前排烟罩捕集效率高，因此会吸入大量的高温烟气，甚至是火花，造成排烟罩的表面温度非常高。即使在排烟罩内部、外部喷涂耐火材料的情况下，排烟罩也容易变形，使用寿命大为缩短。同时由于烟气温度过高，与排烟罩相连接的除尘风管也经常受热变形，甚至于风管表面会被烟气中的明火烧得变红，造成了极大安全生产隐患。为了解决这一问题，我们研制了热回收式炉前排烟罩，在炉前高温区域设置了水冷密排管，如图10所示。

图10 热回收式炉前排烟罩结构示意图

热回收式炉前排烟罩具备几个优点：（1）可以回收二次烟气中的余热，水冷密排管的水被加热后，通过二次加热成蒸汽，送至汽包循环利用。（2）可以冷却炉前烟气，降低二次烟气的体积流量，提高炉前排烟罩捕集效率的同时，也降低了系统能耗。（3）二次烟气被冷却降温后，向车间逃逸的速度降低，有利于炉前排烟罩的捕集。（4）提高炉前排烟罩及风管的使用寿命，降低维护运行费用。

3.结语

为响应国家绿色低碳政策，本文对转炉烟气治理低碳技术路线进行了研究探索：（1）通过在汽化冷却烟道尾部增加余热锅炉，充分回收了转炉一次烟气中低温区域（约900℃～250℃）余热，消除了烟气净化过程中的喷水，降低水资源消耗。（2）采用纤维滤管除尘器后，转炉一次烟气的排放浓度可以低于5mg/Nm3，低于国家超低排放的要求（≤10mg/Nm3）。（3）热回收式煤气冷却器的设置，实现了整个转炉一次烟气净化与回收系统全干式净化与回收，同时也解决了烟囱冒白雾的问题，符合国家低碳、减碳的发展方向。（4）本文对转炉二次烟气炉前排烟罩进行了创新，提出了双风口转炉二次烟气捕集装置，可以大幅度提升炉前排烟罩的捕集效率。（5）热回收式炉前排烟罩可以回收转炉二次烟气中的余热，同时冷却炉前烟气，降低烟气的体积流量，提高了炉前排烟罩的捕集效率。