转炉干法和湿法除尘工艺技术在河钢宣钢的应用

李宏武

（河北钢铁集团宣化钢铁公司， 河北 张家口 075100）

1 背景介绍

随着我国装备制造水平的不断提升，尤其是近年来在环保要求不断提高的大背景下，烟气除尘净化系统在钢铁行业尤其是炼钢工序生产过程中的重要性越来越被广泛认可。转炉炼钢生产过程中产生的烟气主要的特点：颗粒细、含尘浓度高、污染严重；含有巨量的一氧化碳，二氧化硫等有毒有害气体，毒性相当大；烟气及粉尘颗粒温度高，最高瞬时可达上千度，具有比较复杂的特性；随烟气一同排出的热能、一氧化碳、粉尘又具有较高的综合利用价值。

21 世纪初，随着转炉单炉冶炼装入量逐渐增大，再加上除尘技术的不断推陈出新，先后出现了湿法除尘、湿法电除尘、干法除尘等多项技术。多年来转炉烟气净化技术的发展主要围绕着净化煤气的质量、减少或者消除二次污染、减少投资额度、降低运行维护成本、提高工艺设备的可操作性，以及提高经济效益、环境效益等几个方面在不断进行。所以转炉一次除尘净化技术是转炉冶炼技术中比较重要的一个研究方向。

目前河钢宣钢共有120 t 转炉1 座，150 t 转炉2座。120 t 转炉为2006年建成投产，除尘净化系统采用的是湿法除尘净化系统，10年在对10 t 转炉的改造过程中又为其增加了一套湿式电除尘器，150 t 转炉为2010年建成投产，除尘净化系统采用干法除尘净化系统。

2 湿法除尘

2.1 系统概述

120 t 转炉始建于2005年，烟气净化系统采用了当时比较主流的湿法净化系统[1]。其主要工艺流程如图1 所示，氧气在转炉冶炼生产过程中，与铁水、废钢等反应产生大量的含尘高温气体，其主要成分包括一氧化碳、二氧化碳；炉口的烟气温度可以达到1300～1500 ℃；粉尘的主要成分是铁的氧化物。烟气产生后进入烟气净化系统，经过汽化烟道、一文、重力脱水器、二文喉口可控设备R-D 阀、90°弯头、丝网脱水器及其配套设施，最后经过引风机进入煤气柜。

图1 湿法除尘工艺流程图

2.2 主要功能

2.2.1 阀位开度的自动控制

在整个冶炼过程中，控制共分两步进行：装料、吹炼初期等煤气不回收阶段为第一步控制；煤气回收为第二步控制。在第一步控制时根据工艺要求，调节器手动输出至液压执行机构，使喉口阀板开在一个合适的开度（此开度以炉口不冒烟，烟囱出白烟为准）。在吹炼中期煤气回收时，调节器投入自动，根据回收期最好的设定值调节器根据炉口微差压的变化而进行PID 调节，输出控制阀位的开度，从而在整个回收期中阀位能迅速跟踪，使煤气能得到充分回收，同时除尘效果也达到最佳状态。当SA 转换开关切换到PLC 控制时，整个阀位开度的自动控制就全部由PLC 来实现。

2.2.2 启动液压电机

液压电机的启动分远程及就地，一般说来液压电机启动后不再停止。

2.2.3 反吹扫控制

当转炉吹炼完成后出钢时，PLC 发出一个吹炼结束信号，反吹扫开始，使得1DT、2DT(微差压正、负压测量管)电磁阀得电，测量管关闭，切断了去微差压变送器的回路。延迟2 s 后，3DT(氮气管)得电，电磁阀打开，氮气开始吹扫整个测量管。再延迟10 s 后断开3DT，氮气关闭。再延迟2 s 后，断开1DT、2DT，微差压变送器的测量管路接通，炉口差压信号迅速进入调节系统，反吹扫控制结束。

2.2.4 氮气捅针控制

当转炉吹炼完成后出钢时，同时发出1个氮气捅针控制信号，使得4DT（氮气支管）得电，电磁阀接通，左侧氮气捅针向前运动。捅针全部到头后，延时10 s 后，5DT 得电，电磁阀接通，右侧氮气捅针向前运动。捅针全部到位后，自动断开，捅针全部返回，等待下一炉出钢时，再重复捅针动作。

2.3 运行效果

我国20 世纪初转炉除尘大量使用的是烟气湿法(OG 法)净化系统，结合宣钢应用实际，该系统其存在诸多问题：最明显的问题就是除尘效率不高，普通指标为80～90 mg／m3；其次是系统存在二次污染，其大量喷淋后产生的污水需进行处理；再者是系统阻损大，风机功率大，能耗大，还有占地面积多，系统维护及管理成本较大，在系统运行维护过程中给企业地来了相当大压力。

3 湿式电除尘

3.1 系统概述

在120 t 转炉建成投产之后，随着产量规模的迅速增加，工艺水平的不断提高，煤气的发生量也在成倍增长。转炉煤气在回收率和综合利用率两项技术经济指标上也在不断提高，在保护环境方面取得了很好的效果，也为企业内部其他诸如炼铁、炼钢、轧钢等各个工序提供了源源不断的优质廉价的能源供应，成为了企业挖掘内部潜力，降低企业生产成本的有效手段。不断提升的煤气回收量成为目前各钢铁企业节能降耗的主要来源。由于湿法除尘系统所洗涤的气体含尘量最低只能被控制在80～90 mg／m3，导致转炉煤气含尘量较高，使得气柜后道工序煤气加压机在运行过程中叶轮不断发生大量的除尘灰附着。出现这种现象的最直接后果就是导致煤气加压机运行效能下降，严重时还会发生使煤气加压机的平衡性能下降轻者容易发生故障，生产间断，检修增加，重者造成风机磨损并造成极大地安全隐患。

为了能够有效地提升煤气的综合利用效率，如何降低转炉煤气中的含尘量就成了关健。河钢宣钢技术人员通过对当时比较流行的集中除尘工艺进行比较筛选，最终确定采用湿法电除尘器来解决此问题。

3.2 主要原理

湿式电除尘器的内部有放电极和集尘极两块极板，通过给两块极板施加直流高压电，两块极板之间的含尘煤气发生电离，带电的粉尘颗粒在电场中向集尘极版运动并被吸附，达到烟气净化的效果。同时，在电除尘器箱体上方增加水雾喷嘴，使得被收集到粉尘与水滴混合，在集尘板上形成了一层很薄的、均匀的、且向下流动的水膜。这种收集方法很有效地增加了除尘的效果，降低了系统的风压损失（见图2）。由于水膜的存在，使得烟气中在微小颗粒较多的情况下，除尘效果表现更为突出。

图2 湿式电除尘器除尘设备除尘原理示意图

通过对湿式除尘法，干式除尘发，湿式电除尘等几种方法的综合比较，湿式电除尘法在除尘效率，投资额度，设备运行安全性、系统维护难度等几个方面都存在明显的优势，所以最后决定实施湿式电除尘法改造。

3.3 设备构成

整套设备主要包括沉淀极板、电晕极板和冲洗装置。其中沉淀极板充当电除尘器的正极，负责捕集煤气中的油类物质和粉尘颗粒。电晕极板充当电除尘器的负极。冲洗装置包括连续冲洗和间断冲洗两个部分组成。连续冲洗水的作用是用均匀的水膜冲刷掉沉淀极收集到的焦油。间断冲洗水的作用是用稍高的压力反复冲刷不易冲下的油类物质，避免油类物质堆积。

此系统正常运行的难点之一是湿式电除尘器运行过程中电除尘内烟气中的CO 与O2在达到一定浓度后，在电场高压电的不断电离过程中，很容易引起爆炸发生，所以设计中设有泄爆装置，当上述情况发生泄爆装置会在压力做用下释放爆炸产生的巨大能量。以保护除尘设备本体关键结构。

高压直流供电系统由户内式硅整流变压器、微机型高压控制柜及高压隔离开关三部分组成。低压电器控制系统由本控制系统控制核心为西门子公司S7-300 可编程序控制器（PLC），配西门子170 系列触摸显示屏作为人机界面，构成湿式电收尘器高、低压电气设备的操作、显示、控制中心。系统配高压电动隔离开关，与上级监控系统连接后，可以方便地实现对设备的高、低压设备的远程监控。

3.4 实施效果

通过系统投用前后对比分析，湿式电除尘系统在这一领域中有其独特的优势，如出口温度低，回收的煤气无需再像干法那样进行冷却。通过项目实施，有效的降低了煤气回收过程中发生安全事故的可能性；净化效果也达到了粉尘浓度低于50 m/m3或更低；吨钢节能30%(约4 kW·h/t 钢)，与当时比较先进的干法技术效果相当：比二文湿法除尘减少50%～90%的循环水，仅用少量循环水进行设备清洗。

4 干法除尘

4.1 系统概述

2010年，宣钢公司新上150 t 转炉及配套设施，鉴于之前湿法除尘系统的使用经验，并且通过对干法除尘系统的全面了解和分析，决定采用干法除尘系统,如图3。

图3 干法除尘工艺流程图

转炉干法除尘工艺流程通常是，首先，转炉在吹炼过程中产生的大量高温烟气被引风机的强大吸引力经活动烟罩收集进入汽化冷却烟道，汽化冷却烟道的作用就是利用烟道壁内循环的汽水混合物对烟气进行降温和余热利。大概1400 ℃的烟气经过汽化冷却烟道的冷却后温度降至800～1000 ℃。然后烟气进入蒸发冷却器，蒸发冷却器利用水雾对烟气进行较为精确地冷却和蒸发，使烟气再次降温后达到200～300 ℃，并且同时对烟气进行调质处理，满足烟气进入电除尘器之前的工作条件。

4.2 主要功能

4.2.1 风机控制

转炉在开始吹炼之前，风机就开始提速，待达到一定转速后保持一个固定转速运行, 进行氮气的置换, 带动烟气快速而大量的流动，以达到除尘的效果。在整个炼钢过程中，因为冶炼环境、原材料、操作习惯的工况条件不同, 则烟气流量会产生规律性的波动变化。同时，通过调节风机在不同吹炼状态下的风机转速，以达到良好的除尘净化效果。

4.2.2 蒸发冷却器温度控制

蒸发冷却器的主要功能是对烟气温度进较为精确的降温控制。其主要原因在于烟气在经过前道工序后，烟气内含有部分水分，在降温过程中，如果温度下降过低,烟气内含水量较多,容易造成电除尘器内部极板间的放电拉弧,对设备造成损坏；如果控制的温度过高,容易造成系统设备的老化加速。且在温度控制过程中，设置有烟气温度与是否可以吹炼的连锁，防止过高温度的烟气对设备的损坏。所以工艺要求必须温度符合一定范围的烟气才可以进入电除尘器。所以在整个蒸发器冷却器的控制中，温度控制是核心，将蒸发冷却器出口的温度信号传入控制系统，再根据水枪雾化效果特性曲线,通过自动调节输出控制阀门来控制水路压力、水路流量、蒸汽压力和蒸汽流量,最后达到控制温度的目的。

4.2.3 电场控制

电除尘器是干法除尘系统中最重要的设备，其构成设备主要由四个电场组成。其在实现电场控制时主要要符合以下要求：首先为了能够使除尘效果达到理想状态，要将二次电流调整到一个合理值且尽可能低，因为这样可以达到节能目的。其次根据烟尘量调节电场电压，在这里要避免电压过高产生放电拉弧，降低损坏极板的可能。对单一电场在调节电压时，如果电压过低会起不到除尘的效果，可以利用提高其他电场电压的方式来适当调节。最后，在运行维护过程中，对频繁放电拉弧的极板要高度关注，必要时进行停机检查，否则烟气中易爆气体浓度过高时易发生泄爆。

4.2.4 振打控制

振打电机的主要作用就是周期性的运行将吸附在极板上的烟尘振打掉。但是在一般情况下,振打的周期运行会使得被振落得灰尘又被振起，使得一部分灰尘无法顺利落入除尘器底部。系统这样长时间的运行,会使得大量灰尘滞留在极板表面,日积月累，极板间距离会越来越小直到距离足够引起极板间放电,造成除尘效果明显减弱。控制极板振打的周期设定根据烟尘量的大小得出。为了能够对振达效果实施更好的控制，在除尘器底部的灰仓中还安装有料位检测,当灰量到达设定的高料位时,系统就会发出报警, 当灰量降到低料位时对操作人员发出报警并自动停止卸灰。

4.2.5 切换站控制

为了实现煤气的回收及放散功能，系统设置了煤气切换站，切换站由气体分析仪,放散阀,回收阀，液压站等设备构成。分析仪将实施检测出的一氧化碳和氧气浓度传送给控制系统。控制系统把这些数据与设置好的动作条件进行比较, 在检测数据符合放散条件时，系统就会先关闭回收阀,并且同时打开放散阀。如果检测数据满足了回收条件，那么系统就会先迅速关闭放散阀,并同时缓慢打开回收阀,当管道内压力与储气罐压力接近时迅速打开回收阀，以避免压差过大对设备造成严重的损害。

5 几种除尘技术的比较

5.1 湿法除尘

随着上世纪末钢铁工业在我国的蓬勃发展，我国就掀起了针对转炉冶炼相关技术的研究，尤其对转炉煤气除尘回收技术的研发也到达了前所未有的高度技术发展到今天，转炉实现负能炼钢的综合利用技术在行业内已经不算什么新鲜的技术了，甚至更是有的钢厂吨钢煤气回收量达到了130 m3的超高水平。在全国现役的转炉中至少一半以上采用湿法除尘系统，但是通过我厂湿法除尘系统的运行，我们发现这种除尘法一般都存在着以下问题：

1）转炉炉口微差压控制相对难度较大，导致炉口时常出现冒烟现象；

2）系统长时间运行后，泥水混合物经过反复高温、冷却，极易出现管路堵塞、能耗损失大；

3）除尘效果受脱水效果影响大，不稳定，煤气含尘量超标现象较突出；

4）管路内工况环境较差，导致仪表检测设备故障较多；

5）系统维护难度较大，运行成本居高不下。

但是其自身的优点也非常明显：

1）系统构成比较简单，性能要求不高；

2）管理和操作要求较低，简单易行；

3）工艺、技术已经比较成熟，易于掌握；

4）一次性投入较低，性价比高。

5.2 干法除尘

一般来说，经湿法除尘后的转炉煤气排放含尘质量浓度普遍在80 mg/m3以上，而干法除尘系统，相对湿法除尘系统而言，其优点表现得较为突出：

1）干法除尘后的煤气回收含尘质量浓度能够达到10 mg／m3以下，可直接供用户使用；

2）烟气除尘效果好，使得风机使用寿命较长；

3）管道积灰情况较少，系统阻力小；

4）水资源消耗低等。

但从目前国内投用的LT 干法除尘装置看，也存在一些问题，主要表现在：

1）LT 干法除尘装置投资偏高；

2）蒸发冷却塔出口气体温度和湿度控制对设备要求较高，效果不稳定；

3）设备占地面积大，管路环节较多，腐蚀现象较严重，影响除尘效果；

4）系统构成较为复杂，操作维护起来较困难。

6 结语

河钢宣钢转炉干法、湿法除尘系统的应用历史就是一部转炉冶炼技术的进化史，从一开始的湿法除尘，虽然技术简单，但是烟气净化效果不佳，到后来的湿式电除尘系统，虽然净化效果较好，但是系统稳定不好，属于过渡性选择，直到现在广泛在烟气净化系统中使用的干法电除尘系统，真正达到了净化效果出色，而且系统稳定，当然对操作维护人员提出了较高的要求，但是总的来说，操作维护人员要与装备制造水平一同提高的。