高炉出铁场环保除尘设计

吕孟天予

（中冶京诚工程技术有限公司，北京，100176）

0 引言

高炉出铁场是钢铁企业生产中的主要污染源之一，且控制和收集难度相当大，是冶金企业环保工作的重点和难点。随着国家对保护工作的日益加强，对高炉出铁场通风除尘的设计也提出更高的要求。

高炉出铁场通风除尘设计是整个出铁场设计中的重要环节。本文总结分析了近期国内部分高炉出铁场的设计经验，结合出铁场各类烟尘的特性，给出了各级别高炉出铁场除尘的设计方案。经分析认为，高炉出铁口、撇渣器、渣铁沟、摆动流嘴、铁水罐位处采用全封闭和负压抽风设计，将铁口区域封闭在小房子里，可以有效控制和收集出铁场各类烟尘，强化烟尘捕集效果。烟尘经布袋除尘器净化后，排放浓度可以达到国家超低排放标准，并通过国内某钢铁厂高炉出铁场除尘设计案例加以验证。

1 出铁场烟尘特性

据统计，高炉平均每生产1 t铁水，出铁场即产生2.5 kg烟尘[1]，同时受冶炼工艺和炉料的影响，产尘量可能高于2.5 kg。出铁场铁口、撇渣器、铁沟、渣沟、摆动流嘴、铁水罐是产生烟尘的主要部位。

1.1 出铁场烟尘主要点位和特性

1.1.1 铁口烟尘特性

在开铁口、堵铁口及出铁后期烟气发生量较大，烟尘对出铁场工作环境造成很大的污染，同时对人体健康也存在很大的隐患[2]。

开铁口后，铁水在炉内压力的作用下从铁口喷出，同空气发生反应，产生大量三氧化二铁、一氧化碳烟尘。由于铁水沿铁沟方向喷出，产生的烟尘在水平方向流速较高，无法组织起有效的热抬升运动，烟气很快同冷空气混合，在铁沟附近呈无组织扩散。该烟尘呈现出温度高、流速快、射程远、喷射瞬时量大、扩散面积大、烟尘颗粒小等特点，且捕集难度大，一旦失去控制就会迅速扩散至整个出铁场内，并会长时间在空气中飘散无法沉降。铁出尽后，需要用泥炮进行堵口操作，结束出铁过程，堵口虽然过程持续时间短，但在堵口瞬间会产生一股烟气，捕集难度也很大。

1.1.2 撇渣器处烟尘特性

高温铁水和熔渣经主铁沟流至撇渣器处进行渣铁分离，撇渣后的铁水表面与空气发生强烈氧化作用，产生大量烟尘。

1.1.3 摆动流嘴、铁水罐处烟尘特性

铁水经支铁沟流落至摆动流嘴，再从摆动流嘴流落至铁水罐内。首先高温铁水流入铁水灌发生撞击，产生大量烟尘；另外高温铁水在罐内呈沸腾状态，铁水与氧气发生反应也生成含氧化铁颗粒的红色烟尘，随着热气流集中向上扩散。在出铁过程中，当烟气受到横向气流干扰时，烟尘在摆动流嘴平台下方至铁水罐上部空间处外溢，形成无组织烟尘扩散。

1.2 出铁场烟尘的主要成分和粒径

烟尘主要成分：Fe2O3约占61.4%，FeO约占32.36%，C约占2.5%。

烟尘主要粒径分布：粒径＞20 μm的约占21.65%，20～11 μm的约占16.40%，10～4 μm的约占44.58%，＜3 μm的约占17.39%。

2 出铁场除尘设计方案及设备选型

2.1 高炉出铁场除尘设计方案

出铁场除尘点的分布：铁口处、撇渣器处、支铁沟处、渣沟处、摆动流嘴处、铁水罐处。

2.1.1 出铁口处除尘

铁口部位一般采用顶吸和侧吸相结合的方式进行除尘。开、堵铁口时产生的大量烟尘主要靠铁口顶吸罩抽风进行除尘；铁口侧吸罩作为辅助除尘，主要是在出铁过程中，将铁流落入主铁沟时产生的烟尘抽走。

（1）炉前出铁口处除尘设计原则。为了增强除尘效果，对于烟尘源头的密封尤为重要，除了采用除尘罩，还辅助采用过水膜、垂暮等减少烟尘外溢的措施，但效果不尽人如意。目前大部分高炉炉前采取封闭式设计：即在出铁场平台上设立柱，利用风口平台，将泥炮、开口机和主沟前段全部封闭在房子内，将烟尘限制在有限的空间内。考虑安全因素，在封闭房子内设置煤气报警仪，增设轴流风机用于通风、降温，封闭房内设置耐热、防爆照明设施。考虑操作和检修方便，在封闭房子泥炮、开口机侧设置检修门，用于工人进行开口机换杆、装炮泥和清理炮嘴作业；将泥炮开口机上部屋顶设置为活动盖板，满足泥炮开口机检修和设备吊装的需要；在正对出铁口侧设置固定封板，主沟两侧则设置活动门，以满足主沟解体机进入封闭房子进行主沟解体作业，另外检修及活动门，均可作为安全疏散门；考虑封闭房子使用寿命，房子侧封板及顶盖板均进行耐热喷涂处理，也可在封板上设置水冷管。但对于改造项目，应首先实现出铁场平坦化，封闭方案可根据实际情况进行修改，目的是在不影响炉前安全及操作的条件下，实现炉前的有效封闭。出铁场封闭房子平面布置见图1。

图1 出铁场封闭房子平面布置图

（2）出铁口顶吸罩设计原则。不同级别的高炉，炉内压力不同，出铁口顶吸罩安装位置也不同，铁口顶吸罩安装位置应该根据炉内压力大小适当调整安装位置。高炉容越大，炉内压力相对越高，铁水流从铁口喷射越远，铁水流在主铁沟内的落点越远，高温铁水在落点处冲刷主铁沟内浇注料，同时与空气发生反应，产生大量烟尘。考虑到铁口顶吸罩不能影响到炉前设备的运行，因此不能安装的太低；同时铁口顶吸罩又要考虑风口平台留出换风口的空间，不能离高炉太近。

（3）主铁沟盖板设计原则。原则上1 000 m3级别的高炉，为了不影响泥炮和开铁口机工作，不设置主沟盖，铁口附近设置顶吸罩和侧吸罩。2 000 m3及以上高炉，在主铁沟上设置盖板，并配置揭盖机，开、堵铁口时用揭盖机移开沟盖板，此时铁口处的烟尘主要通过顶吸罩和侧吸罩抽走，正常出铁的过程中，用揭盖机将沟盖板盖至主铁沟上，此时铁口侧吸起主要作用。

2.1.2 撇渣器处除尘

考虑主铁沟生产使用和维护成本情况，目前主铁沟主要采用贮铁式主沟。高炉铁水从铁口通道喷出经主铁沟流至撇渣器处进行渣铁分离，渣、铁混合液体对撇渣器处耐材冲刷产生烟气。对于出铁口到撇渣器间产生的烟气，大部分被铁口处除尘罩负压抽走，剩余烟气被撇渣器处除尘点抽走。

2.1.3 铁水罐位处除尘

1 000 m3及以下高炉多采用固定罐位式出铁场，根据铁水罐位处铁水流动特性，那里产生的烟气很容易受钢平台下面横向风的干扰，导致此处烟气流动不稳定，烟气外溢。因此，设计上应尽量减少铁水落差，适当封闭减少横向风的影响，同时加大除尘风量，尽量减少烟气外泄。

2.1.4 摆动流嘴处除尘

1 000 m3及以上高炉多采用摆动流嘴式出铁场，根据摆动流嘴处铁水流动特性及土建结构，设计上实现密封，减少横向风干扰，进行负压除尘。

2.2 高炉出铁场除尘点位风量分配

除尘点除尘风量分配原则：除尘风量理论上讲越大越好，可以有效的吸走烟尘，但是风量越大能耗越高，铁水成本越高；另外风量大会吸入一些大粒径的固体颗粒，会加快除尘管道的磨损，同时也会导致铁水温降较大。所以除尘点的有效封闭和除尘风量的合理搭配，是除尘达到超低排放要求的关键一步。不同级别高炉出铁场各除尘点参照风量见表1。

表1 不同级别高炉出铁场除尘点位风量分配

2.3 除尘设备选型

根据系统总风量及出铁场粉尘特性，以及以往高炉出铁场除尘经验，选用脉冲布袋除尘器。

脉冲布袋除尘器主要技术参数包括：除尘器处理风量、过滤速度、过滤面积、滤袋规格、滤袋数量等。

风机主要技术参数包括：风量、风压、电机功率等。小型高炉由于间断出铁，为节约能源，主风机配有调速型液力偶合器。大中型高炉由于铁口交替出铁，风机配变频电机（并具有旁路直接启动的功能），根据实际生产情况合理调节风量，保证除尘效果的同时降低能耗，节省运行费用。

3 工程设计案例

国内某钢铁厂高炉有效容积2 500 m3，年产量213万t/a。出铁场面积5 500 m2，全部平坦化设计，结构采用全混凝土梁、柱和无填沙层模板结构。出铁场设有3个铁口，每个铁口设有各自独立的泥炮、开铁口机和摆动溜槽。铁水温度1 350～1 460℃，出铁次数每天12～13次。

3.1 出铁场除尘系统配置情况

高炉出铁场设置除尘系统2套，除尘站设置两套除尘器、风机及消音器。除尘器采用低压长袋脉冲布袋除尘器，除尘系统风机总能力2×80×104m3/h，风机配变频电机（并具有旁路直接启动的功能），可根据实际生产情况合理调节风量，在保证了除尘效果的同时降低能耗，节省了运行费用。正常生产时，3个出铁场交替工作，此时3个出铁口可共用一套出铁场除尘系统，通过电动阀门进行切换除尘管道；非正常生产时，可以兼顾两个铁口重叠出铁，此时2套除尘系统同时工作。

3.2 出铁场除尘点位配置情况

出铁口顶部设置顶吸风罩，双侧设置侧吸风罩，以捕集出铁口、主铁沟区域散发出的烟气，其中顶吸罩是除尘关键，要适当加大其尺寸和包容扩散角度；为了保证除尘效果，铁口区域封闭在小房子里，减少铁口区域烟尘外溢；撇渣器处设置除尘罩及抽风管道；渣、铁沟设盖板加强封闭，以便有效地控制烟尘；摆动流嘴处双侧吸风除尘，设挡风墙，形成相对密闭的空间；封闭厂房减少横向风对铁口除尘烟气影响。

通过上述除尘环保措施，保证了出铁场各除尘点位的密封和抽风排烟效果，确保出铁场除尘系统有效捕集和净化出铁时产生的烟尘，使出铁场排放达到超低排放标准（布袋除尘后排放浓度＜10 mg/Nm3），打造出“环境友好型”的洁净出铁场。实际效果见图2。

图2 出铁场封闭实景图

4 结语

随着国家对环境保护要求的日益提高以及钢铁行业超低排放产业政策的实施，对高炉出铁场通风除尘的设计提出更高的要求。本文总结分析以往高炉出铁的设计经验，按照钢铁行业超低排放的要求，提出了各级别高炉出铁场除尘的优化设计方案。

实践证明，随着高炉大型化以及炉前设备自动化和智能化水平的提高，高炉出铁场的封闭设计是一种必然的趋势，通过配置合适的风量可有效控制和收集出铁场的各处烟尘，经布袋除尘器净化处理后，排放浓度＜10 mg/Nm3，可以达到钢铁行业超低排的要求。