楊東武

蒸發(fā)冷卻技術在煉鋼LT干法除塵系統(tǒng)上的應用

楊東武

（三明鋼鐵集團有限公司煉鋼廠，福建三明365000）

對蒸發(fā)冷卻技術在轉爐LT干法除塵系統(tǒng)上的應用，以及蒸汽霧化噴槍的工作原理和工藝參數(shù)進行了介紹，并對LT干法除塵系統(tǒng)蒸發(fā)冷卻的工藝優(yōu)化和設備改造問題進行了討論，對LT干法除塵系統(tǒng)的操作維護具有一定指導意義。

轉爐；蒸發(fā)冷卻；溫度；蒸汽霧化噴槍

1 引言

轉爐一次除塵系統(tǒng)一直以來以煤氣濕法除塵（簡稱OG法）為主，該方法存在的缺點是能耗高、耗水量大、污水處理復雜、運行成本高。與OG法比較轉爐煤氣干法(簡稱LT法)除塵技術的主要優(yōu)點是：①除塵凈化效率高，通過電除塵器可直接將粉塵濃度降至25 mg/m3以下；②系統(tǒng)阻力小，噸鋼煤氣回收量高；③在水、電消耗方面具有明顯的優(yōu)越性。

在LT干法除塵系統(tǒng)中，主要通過蒸發(fā)冷卻來實現(xiàn)轉爐煙氣的冷卻、調(diào)質(zhì)和粗除塵。具體指的是在蒸發(fā)冷卻器內(nèi)，工業(yè)凈環(huán)水經(jīng)蒸發(fā)冷卻器頂部沿圓周布置的12支蒸汽霧化噴槍，通過蒸汽霧化噴出，將800~1000℃的高溫煙氣直接蒸發(fā)冷卻到170℃~220℃；在降溫的同時，通過對煙氣濕度增加的調(diào)質(zhì)處理使粉塵的比電阻有利于電除塵器的捕集，其中又有30%~40%的煙氣中的粗粉塵在香蕉彎處沉降到底部，在輸灰機作用下經(jīng)卸灰閥排出。同時達到回收條件的高溫轉爐煤氣(100℃～150℃)從煤氣冷卻器下部進入，經(jīng)冷卻降到70℃以下后從煤氣冷卻器的頂部排出，進入煤氣柜中。

2010年3月~5月及2012年3月，福建三鋼煉鋼廠二煉鋼系統(tǒng)通過技改先后完成了3座120 t轉爐的建設，其中一次除塵均采用了LT干法除塵系統(tǒng)，本文以此為著眼點，跟蹤實踐LT干法除塵系統(tǒng)的核心——蒸發(fā)冷卻技術，最大限度地發(fā)揮現(xiàn)有LT干法除塵系統(tǒng)粉塵達標排放、煤氣合格回收的作用。

2 LT干法除塵系統(tǒng)蒸發(fā)冷卻工藝存在的問題

通過實際運行管理發(fā)現(xiàn)，影響LT干法除塵系統(tǒng)正常運行的主要是轉爐煙氣蒸發(fā)冷卻溫度的控制問題。

2.1 蒸發(fā)冷卻溫度控制過低

（1）蒸汽霧化噴槍噴射的水霧不能完全蒸發(fā)，與粉塵發(fā)生潤濕、粘結、凝聚后，在蒸發(fā)冷卻器、煤氣管道、電除塵器陽極板上將出現(xiàn)板結現(xiàn)象，并造成EC粗輸灰系統(tǒng)及EP細輸灰系統(tǒng)的堵塞，間接造成粉塵排放濃度超過設計指標或?qū)е罗D爐停產(chǎn)。

（2）潮濕的灰塵凝聚成團掛在陰極線上，不容易下落，造成陰極線的肥大，減小異極距；會導致電場頻繁放電，容易點燃通過的煙氣，降低系統(tǒng)運行效率，更嚴重的是加劇電場內(nèi)設備的腐蝕，降低設備的

使用壽命。

（3）不能蒸發(fā)的水霧在電場內(nèi)電離分解成H2和O2，增加電場泄爆的可能；還會造成ID風機內(nèi)出現(xiàn)積水現(xiàn)象，加劇風機葉輪的腐蝕，并導致在線激光分析儀故障。

2.2 蒸發(fā)冷卻溫度控制過高

（1）將導致電除塵器內(nèi)設備的燒損，而關聯(lián)保護程序也會引起轉爐冶煉中途提槍。

（2）對粉塵比電阻的影響不顯著，降低了電除塵器的除塵效果，造成粉塵排放濃度超過設計指標。

（3）進入GC煤氣冷卻器高溫煤氣的工況溫度高達150~170℃，從而造成煤氣冷卻器出口的運行溫度＞70℃,易引發(fā)煤氣回收溫度超標放散事故；通過煤氣管道自然降溫后進入煤氣柜的最高溫度＞65℃，嚴重影響5萬威金斯煤氣柜的安全運行，減少工作壽命。

3 問題分析

3.1 蒸發(fā)冷卻溫度控制過低的原因分析

（1）蒸發(fā)冷卻器出口溫度的控制是根據(jù)其出口溫度的設定值和入口溫度的當前值以及廢氣流量計算，設定好12支噴槍的水流量W（m3/h），并在噴槍的出口通過混入蒸汽使水霧化成細小的水滴，細水滴瞬間蒸發(fā)相變吸熱2257 kJ/kg從而降低蒸發(fā)冷卻器出口的煙氣溫度。如圖1反映了煙氣溫度和水滴粒徑大小的關系。從圖1中可以看出，經(jīng)噴槍噴出的水滴粒徑大小不等，且分布在一定的范圍之內(nèi)。水滴粒徑越小，則其蒸發(fā)所需的時間也就越短。根據(jù)測試，噴槍噴出的最大水滴粒徑若超過620滋m，又不能在3.12 s內(nèi)完全蒸發(fā)，就會造成蒸發(fā)冷卻器出口運行溫度超低，蒸發(fā)冷卻器底部的降灰變成泥漿狀，會造成粗輸灰系統(tǒng)故障而停止運行引發(fā)轉爐冶煉停產(chǎn)事故。

圖1 粒徑與蒸發(fā)時間的關系

（2）處于冶煉工況條件下時，單獨調(diào)節(jié)煙塵的溫度或濕度可能并不十分困難同時控制卻有一定難度。在蒸發(fā)冷卻器內(nèi)，要通過加濕來降低煙氣的溫度并降低粉塵比電阻到104~1010（贅·cm），以提高煙氣的介質(zhì)強度，減小煙氣黏度，使其處于較為適宜的收塵范圍內(nèi)，提高和保證靜電除塵效率。從圖2可以看出，含水量對粉塵比電阻的影響非常大。但PID（比例—積分—微分控制調(diào)節(jié)器）控制階段若噴水量太大，則煙氣的蒸發(fā)冷卻溫度過低，會造成部分噴霧不能蒸發(fā)，蒸發(fā)冷卻器底部會出現(xiàn)過濕現(xiàn)象；同時多噴入的飽和蒸汽和工業(yè)凈水量也使轉爐煙氣的體積發(fā)生了變化，系統(tǒng)被迫增加載荷，引發(fā)轉爐冶煉時的爐口冒煙事故。

圖2 含水量對粉塵比電阻的影響

（3）蒸汽霧化噴槍在使用超過5000爐后，噴嘴會自然磨損，霧化性能下降，噴霧形狀、噴射角度，噴射覆蓋面也會發(fā)生改變，因霧化顆粒變大后導致水霧中的大顆粒不能充分與粉塵發(fā)生潤濕、粘結、凝聚，直接沉降到蒸發(fā)冷卻器底部或掛在壁上，造成局部過濕而引起粗輸灰過載或筒體板結；同時由于每支噴槍出口噴射流量的不一致，也會造成霧化顆粒在蒸發(fā)冷卻器筒體內(nèi)不能與轉爐冶煉煙氣均勻換熱，出現(xiàn)煙塵氣流紊亂現(xiàn)象，而在工況除塵風量降低后會加劇筒體板結，引發(fā)轉爐冶煉時的爐口冒煙事故。

3.2 蒸發(fā)冷卻溫度控制過高的原因分析

（1）在工藝特性數(shù)據(jù)呈線性變化的兩端，特別是在轉爐剛下槍開吹2 min內(nèi)和轉爐冶煉后期，由于介質(zhì)煙氣溫度的急劇變化，PID控制因為計算的延時會造成噴水量的調(diào)節(jié)跟不上溫度的變化情況，蒸發(fā)冷卻器出口溫度控制過高超過工藝設計溫度370℃，造成轉爐冶煉中途提槍及粉塵從除塵器內(nèi)逃逸后導致干法煙囪排放超標。

（2）提高蒸發(fā)冷卻器出口的目標溫度控制值，使煤氣冷卻器進口的煤氣溫度會大于設計值150℃，造成煤氣冷卻的飽和換熱程度不夠，引發(fā)轉爐煤氣回收放散事故。

4 改進措施

4.1 工藝控制優(yōu)化

精確控制噴入蒸發(fā)冷卻器的水流量，設定蒸發(fā)冷卻器出口煙氣目標溫度在200~220℃，通過調(diào)節(jié)煙氣的蒸發(fā)冷卻溫度，調(diào)整粉塵比電阻達到合適的范圍，以滿足干法工藝要求。水流量根據(jù)蒸發(fā)冷卻器進口溫度、蒸發(fā)冷卻器出口溫度設定值和靜電除塵器出口煙氣流量關聯(lián)計算得出。公式如下:

式中，W——計算水流量；

Qn,dry、Qn,wet——分別為標準狀態(tài)下干、濕煙氣的流量；

Cp——煙氣的比熱容系數(shù)；

籽——常溫下水的密度；

C——水的汽化潛熱；

FIRC1411——蒸發(fā)冷卻器噴射水流量；

FIRSA1420——蒸發(fā)冷卻器噴射蒸汽流量；

FIRQCSA1505——靜電除塵器出口煙氣流量；

TIR1506——靜電除塵器出口煙氣溫度；

PIR1504——大氣壓力；

PIRCSA1503——電除塵出口壓力；

（1）控制PID的投入時間。在吹煉初期，蒸發(fā)冷卻器進口溫度上升比較快，PID控制通過計算輸出的噴水量調(diào)節(jié)速度跟不上溫度變化情況，蒸發(fā)冷卻溫度控制會過高。從工藝上進行合理設想，把吹煉初期的噴水量設置在一個預定值，時間定為60 s，以滿足干法轉爐冶煉工藝的需要。

（2）設置噴水量補償系數(shù)。蒸發(fā)冷卻溫度的控制會影響煙塵比電阻，在吹煉中、后期投入PID串級控制時，從工藝上考量，按高、低溫度區(qū)域設置不同的變量輸出調(diào)節(jié)系數(shù)，使水流量保持在20~35 m3/h內(nèi)通過PID自動調(diào)節(jié)控制，從煙氣溫度和濕度上調(diào)整電除塵器粉塵的比電阻。

（3）增設PI（比例—積分控制調(diào)節(jié)器）控制模塊以修正煙氣流量的測量誤差。利用爐口微差壓和ID風機流量各自PI輸出值的比例、積分控制量進行噴水量的調(diào)節(jié)，防止蒸發(fā)冷卻溫度控制過低，滿足蒸發(fā)冷卻工藝需要。在這里設置了2個功能模塊分別控制轉爐爐口微差壓和ID風機流量的目標設定值，所以煙氣流量的理論值可以通過計算得出，公式如下：

式中，Sp——理論計算煙氣流量；

POP——爐口微差壓調(diào)節(jié)的變量輸出系數(shù)；

QO2——轉爐冶煉時的平均供氧量。

4.2 設備升級改造

（1）保證蒸汽霧化噴槍的備件質(zhì)量，噴槍備件長期的技術合作伙伴必須選定一個技術可靠、產(chǎn)品完善、信譽保證的國際一線生產(chǎn)廠家。將蒸汽霧化噴槍噴嘴的喉口設計成嵌入式分離葉片，便于設備保護和拆卸，在運行時能以一定角度的離心力使得噴液形成一次破碎，通過和蒸汽介質(zhì)的接觸后形成二次破碎達到蒸發(fā)冷卻技術要求的顆粒度和噴射角度；避免噴槍介質(zhì)管路閥組關閉瞬間形成的氣流倒吸或槍頭積水、滴汽現(xiàn)象而造成噴嘴頭部積灰后引起噴槍堵塞，嚴重改變噴霧顆粒的均勻程度和分布情況。

（2）在煤氣冷卻器增設氮氣霧化噴槍。在煤氣冷卻器入口管道上和底部分別安裝一支氮氣霧化噴槍，向煤氣中噴出極細小的水霧，利用水的蒸發(fā)潛熱，來吸收煤氣熱量，達到最佳的降溫效果。這一級降溫目標是把煤氣溫度控制在90℃以內(nèi)。同時，從保證煤氣冷卻器運行安全和降低能耗的角度出發(fā)，霧化噴槍的能源介質(zhì)應選為氮氣+中壓冷卻水。

（3）在煤氣冷卻器內(nèi)由下向上設置5只大流量實心錐型螺旋噴嘴。通過飽和換熱來吸收煤氣熱量，這一級降溫目標是把煤氣溫度控制在70℃以內(nèi)。采用實心錐螺旋噴嘴的優(yōu)點有2個：①不容易堵塞，從而大大的增強了噴嘴的使用壽命，減少停機檢修的次數(shù)；②可以產(chǎn)生非常均勻的霧化，達到良好的煤氣洗滌和換熱的效果。相關工藝運行數(shù)據(jù)如下：

入口煤氣溫度<150℃；

出口煤氣溫度<70℃；

蒸發(fā)冷卻塔筒體直徑×高度：覫3.5×15 m；

氣霧冷卻耗水量：12 m3/h；

氣霧冷卻氮氣示量：5 m3/h；

飽和冷卻耗水量：150 m3/h。

4.3 規(guī)范運行操作

4.3.1 嚴格執(zhí)行蒸汽霧化噴槍能源介質(zhì)流量和壓力的工藝運行標準

（1）蒸汽是霧化的主要能量來源，蒸汽壓力則標志介質(zhì)能量的大小。蒸汽霧化噴槍調(diào)節(jié)閥前的蒸汽壓力要求控制在0.8~1.0 MPa，工藝流量保持在5~7 t/h。

（2）在一定壓力下，噴嘴才能提供特定的水流量。蒸汽霧化噴槍調(diào)節(jié)閥前的壓力要求控制在0.5~0.7 MPa，在冶煉工況穩(wěn)定的情況下保持水流量穩(wěn)定在20~35 t/h。

4.3.2 確保蒸汽霧化噴槍的設備維護，按8000爐為標準強制更換蒸汽霧化噴槍的噴嘴。目前，槍頭局部堵塞是目前蒸汽霧化噴槍會經(jīng)常出現(xiàn)的故障，應采用一個月一查的在線分組排比法進行排查。扣除儀表計量誤差，若在同一壓力條件下單支噴槍的流量超過12支噴槍累計平均值的15%，即判定噴嘴有堵塞現(xiàn)象，必須下線更換。

5 改進效果

（1）轉爐爐前沒有冒煙事故，LT干法除塵煙囪粉塵排放量≤25 mg/m3，蒸發(fā)冷卻器年平均板結厚度≤250 mm,每座爐10~12個月安排計劃清灰1次。

（2）轉爐含塵煙氣先經(jīng)蒸發(fā)冷卻器冷卻、增濕、粗除塵和一次風管自然冷卻，再進入煤氣冷卻器進行冷卻和洗滌后，出口煙氣粉塵濃度降低到15 mg/m3以下，煤氣柜平均進柜溫度降低到55~60℃。

（3）采用極限蒸發(fā)冷卻技術直接冷卻到煤氣柜要求的溫度，保留少量循環(huán)水，煤氣帶水量減少約50%、體積減少20%~30%，提高煤氣熱值10% ~15%，提高煤氣柜緩沖能力和節(jié)水。間接提高轉爐煤氣回收量≥105 m3/t鋼，投入后的煤氣冷卻系統(tǒng)運行工業(yè)補充水量減少10 m3/h，月可節(jié)約工業(yè)凈水0.7萬t，年可節(jié)約煉鋼工序運行成本100萬元以上。

6 結論

LT干法除塵系統(tǒng)自動化程度高，除塵效果好，煤氣回收量高，節(jié)水、節(jié)電，可實現(xiàn)負能煉鋼。

隨著LT干法除塵系統(tǒng)在國內(nèi)鋼廠使用的不斷深入推廣,作為干法除塵工藝控制的核心——干式蒸發(fā)冷卻，比濕法省去了全部的污水和污泥處理,一直被干法并逐步被半干法工藝廣泛采用，給轉爐LT干法除塵探索出一條成功的道路。

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The Application of Evaporative Cooling Technology in the LT Dry Dedusting System of Converter

YANGDongwu
(The Steelmaking Plant of Sanming Iron&steel(Group)Co.,Ltd.,Sanming,Fujian 365000,China)

The application of evaporative cooling technology in the LT dry dedusting system of converter and the operating principle and process parameters of steam atomizing lance are introduced.Furthermore,process optimization and equipment modification of evaporative cooling technology in the LT dry dedusting system are discussed,to provide some guide to the operation and maintenance of the LT dry dedusting system.

converter；evaporative cooling;temperature;steam atomizing lance

TQ546.5

B

1006-6764(2013)10-0015-03

2013－05－27

楊東武（1976－），男，2010年畢業(yè)于江西理工大學機械制造與自動化專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)從事除塵工藝方面工作。