許漢渝　姚群　曹志強(qiáng)　俞小華

(1.中鋼集團(tuán)天澄環(huán)?？萍脊煞萦邢薰尽∥錆h 430205；2.中鋼集團(tuán)吉林鐵合金股份有限公司　吉林吉林 132002)

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密閉鐵合金電爐煤氣干法凈化技術(shù)

許漢渝1姚群1曹志強(qiáng)2俞小華2

(1.中鋼集團(tuán)天澄環(huán)保科技股份有限公司武漢 430205；2.中鋼集團(tuán)吉林鐵合金股份有限公司吉林吉林 132002)

闡述了密閉鐵合金電爐煤氣干法凈化的目的和意義，介紹了鐵合金煤氣干法凈化新工藝和主要設(shè)備，強(qiáng)調(diào)了煤氣干法凈化系統(tǒng)操作要點。運行試驗表明，該干法工藝凈化效率高，節(jié)能40%以上，節(jié)水90%，是未來鐵合金煤氣凈化的主流技術(shù)。

鐵合金煤氣干法凈化袋濾器冷卻

0　引言

目前我國鐵合金產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的40%，現(xiàn)有鐵合金企業(yè)的數(shù)量發(fā)展到1 800余家，產(chǎn)能達(dá)到5 000萬t以上。我國鐵合金生產(chǎn)企業(yè)布局分散，絕大多數(shù)企業(yè)規(guī)模小，電爐容量低(6 300 kVA電爐及以下約占1/3)，設(shè)備簡陋，污染嚴(yán)重，節(jié)能環(huán)保不達(dá)標(biāo)。根據(jù)國家的產(chǎn)業(yè)政策，鐵合金行業(yè)正朝著爐型大型化、全密閉的冶煉工藝發(fā)展，煤氣的凈化和回收是無法回避的技術(shù)難題。

鐵合金煤氣具有溫度高、波動大(150～700 ℃)、粉塵細(xì)(PM2.5占90%)、粘性大、易燃易爆、負(fù)壓操作和焦油析出等特點，凈化技術(shù)難度非常大。我國鐵合金爐煤氣普遍以濕法洗滌凈化和回收工藝為主，該工藝普遍存在以下缺點：①凈化效率低，煤氣含塵量高；②煤氣含水量大、熱值低、品質(zhì)不高；③水資源消耗量大，水污染處理投資費用和運行能耗高；④洗滌水管路和設(shè)備堵塞嚴(yán)重，檢修頻繁，影響正常生產(chǎn)。而煤氣干法回收具有凈化效率高、煤氣熱值高和運行費用低的顯著特點，可避免水資源消耗和污水處理問題，也可避免管道堵塞、結(jié)垢和腐蝕問題。與濕法工藝相比，煤氣干法凈化工藝在諸多方面均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，是鐵合金技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展的方向。

中鋼集團(tuán)天澄環(huán)?？萍脊煞萦邢薰九c中鋼集團(tuán)吉林鐵合金股份有限公司合作，研發(fā)了煤氣干法凈化工藝，并在12 500 kVA電爐上開展了工業(yè)試驗，經(jīng)過4年的運行和改進(jìn)，凈化系統(tǒng)運行穩(wěn)定，保障了鐵合金電爐的正常生產(chǎn)。

1　工藝描述

根據(jù)鐵合金爐生產(chǎn)工藝特點和煤氣特性，煤氣干法袋式除塵凈化回收工藝主流程如圖1所示。

圖1凈化回收工藝主流程

荒煤氣通過水冷爐蓋上的排氣孔抽出，650 ℃左右的高溫煤氣首先進(jìn)行一次降溫，從600 ℃降至160 ℃，然后進(jìn)入煤氣袋濾器凈化；根據(jù)生產(chǎn)需求，經(jīng)袋濾器凈化后的煤氣可選擇直接燃燒利用，或進(jìn)煤氣柜儲存。入柜煤氣需二次冷卻，溫度降至約60 ℃，再通過煤氣風(fēng)機(jī)和水封三通切換閥送入煤氣柜。

2　主要設(shè)備

密閉鐵合金電爐煤氣干法凈化系統(tǒng)主要由一次冷卻器、袋濾器、二次冷卻器、煤氣風(fēng)機(jī)、水封和煤氣柜等組成。

2.1荒煤氣冷卻系統(tǒng)

荒煤氣降溫?fù)Q熱采用“煙道自然冷卻+旋風(fēng)冷卻分離+空氣快速冷卻器”組合冷卻的形式。第一級為自然冷卻降溫，第二級為旋風(fēng)預(yù)分離和降溫，第三級為快速降溫。高溫含塵荒煤氣經(jīng)多級冷卻后，煤氣溫度降至160 ℃左右，滿足袋式除塵器工作溫度的要求?；拿簹饫鋮s系統(tǒng)可實現(xiàn)以下擴(kuò)展功能：

(1)當(dāng)爐況異常出現(xiàn)突發(fā)高溫時，快速冷卻器配置的噴淋裝置啟動，對煙氣強(qiáng)制冷卻，確保進(jìn)入袋濾凈化器的煤氣溫度符合要求；

(2)當(dāng)爐況異常出現(xiàn)低溫時，空氣快速冷卻器關(guān)閉幾組冷卻管，通過減少換熱面積來確保進(jìn)入袋濾凈化器的煤氣溫度不至于過低而結(jié)露。

2.2旋風(fēng)冷卻分離器

旋風(fēng)冷卻分離器采用圓筒結(jié)構(gòu)，由上下兩部分組成，上部為常規(guī)旋風(fēng)除塵器，下部為中間儲灰倉，以安全卸灰，氮氣保護(hù)接口設(shè)于中間灰倉。旋風(fēng)冷卻分離器設(shè)計風(fēng)速為15～18 m/s，設(shè)備阻力為480～690 Pa，降溫能力約50 ℃左右。

2.3空氣快速冷卻器

空氣快速冷卻器主要由冷卻管束組、蛇形高溫?zé)?煤)氣通道和噴吹清灰裝置構(gòu)成。為實現(xiàn)降溫幅度可調(diào)，設(shè)置噴淋裝置或強(qiáng)制冷卻風(fēng)機(jī)及管束封堵裝置等設(shè)施。換熱器設(shè)備阻損約1 200 Pa。

工作時，高溫?zé)?煤)氣從空氣快速冷卻器上部進(jìn)入，經(jīng)蛇形冷卻通道至上而下繞流冷卻管束，通道設(shè)計流速約16 m/s,冷卻后的氣體從換熱器下部出口流出。正常工況時，冷卻管束內(nèi)部由下而上流通自然風(fēng)，設(shè)計降溫能力300 ℃左右；當(dāng)煤氣出現(xiàn)異常高溫時，可開啟噴淋迅速降溫；當(dāng)煤氣出現(xiàn)異常高溫時，可封堵部分管束以減少換熱面積。當(dāng)管壁或煙(煤)氣通道積灰影響設(shè)備的降溫和換熱效果時，可開啟噴吹清灰裝置對其進(jìn)行噴吹清灰。

2.4高效煤氣袋濾器

高效煤氣袋濾器呈筒體結(jié)構(gòu)，采用低壓氮氣脈沖噴吹方式。經(jīng)降溫和預(yù)分離后的煤氣進(jìn)入筒體中，在筒體入口設(shè)置擋風(fēng)板，由于流速降低和方向改變，大部分粉塵沉降，含塵煤氣向上進(jìn)入袋濾區(qū)，經(jīng)過濾后的干凈煤氣進(jìn)入上部箱體，由管道經(jīng)煤氣風(fēng)機(jī)引出送入煤氣柜。附著在濾袋外表面的粉塵，由PLC控制系統(tǒng)脈沖清灰裝置定期噴吹清灰后落入灰斗，定期排出。

高效煤氣袋濾器主要由上部、中部和下部筒體構(gòu)成。上部筒體設(shè)有清灰裝置、放散管接口、凈煤氣出口、人孔門及智能泄爆閥等；中部筒體設(shè)有泄爆閥、荒煤氣入口及人孔等；下部筒體設(shè)有卸灰口、人孔門及氮氣保護(hù)接口等。高效煤氣袋濾器采用脈沖清灰方式，清灰氣源為純凈氮氣。設(shè)備阻力小于1 000 Pa，凈化后煤氣含塵質(zhì)量濃度可達(dá)到5 mg/m3。2.5凈煤氣二級冷卻器

考慮到煤氣需要進(jìn)柜，同時煤氣中含有大量的水分和焦油，需要深度脫除，以保障煤氣風(fēng)機(jī)的正常運行。該項目凈煤氣二級冷卻系統(tǒng)采用“煤氣二級冷卻器+旋風(fēng)脫水器”方式處理。

煤氣二級冷卻器由入口變徑管、殼體、錐斗及下部水封4部分組成。經(jīng)高效煤氣袋濾器凈化后的凈煤氣由頂部入口進(jìn)入，殼體內(nèi)設(shè)蛇形翅片管，翅片管內(nèi)通冷水，凈煤氣與翅片管充分熱交換后降溫至60 ℃，此溫度已至露點溫度以下，產(chǎn)生大量冷凝水和焦油，經(jīng)錐斗匯集后進(jìn)入下部水封，設(shè)備阻力<300 Pa。

考慮到凈煤氣中的水和焦油會析出，會以小液滴的形式被氣流帶走，因此在煤氣二級冷卻器之后設(shè)置一臺旋風(fēng)脫水器，在離心力的作用下，使煙氣中的液滴被捕集，經(jīng)錐斗匯集后進(jìn)入下部水封。設(shè)備阻力小于500 Pa，脫水率達(dá)到～80%。

2.6排灰輸灰系統(tǒng)

為避免空氣進(jìn)入煤氣干法凈化系統(tǒng)，排灰系統(tǒng)采用中間灰倉的卸灰方式，旋風(fēng)及高效煤氣袋濾器捕集下來的灰先卸至中間灰倉，再通過中間灰倉卸至螺旋輸灰機(jī)。輸灰系統(tǒng)包括料位計、氣動鐘罩閥、中間倉、氮氣清堵器(氮氣炮)、卸灰閥、螺旋輸灰機(jī)等。現(xiàn)場操作箱設(shè)置“一鍵卸灰”按鈕，程序控制。卸灰過程結(jié)束后，將“一鍵卸灰”按鈕關(guān)閉，各卸灰設(shè)備及閥門恢復(fù)到等待卸灰的關(guān)閉狀態(tài)。

2.7氮氣制備系統(tǒng)

密閉鐵合金煤氣干法袋式除塵凈化系統(tǒng)在諸多方面和環(huán)節(jié)均要使用氮氣，如充氮置換、清灰、清堵等等，因此專門配備了制氮機(jī)。氮氣制備系統(tǒng)含空壓機(jī)、冷干機(jī)以及制氮機(jī)各1臺，外加輸出管網(wǎng)及各種控制閥門。氮氣輸出分2路，一路為高壓氮氣，為各種氣動閥門提供氣源；一路為低壓氮氣，為高效煤氣袋濾器、冷卻器、氮氣炮以及置換氣路提供氣源。

3　電控系統(tǒng)

根據(jù)密閉鐵合金煤氣干法凈化的特點和特殊要求，自控系統(tǒng)控制的內(nèi)容包括CO濃度檢(監(jiān))測與控制、O2含量檢(監(jiān))測與控制、爐口壓力檢(監(jiān))測、H2含量檢測、各溫度點的檢(監(jiān))測與控制、料位檢測與控制、含塵濃度監(jiān)測等內(nèi)容。自控系統(tǒng)主要由PLC主機(jī)，溫度、壓力傳感器，CO，O2，H2等氣體成分檢測儀，含塵濃度檢測儀及設(shè)備運行監(jiān)測儀表等組成，具有過程邏輯自動控制、報警、通訊等功能。

低壓電氣控制系統(tǒng)包括輸灰機(jī)、卸灰閥、氣動閥門及照明等。

(1)煤氣干法凈化系統(tǒng)主要檢測內(nèi)容：各關(guān)鍵點煤氣溫度；爐氣中CO，O2，H2，含塵濃度等；壓力，特別是爐口壓力；灰斗及中間灰倉料位；各傳動機(jī)構(gòu)狀態(tài)；運行監(jiān)測等等。

(2)煤氣干法凈化系統(tǒng)主要控制功能：袋濾器脈沖清灰裝置的自動噴吹；冷卻器脈沖清灰裝置的自動噴吹；輸灰系統(tǒng)的自動卸輸灰；袋式除塵器溫度超溫報警；凈化系統(tǒng)含氧量超量報警；CO和O2含量實時檢測及跟蹤判斷，決定放散與回收切換；在線監(jiān)測凈煤氣含塵濃度，超量報警；在線監(jiān)測凈煤氣中H2含量；在線顯示系統(tǒng)的主要運行參數(shù)(溫度、壓力等)；系統(tǒng)管路閥門控制。

密閉鐵合金煤氣干法凈化回收時，所有設(shè)備均處于自動控制運行狀態(tài)，所有狀態(tài)均在自動控制系統(tǒng)電腦畫面顯示，進(jìn)入各級界面，各設(shè)備及系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)均在線顯示，參見圖2。

圖2煤氣干法凈化系統(tǒng)控制畫面

4　煤氣干法凈化系統(tǒng)操作

為保證凈化系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運行，在系統(tǒng)設(shè)計以及日常操作和維護(hù)過程中，要妥善、合理地處理以下問題。

4.1溫度操作

溫度操作涉及3個方面的問題：一是荒煤氣的降溫問題，二是煤氣袋濾器的工作溫度區(qū)間問題，第三是凈煤氣進(jìn)柜二級降溫問題。

第一，荒煤氣的降溫問題。密閉鐵合金爐煙氣溫度高且波動大，因此對降溫設(shè)備要求比較苛刻，既能有效地降溫，又必須具備一定的調(diào)節(jié)能力，我們研發(fā)的空氣快速冷卻器可以實現(xiàn)上述功能。當(dāng)爐況異常出現(xiàn)突發(fā)高溫時，降溫系統(tǒng)可啟動噴淋裝置，進(jìn)行表面蒸發(fā)冷卻換熱，達(dá)到強(qiáng)化降溫的目的；當(dāng)爐況異常低溫時，可通過關(guān)閉幾組冷卻管束，減少換熱面積來保障袋濾器煤氣溫度不至于過低而析出焦油。

第二，高效煤氣袋濾器的工作溫度區(qū)間問題。由于鐵合金冶煉原料中含有結(jié)晶水，露天堆放會混有雨水及雪水，如果原料不預(yù)處理，爐氣中將含有大量水分，再加上焦炭作為還原劑，爐氣中將不可避免地含有焦油，這兩種成分在露點溫度之下時將導(dǎo)致嚴(yán)重糊袋，因此，高效煤氣袋濾器工作溫度應(yīng)控制在焦油露點溫度以上。

第三，凈煤氣的二級降溫問題。因為煤氣是在焦油和水的露點以上過濾的，凈煤氣中含有大量水和焦油，如果煤氣要進(jìn)柜，煤氣溫度需要進(jìn)行二級降溫處理，降至60 ℃，此時凈煤氣中的水分及焦油將析出，必須在煤氣風(fēng)機(jī)前將析出水分及焦油排除。我們專門研制的高效煤氣二級冷卻器具備自動排水功能。

4.2爐壓控制

鐵合金密閉爐正常運行需控制爐壓為-10～+20 Pa。為精準(zhǔn)控制，特在煤氣風(fēng)機(jī)進(jìn)出口之間加設(shè)回流閥，通過調(diào)節(jié)回流閥的開度來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)抽力，從而達(dá)到精準(zhǔn)控制爐壓的目的。

4.3焦油排除

凈煤氣中含有水分及焦油，水分的去除容易，但焦油不好處理。通過實驗知道，在常溫下焦油以2種狀態(tài)存在，一種是液態(tài)，另外一種就是固態(tài)。在煤氣二級冷卻器和旋風(fēng)脫水器中，液態(tài)焦油被脫除下來，存入底部的水封中，定期排至外部的焦油池，焦油可以返回原料用以造球；固態(tài)焦油處理起來比較麻煩，其含量不高，但會附著在冷卻器的翅片表面，嚴(yán)重影響冷卻器的換熱，需要及時清理。

4.4凈化系統(tǒng)密封

密閉鐵合金煤氣袋式除塵干法凈化系統(tǒng)為負(fù)壓操作，而煤氣是易燃易爆氣體，控制煤氣爆炸的三要素是CO的濃度、煤氣中O2的濃度和火星。CO濃度一般都處于爆炸范圍以內(nèi)，工程中能做到的就是控制O2和火星，即嚴(yán)格控制空氣滲入，對整個管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行密封和打壓試驗是非?？量痰?，應(yīng)符合《工業(yè)企業(yè)煤氣安全規(guī)程GB 6222—2005》的規(guī)定。

4.5系統(tǒng)防爆

即使系統(tǒng)密封做得再好、煤氣中氧氣濃度控制得再好、爐況控制得相當(dāng)穩(wěn)定，也不能完全保證不出現(xiàn)意外。因此，系統(tǒng)必須具備自動泄爆能力，且在泄爆后能迅速恢復(fù)密閉狀態(tài)，保護(hù)系統(tǒng)正常運行。凈化系統(tǒng)中重要設(shè)備和部位配置有自復(fù)式泄爆閥。

4.6防止粉塵搭橋

由于鐵合金密閉爐煤氣粉塵中不可避免地含有煤焦油及水分，即使捕集下來的粉塵安息角較小，也會導(dǎo)致粉塵容易搭橋，不易排出。針對上述特性，在灰斗上加設(shè)氮氣炮和沖氮裝置，破壞粉塵搭橋結(jié)構(gòu)。長期運行結(jié)果表明，卸灰效果良好。

5　系統(tǒng)運行與凈化效果

密閉鐵合金爐煤氣袋式除塵干法凈化系統(tǒng)經(jīng)過4余年的研發(fā)及改進(jìn)，實現(xiàn)了與鐵合金電爐生產(chǎn)完全匹配，100%同步運行，凈化效果理想，操作安全可靠，節(jié)能效果顯著。 系統(tǒng)投運后進(jìn)行了3次檢測，測試結(jié)果表明，排放粉塵質(zhì)量濃度均在5 mg/m3以下，袋濾器阻力1 000 Pa,系統(tǒng)阻力3 000 Pa，節(jié)水90%，節(jié)能40%。

本成果將為我國大型密閉鐵合金電爐煤氣干法凈化提供技術(shù)和裝備支撐，也標(biāo)志著我國礦熱爐煤氣凈化技術(shù)取得了重大突破。

Introduction of Closed Ferroalloy Electric Furnace Gas Dry Purification

XU Hanyu1YAO Qun1CAO Zhiqiang2YU Xiaohua2

(1.SinosteelTianchengEnviornmentalProtectionScienceandTechnologyCo.,Ltd.Wuhan430205)

This article describes the purpose and significance of the closed ferroalloy electric furnace gas dry purification and reveals the new technology and major equipment of ferroalloy gas dry scrubbing, emphasizing operating points of gas dry scrubbing system. Tests show that removal efficiency of the dry process is high, energy-saving is more than 40% and water-saving is 90%, which will be the future mainstream of ferroalloy gas purification technology.

ferroalloygasdry scrubbingbag filtercooling

許漢渝，男，高級工程師，科技部專項基金項目“泛比電阻輕型高效電除塵器”課題、國家“十二五”863“鋼鐵行業(yè)爐窯煙氣PM2.5控制技術(shù)與裝備”、“密閉鐵合金電爐煤氣干法凈化系統(tǒng)”等多項攻關(guān)課題技術(shù)骨干，主要從事環(huán)保設(shè)備的研發(fā)及設(shè)計工作。

2015-08-25)