王俊根， 謝桂龍， 周景偉， 樊 響

（北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司， 北京 100029）

轉(zhuǎn)爐煉鋼車間排放的煙氣是鋼鐵行業(yè)粉塵排放的主要來源之一。雖然鋼廠基本都已配套轉(zhuǎn)爐一次、二次除塵設(shè)施，但隨著現(xiàn)代煉鋼技術(shù)的提升和轉(zhuǎn)爐兌鐵水速度的加快，加上原有除塵系統(tǒng)老化，煉鋼某些過程中仍從爐口溢出大量陣發(fā)性煙氣，難以被現(xiàn)有除塵設(shè)施完全捕集。這些煙氣一部分彌散在車間，影響車間作業(yè)環(huán)境和工人健康；另一部分煙氣則通過豎風(fēng)井及高跨天窗排入大氣，導(dǎo)致煉鋼廠屋頂間歇性冒出大量黃煙，嚴(yán)重污染環(huán)境。《煉鋼工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB 28664—2012》規(guī)定，自2015年1月1日起，現(xiàn)有企業(yè)執(zhí)行轉(zhuǎn)爐（二次煙氣）顆粒物濃度限值為20 mg/m3。因此轉(zhuǎn)爐車間進(jìn)行三次除塵改造技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 三次除塵的由來及應(yīng)用現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)爐煙氣三次除塵是相對(duì)已有的轉(zhuǎn)爐一次、二次除塵而言的。一次出塵是指通過煙道對(duì)轉(zhuǎn)爐吹煉過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)行冷卻、凈化并回收煤氣的處理過程，一般采用濕法或半干法工藝[1-2]。二次除塵是通過采用密閉形式的集塵罩（俗稱狗窩）捕集包括轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道入口（一次除塵煙氣入口）溢出的部分煙氣在內(nèi)的所有轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過程中的煙氣，經(jīng)布袋除塵后排放大氣的處理過程。二次除塵就是為了彌補(bǔ)一次除塵的不足而采取的環(huán)保措施[4]。通常一次、二次除塵基本能捕集到轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中絕大部分粉塵，但仍然有部分煙氣無法被收集，比如兌鐵水時(shí)，爐前擋火門處于打開狀態(tài)，當(dāng)兌完鐵水鋼包退出時(shí)，鋼包內(nèi)由于發(fā)生新的化學(xué)反應(yīng)而從鋼包口散發(fā)出大量煙氣，由于鋼包距離狗窩漸遠(yuǎn)，此部分煙氣會(huì)溢出彌散在車間內(nèi)，并經(jīng)過豎風(fēng)井進(jìn)入大氣。另外，當(dāng)兌鐵水速度加快或加入摻有大量碳?xì)浠衔锏牡唾|(zhì)廢鋼時(shí)，現(xiàn)有的二次除塵能力有限，也會(huì)在爐前溢出大量煙氣。由此，三次除塵應(yīng)運(yùn)而生，其主要用于解決這些二次除塵捕集不到的煙氣。

國(guó)內(nèi)三次除塵技術(shù)首先在寶鋼開始應(yīng)用[4]，采用寶鋼工程公司（BSEE）研發(fā)的氣樓除塵（三次除塵）裝置，如圖1所示，對(duì)原有的豎井式氣樓進(jìn)行局部改造，在豎風(fēng)井內(nèi)增加除塵抽風(fēng)管和通風(fēng)切換閥，實(shí)現(xiàn)氣樓三次除塵和自然通風(fēng)換氣雙重功能。類似的裝置在很多鋼廠已陸續(xù)使用。但該裝置無明顯的集塵罩，且抽風(fēng)管是從豎風(fēng)井側(cè)面接入，氣流方向并不順暢，這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)能耗和收塵效果均有一定的影響。本文將從集塵罩、管道及廠房的安全性等多個(gè)角度探討三次除塵技術(shù)的重難點(diǎn)，以求對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用起到參考和指導(dǎo)作用。

圖1 BSEE轉(zhuǎn)爐煉鋼車間氣樓除塵裝置剖面示意圖

2 三次除塵技術(shù)的重難點(diǎn)探討

2.1 集塵罩的設(shè)計(jì)

如何最大限度的收集煙塵是三次除塵集塵罩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。影響集塵罩收塵效果因素很多，例如集塵罩的安裝位置、集塵罩的型式等等。由于轉(zhuǎn)爐加料跨上方是天車活動(dòng)區(qū)域，靠近氧槍一側(cè)又是氧槍活動(dòng)區(qū)域，因此集塵罩只能是頂吸式。如圖2所示，利用原有的廠房屋頂結(jié)構(gòu)做頂吸罩是三次除塵的常規(guī)做法。然而，頂吸罩罩口與加料時(shí)的含塵煙氣源頭存在較大高差，頂吸罩工作時(shí)會(huì)吸入大量的罩口附近的空氣，因此需要較大的氣量才能將三次煙氣完全抽完。可通過將氧槍口平臺(tái)與加料跨之間用封閉板隔開，并在廠房結(jié)構(gòu)允許條件下提高罩子容積，使頂吸罩盡可能多的捕集有效煙氣，降低了系統(tǒng)能耗，也阻斷了含塵煙氣排向大氣的路徑。

圖2 爐前加料及上升煙氣捕集過程剖面示意圖

三次除塵頂吸罩可近似為熱過程高懸傘形罩[6]，其設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)包括熱源點(diǎn)與罩口的距離、熱射流的流速、罩口尺寸、罩口流速、吸風(fēng)量、集塵罩?jǐn)U張角等。集塵罩吸風(fēng)量通用公式為：

式中：Q為吸風(fēng)量，m3/s；v0為罩口平均吸風(fēng)速度，m/s；F為罩口面積，m2。對(duì)于三次集塵罩，可根據(jù)爐口兌鐵水或加廢料時(shí)煙氣溢出情況特點(diǎn)，可作如下假設(shè)：

1）煙氣從爐口溢出至天車梁下方階段，為三面擴(kuò)散狀態(tài)，可近似為有阻擋的熱射流。

2）由于天車自身兩側(cè)承重梁較高，加上兌鐵水時(shí)鋼包阻擋，煙氣上升至天車承重梁下方后與空氣自然隔開，此時(shí)的煙氣流速看成勻速。

3）煙氣上升至天車上方距離罩口已很近，可以認(rèn)為流速不變。

4）罩口從周圍空氣吸入罩內(nèi)的空氣流速取0.5～0.75 m/s。

因此，參考熱射流計(jì)算原理，可將三次除塵頂吸罩吸風(fēng)量用如下公式表示，

式中：vC為罩口處熱煙氣平均速度，m/s；Fc為罩口處熱煙氣擴(kuò)散面積，m2；vr為罩口處吸入空氣平均速度，m/s；Fr為罩口處吸入空氣面積，m2。其中，F(xiàn)c可近似為天車承重梁及鋼包自然封閉區(qū)域總面積，而Fr＝F-Fc；vc近似為等速階段流速，用儀器可測(cè)得。由于轉(zhuǎn)爐加料過程溢出煙氣的上升過程是個(gè)復(fù)雜的過程，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)各轉(zhuǎn)爐煉鋼運(yùn)行情況對(duì)吸氣量作出判斷。設(shè)計(jì)的集塵罩罩口需覆蓋整個(gè)上升熱煙氣擴(kuò)散范圍，但也不宜太大，否則會(huì)吸入過多的空氣造成能量浪費(fèi)。當(dāng)罩口實(shí)際情況確實(shí)需要很大時(shí)，宜將大罩子分割成若干個(gè)小集塵罩、在罩內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板或在罩口上設(shè)置條縫口，以確保集塵罩的效果。

2.2 管道設(shè)計(jì)

三次除塵采用屋頂集塵罩收集煙塵，具有煙氣量大、粉塵含量偏低、煙氣溫度偏低等特點(diǎn)。對(duì)于除塵管道設(shè)計(jì)，需要考慮煙氣流速、管道積灰荷載、管道走向、管件型式、管道支架等諸多因素。各個(gè)因素又相互關(guān)聯(lián)、相互影響。煙氣流速一般選取在15～25 m/s范圍，流速過小容易積灰，流速過大會(huì)增加系統(tǒng)阻力和管道磨損。由于三次除塵管道從轉(zhuǎn)爐廠房屋頂接引，管道積灰荷載需考慮原有廠房結(jié)構(gòu)的承受能力，合理選擇積灰系數(shù)。管道走向、管件型式直接關(guān)系工程造價(jià)和系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)化管道走向，并合理選擇彎頭、三通等管件型式。例如，對(duì)于大型圓節(jié)彎頭，盡量用5節(jié)以上，彎曲半徑選用1.5倍管徑，三通盡量用30°或45°斜三通，盡量避免直三通。由于原有廠房受力有限，在廠房頂設(shè)置管道支架時(shí)盡量采用低摩擦滑動(dòng)支架，熱膨脹較大管段設(shè)置膨脹節(jié)，盡量避免向廠房水平推力。

2.3 廠房的安全性核算

前面已經(jīng)提到，三次除塵集塵罩及接引管道、煙氣切換閥等都加在原有的廠房結(jié)構(gòu)上。因此，對(duì)原有廠房新增荷載驗(yàn)算與加固是三次除塵實(shí)施的關(guān)鍵因素。三次除塵系統(tǒng)所利用的屋面為高跨鋼結(jié)構(gòu)屋面，整個(gè)屋面系統(tǒng)是一個(gè)整體，廠房既有靜載荷，又有天車移動(dòng)及氧槍下槍等引起的動(dòng)載荷，高跨屋面還要受風(fēng)力和地震力。廠房力學(xué)計(jì)算很復(fù)雜，其計(jì)算模型由原設(shè)計(jì)單位掌握，因此，宜委托原設(shè)計(jì)單位對(duì)廠房新增荷載進(jìn)行驗(yàn)算。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分根據(jù)原有廠房結(jié)構(gòu)布置管道支架，支撐盡量落在廠房柱上（受力最終都要傳導(dǎo)至廠房柱），當(dāng)支架需落在上、下弦形式的屋架上時(shí)應(yīng)落在上弦的節(jié)點(diǎn)上（節(jié)點(diǎn)處受力最好）。

3 結(jié)語

轉(zhuǎn)爐三次除塵技術(shù)是利用現(xiàn)有高跨屋頂而進(jìn)行煙塵捕集的除塵技術(shù)，是對(duì)現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐二次除塵技術(shù)的進(jìn)一步完善。其難點(diǎn)在于屋頂集塵罩的設(shè)計(jì)、屋頂管道設(shè)計(jì)及廠房結(jié)構(gòu)驗(yàn)算等。屋頂集塵罩類似熱過程高懸傘形罩，可根據(jù)相關(guān)理論和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)煙氣溢出情況綜合考慮罩口尺寸、吸風(fēng)量等關(guān)鍵參數(shù)。管道設(shè)計(jì)要從經(jīng)濟(jì)性、安全性等多方面進(jìn)行優(yōu)化。集塵罩、管道管件等新增荷載對(duì)廠房結(jié)構(gòu)的影響及廠房加固，建議由原設(shè)計(jì)單位進(jìn)行驗(yàn)算。