陳 琛

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司 環(huán)保與暖通工程技術(shù)所, 北京 100176)

鋼鐵冶煉是我國大氣污染物排放的重要污染源行業(yè),推進(jìn)鋼鐵行業(yè)超低排放改造是促進(jìn)在京津冀大氣污染傳輸通道城市的行政區(qū)域范圍內(nèi)全面實(shí)現(xiàn)大氣污染物特別排放限值的重要舉措。 在2020 年《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》各項(xiàng)大氣污染物排放記錄中,PM2.5和PM10為首要污染物的超標(biāo)天數(shù)占重度及以上污染天數(shù)的62.7%[1]。 而傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐干法除塵系統(tǒng)靜電除塵設(shè)備出口處,PM10及以下粒級的微細(xì)粉塵占排灰百分比高達(dá)92.47%。 由于傳統(tǒng)靜電除塵設(shè)備對PM10及以下粒級的粉塵去除率不高,導(dǎo)致大量的細(xì)顆粒物被排放到大氣中,造成嚴(yán)重空氣污染[2]。 同時,微細(xì)粉塵比表面積大,極易吸附其他有害物質(zhì),如重金屬污染物、揮發(fā)性有機(jī)污染物,并隨呼吸進(jìn)入人體,對人類健康造成威脅[3-6]。 因此,提高鋼鐵行業(yè)微細(xì)粉塵的脫除效果是環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域一個迫切要解決的問題。

由于我國主流的提釩轉(zhuǎn)爐冶煉無論采用單渣法、雙渣法還是雙聯(lián)法均基于留渣去鋼的特殊工藝,冶煉需要根據(jù)溫焓圖來控制工藝參數(shù),盡量發(fā)生釩氧化反應(yīng)而不是碳氧化反應(yīng),因此在提釩煉鋼工序中,相同煙氣量下,10 μm 及以下粉塵的分布比例相比傳統(tǒng)脫碳轉(zhuǎn)爐要高不少,導(dǎo)致提釩轉(zhuǎn)爐的一次除塵超低排放處理難度比脫碳轉(zhuǎn)爐要大很多。

電除塵器處理煙塵是利用電場力和重力場力驅(qū)動粉塵徑向運(yùn)動來最終形成對粉塵的吸附,電場力吸附主要是針對10 μm 以上的粉塵,重力場吸附主要是針對100 μm 以上的粉塵[7-11]。 提釩轉(zhuǎn)爐一次煙塵10 μm 及以下粉塵含量高,分級處理效率低,如果單純采用電除塵器處理煙塵,效果較差,亟需對粉塵靜電吸附工藝進(jìn)行改造。 改進(jìn)主要有2 個途徑:一是投入較高研發(fā)資金開發(fā)靜電吸附作用效果好的微細(xì)粉塵電除塵器(如強(qiáng)磁電耦合場除塵器) ;二是開發(fā)除塵器前置預(yù)處理技術(shù),使微細(xì)粉塵在預(yù)處理過程中凝聚形成較大粒徑顆粒, 以滿足現(xiàn)有干式靜電除塵設(shè)備吸附10 μm 以上粉塵的處理能力,該耦合凝聚和靜電吸附作用被稱為附聚耦合作用。

本文提出對提釩轉(zhuǎn)爐一次煙氣進(jìn)行溶液噴霧凝聚預(yù)處理,再利用干式電除塵器進(jìn)行靜電吸附的工藝方法,并考察附聚耦合作用對微細(xì)粉塵的捕集效果,從而探索可提高干式電除塵捕集10 μm 級別微細(xì)粉塵效率的凝聚藥劑和經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行條件。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)原料及藥劑

試驗(yàn)中使用到的藥劑有:拜客化學(xué)生產(chǎn)的聚丙烯酰胺(PAM)、聚合氯化鋁鐵(PAFC),立檳生物生產(chǎn)的魔芋葡甘聚糖聚三甲基氯化銨(KGM-g-PDMC)。

1.2 分析儀器及計(jì)算方法

粉塵粒度分析采用Win2308 激光粒度分析儀(主激光源:高性能激光器λ=639 nm,p＞2.0 mW)。 除塵效率計(jì)算公式見式(1)。

1.3 工藝流程和中試試驗(yàn)規(guī)模

試驗(yàn)裝置由3 部分構(gòu)成,包括粉塵凝聚室、電除塵器和引風(fēng)機(jī),如圖1 所示。 圖2 為中試系統(tǒng)裝置布置圖。

圖1 試驗(yàn)裝置流程Fig.1 Flowchart of experimental device

圖2 中試系統(tǒng)裝置布置Fig.2 Layout of pilot scale device

霧化系統(tǒng)構(gòu)成本次試驗(yàn)裝置的變量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在原電除塵入口處串聯(lián)粉塵凝聚室,含塵煙氣通過引風(fēng)機(jī)先吸入到粉塵凝聚室;粉塵凝聚室由霧化系統(tǒng)和重力沉降腔體構(gòu)成;霧化系統(tǒng)由蠕動泵、霧化噴槍構(gòu)成;霧化噴槍噴入凝聚劑,經(jīng)凝聚后的含塵煙氣送入電除塵器入口進(jìn)行靜電吸附。 試驗(yàn)所用裝置型號及具體參數(shù)見表1。

表1 中試試驗(yàn)裝置型號及具體參數(shù)Table 1 Pilot test device scale and specific parameters of each equipment

1.4 試驗(yàn)流程

首先打開過熱蒸汽對凝聚室加熱溫度維持在75 ℃左右,打開附聚系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)將一部分電除塵出口的煙氣吸入凝聚室。

試驗(yàn)1:保持蠕動泵關(guān)閉,僅研究電除塵器對粉塵的捕集作用,采用玻璃纖維濾膜收集經(jīng)電除塵器后的粉塵,觀測粒徑分布情況,記為樣本1,該部分為僅有靜電吸附的背景參照系對比。

試驗(yàn)2:在粉塵進(jìn)入凝聚室前打開凝聚劑藥劑泵,將凝聚劑引入凝聚室腔室內(nèi)的霧化噴嘴,噴出凝聚劑溶液,在凝聚劑的作用下粉塵發(fā)生微細(xì)粉塵凝聚長大,長大后的粉塵被靜電吸附作用捕獲。 位于排氣末端的玻璃纖維濾膜收集不同凝聚劑作用下電除塵器出口沒有被捕獲的粉塵,該部分為相同溫度和凝聚劑濃度、不同種類凝聚劑的試驗(yàn),觀測粒徑分布情況,記為樣本2。

秦鐵崖比李太嶂高出大半頭，這就讓李太嶂占盡便宜。嘭的一聲悶響，李太嶂一頭撞在秦鐵崖胸骨上，差一點(diǎn)就將兩只龍爪手震開。

試驗(yàn)3:保持相同溫度,分批噴入不同濃度配比的KGM-g-PDMC 溶液(以下簡稱K 溶液),并觀測相同溫度和凝聚劑(K)、不同K 溶液濃度作用下粉塵粒徑分布情況,記為樣本3。

試驗(yàn)4:維持凝聚劑K 溶液的濃度,考察不同的凝聚室環(huán)境溫度對電除塵器出口粉塵粒度分布的影響,記錄為樣本4。 各試驗(yàn)參數(shù)記錄見表2、表3、表4。

表2 相同溫度和凝聚劑濃度、不同種類凝聚劑下試驗(yàn)參數(shù)(試驗(yàn)2)Table 2 Chemicalreagent and variable parameters of experiment No.2

表3 相同溫度和凝聚劑、不同濃度下試驗(yàn)參數(shù)(試驗(yàn)3)Table 3 Chemical reagent and variable parameters of experiment No.3

表4 相同凝聚劑和濃度、不同溫度下試驗(yàn)(試驗(yàn)4)Table 4 Chemical reagent and variable parameters of experiment No.4

2 結(jié)果與討論

2.1 僅有靜電吸附作用的除塵效果

作為后續(xù)試驗(yàn)的對比參數(shù),試驗(yàn)1 對原靜電除塵系統(tǒng)進(jìn)行有、無靜電吸附作用的粉塵粒徑檢測和除塵效率檢測,結(jié)果見圖3。 從圖3 可以看出,提釩轉(zhuǎn)爐的D50 粒徑約為120 μm,而脫碳轉(zhuǎn)爐D50 粒徑約為170 μm,平均粒徑減少約50 μm,增大了微細(xì)粉塵的處理量。

將固定分布粒徑下的粉塵分布百分比代入式(1)可以得到分級除塵效率。 圖3 中,雙聯(lián)法提釩轉(zhuǎn)爐(藍(lán)色、紫色)和脫碳轉(zhuǎn)爐(棕色、灰色)粉塵的粒徑范圍主要集中在2.5 ～1 000 μm。 由灰色和紫色曲線可以得出:無論提釩或者脫碳工藝,電除塵器對于250 μm 以上粒度粉塵的除塵效率幾乎為100%,隨著粒度下降除塵效率逐漸下降。 當(dāng)粉塵粒度在2.5 ～10 μm 時,電除塵器的除塵效率只有60%;而2.5 μm 以下粉塵顆粒的除塵效率微乎其微。 從試驗(yàn)1 可知,對于2.5 ～10 μm 及以下粒級粉塵,由于其在脫碳轉(zhuǎn)爐微細(xì)粉塵分級濃度較低,因此煙氣處理后排放的該粒級含量相比提釩轉(zhuǎn)爐要低40%。

圖3 提釩轉(zhuǎn)爐和脫碳轉(zhuǎn)爐煙氣粉塵分布對比Fig.3 Comparison chart of flue gas dust distribution of vanadium converter and decarburizing converter

2.2 凝聚劑種類對附聚預(yù)處理除塵效率的影響

在試驗(yàn)2 中引入3 種不同的凝聚劑(有機(jī)化學(xué)品聚丙烯酰胺(PAM)、無機(jī)化學(xué)品聚合氯化鋁鐵(PAFC)、生物易降解藥劑魔芋葡甘聚糖聚三甲基氯化銨(KGM-g-PDMC)),測量收塵纖維濾膜,得到觀測樣本2,如圖4 所示。 圖4 表明,相比無預(yù)處理除塵,添加凝聚劑后粒度250 μm 以上的粉塵除塵效率幾乎為100%; 100%除塵粒徑大幅度下降,其中KGM-g-PDMC 在3 種凝聚劑中效果最好,100%除塵粒徑達(dá)到了120 μm;在預(yù)處理后,對10 ～120 μm粒度粉塵除塵效率也顯著提高,其中KGMg-PDMC 對該粒級范圍除塵效率達(dá)到了70%(提高16.6%)。

圖4 提釩煙氣無處理、靜電吸附處理及不同凝聚劑附聚耦合處理效果對比Fig.4 Comparison among non-treatment,electrostatic adsorption and agglomeration coupling with electrostatic treatment by different coagulants of flue gas dedust outputs

2.3 質(zhì)量濃度對附聚預(yù)處理除塵效率的影響

通過試驗(yàn)3,對比不同濃度下相同凝聚劑(KGM-g-PDMC)在相同溫度下的附聚效果,結(jié)果見圖5。 圖5 表明,隨著濃度的提高除塵效率略有上升,當(dāng)濃度從1∶900 提高到1∶300 時,預(yù)處理對10 ～120 μm 顆粒物除塵效率可以提升5%。

圖5 不同凝聚劑濃度對附聚耦合靜電除塵效果的影響Fig.5 Effect of different concentration and the same temperature solution in Experiment 3

2.4 溫度對附聚預(yù)處理除塵效率的影響

通過試驗(yàn)4,對比不同溫度對凝聚劑(KGM-g-PDMC)附聚效果的影響,結(jié)果見圖6。 圖6 表明,溫度降低有利于附聚預(yù)處理除塵效率的提高,相比100 ℃,75 ℃環(huán)境溫度的預(yù)處理對10 ～120 μm 粒級大小顆粒物除塵效率可以提升5%。

圖6 溫度對附聚耦合靜電除塵效果的影響Fig.6 Effects of different temperatures and the same concentration in Experiment 4

2.5 粉塵附聚的形貌表征分析

對預(yù)處理后的粉塵取樣送掃描電鏡檢測,觀察分析附聚耦合微觀原理,結(jié)果見圖7。 由圖7 可以看出,煙氣粉塵顆粒物在附聚耦合作用下出現(xiàn)微細(xì)粉塵向大顆粒粉塵聚集凝聚現(xiàn)象,在粒徑較大的顆粒物表面附著一層微細(xì)顆粒物,并且形成相對穩(wěn)定的凝聚形態(tài)。 這種凝聚預(yù)處理不同于靜電吸附作用,凝聚作用使得顆粒物粒徑變大,而且由于表面凝聚劑的黏附性,可以發(fā)生鏈?zhǔn)礁骄垴詈闲?yīng),從而導(dǎo)致附聚耦合后的顆粒物表面光滑度明顯下降,比表面積進(jìn)一步增大,更加利于后續(xù)顆粒的繼續(xù)附聚耦合。

圖7 附聚耦合微觀原理圖和掃描電鏡對比圖Fig.7 Microscopic schematic diagram of SEM

3 結(jié)論與展望

試驗(yàn)表明,使用凝聚劑預(yù)處理工藝對電除塵器工藝捕集各個粒級粉塵顆粒的效率可大幅度提升,其中KGM-g-PDMC 是一種優(yōu)良的凝聚劑,可使PM10粒級粉塵電除塵效率提高16.6%。 因此粉塵附聚預(yù)處理工藝是一種有前景的除塵工藝。

3.1 結(jié)論

1)雙聯(lián)法提釩轉(zhuǎn)爐和脫碳轉(zhuǎn)爐煙氣中的粉塵粒徑范圍主要集中在2.5 ～1 000 μm,提釩轉(zhuǎn)爐的D50 粒徑約為120 μm,而脫碳轉(zhuǎn)爐D50 粒徑約為170 μm,提釩轉(zhuǎn)爐煙氣中的微細(xì)粉塵處理量相對較大。

2)使用凝聚劑預(yù)處理可大幅度提升電除塵器除塵效率,KGM-g-PDMC 凝聚效果好于PAM 和PAFC,使得100%除塵粒徑降到了120 μm,對10 μm粒級以上大小顆粒物除塵效率達(dá)到了70%。

3)采用KGM-g-PDMC 凝聚劑,通過提高凝聚劑濃度和適當(dāng)降低煙氣溫度有利于提升凝聚效果。

4)凝聚預(yù)處理可使得顆粒物粒徑變大,而且可以發(fā)生鏈?zhǔn)礁骄垴詈闲?yīng),更加利于后續(xù)顆粒的繼續(xù)附聚耦合。

3.2 展望

1)由于提釩轉(zhuǎn)爐粉塵中的微細(xì)粉塵顆粒分布百分比不斷提高,面對日益嚴(yán)峻的排放法規(guī),原先電除塵器設(shè)計(jì)規(guī)范中以質(zhì)量濃度作為性能評價(jià)指標(biāo)已經(jīng)無法滿足超低排放要求,而粉塵凝聚預(yù)處理系統(tǒng)(CCU)對LT 靜電除塵的補(bǔ)充可以滿足超低排放要求。

2)附聚耦合工藝除塵成本較合理,具有推廣價(jià)值。 以KGM-g-PDMC 體系為例,工業(yè)級KGM-g-PDMC 單價(jià)約4 萬元/t,而稀釋1∶300 的KGM-g-PDMC 溶液單價(jià)僅為133 元/t,設(shè)備投資主要為計(jì)量泵組,對比投資濕式電除塵器以及磁電耦合場除塵器,投資回收年限縮短一半以上。

3)選擇環(huán)境和健康友好型生物凝聚劑,可推廣到其他冶煉工藝的應(yīng)用。 在凝聚劑的選擇上可以選擇無機(jī)凝聚劑、有機(jī)凝聚劑以及生物凝聚劑,但是從生命周期考慮,選擇對環(huán)境和人類健康友好的凝聚劑可以有效地減小二次污染。 此外,該工藝除在雙聯(lián)提釩工藝的一次煙氣除塵應(yīng)用,也可以在類似的冶煉工藝中應(yīng)用,例如無鈣焙燒提鉻的煙氣除塵工藝。