＊劉嘯宇 韓雨琪 張雁 楊永斌 李騫*

（1.湖南晟清環(huán)?？萍加邢薰?湖南 411101 2.中南大學資源加工與生物工程學院 湖南 410083）

通常在燒結過程的配料環(huán)節(jié)需加入生石灰作為堿性熔劑；生石灰在消化過程中會釋放大量的熱量，從而提高混合料料溫，減少甚至消除燒結料層的過濕現(xiàn)象；生石灰消化形成的消石灰是一種極細的膠體顆粒，可改善原料的制粒效果。因此，生石灰可提高料層溫度、改善料層透氣性和燒結礦粒度，從而顯著提升燒結成品礦的產(chǎn)量和質量，其消化工藝在燒結過程中具有重要的意義。

然而，生石灰在消化過程中釋放的熱量會使消化水沸騰，并同時攜帶生石灰、消石灰膠體的微細顆粒，造成現(xiàn)場環(huán)境的污染以及消化水的浪費，故生石灰消化系統(tǒng)需配備除塵器。由于生石灰消化系統(tǒng)產(chǎn)生的含塵蒸汽具有特殊性質，需使用特定的除塵防霧系統(tǒng)，這也是國內(nèi)鋼鐵廠在燒結工序除塵方面面臨的巨大難題。

1.生石灰特性與消化

生石灰的主要成分為氧化鈣（CaO），外形為白色、灰色（含雜質）或棕白。生石灰具有吸水性，可吸收空氣中的水和二氧化碳。生石灰與水反應生成氫氧化鈣的過程稱為消化，化學反應方程式如下：

消化過程會產(chǎn)生大量的熱量（65.17kJ/mol），溫度可超過100℃，體積擴大1～2倍[1]。生石灰消化后形成氫氧化鈣膠體，該膠體顆粒極細，比表面積較大，并可吸附大量的水，從而可強化制粒、改善料層透氣性。

目前，燒結過程中生石灰的消化有兩種方法[2]，一是將生石灰通過皮帶與其他燒結原料一起送入混合系統(tǒng)中進行混合，并在一混過程中加入柱狀水以達到生石灰消化的目的；二是在配料系統(tǒng)中配備單獨的消化器，在進入混合系統(tǒng)之前完成生石灰的消化工作。相較而言，第一種方法易出現(xiàn)“多白點”現(xiàn)象（即消化不完全），從而造成后續(xù)燒結過程中殘留生石灰破壞原有礦相，致使成品礦粉化、強度下降。第二種方法生石灰消化更完全，可有效改善燒結料層的透氣性，并可為高料層燒結打下良好的基礎。加之，國內(nèi)各燒結廠逐步實現(xiàn)了設備大型化。因此目前燒結廠普遍采用單獨消化的方法（即第二種方法），并在配料車間中配備生石灰消化器。

生石灰消化工藝主要有濕法和干法兩種[3]，兩種工藝都需要攪拌以推動消化反應的進行，攪拌方法分為機械攪拌與氣流擾動攪拌[3]，攪拌過程都會伴有一定量的揚塵。同時，消化過程中會釋放出大量的熱量使水沸騰、產(chǎn)生大量的蒸汽，吸附大量微細生石灰和消石灰顆粒物。且生石灰消化產(chǎn)生的含塵蒸汽具有以下特征[4]：

（1）高分散性：消石灰粒度細，自然沉降慢，分布范圍廣，難以捕捉。

（2）強親水性：粉塵斷裂強度大于600Pa，屬于強親水性粉塵，濕度大，極易結塊，粘附在通風管道內(nèi)壁和除塵器上。

（3）水硬性：蒸汽中的細小消石灰膠體顆粒，易與空氣中的CO2反應生成CaCO3固體沉淀，大量的CaCO3固體容易形成硬垢而板結。

因此，普通的除塵設備無法滿足生石灰消化系統(tǒng)的除塵，為避免對現(xiàn)場工作環(huán)境產(chǎn)生影響，需要在生石灰消化裝置上配備特定的除塵器。

2.除塵技術

目前主要的除塵方法有機械式除塵、靜電除塵、袋式除塵以及濕式除塵四種。各除塵技術的原理、優(yōu)缺點及在生石灰消化系統(tǒng)中的運用如下：

（1）機械式除塵，指依靠重力、離心力等機械力將含塵廢氣中的塵粒去除的方法。該方法具有除塵設備結構簡單、運行費用低等優(yōu)點。在消化除塵方面主要通過離心裝置實現(xiàn)含塵蒸汽中的固體分離，主要運用于濕式除塵器結合離心裝置構成的復合除塵技術中。

（2）靜電除塵，指含塵氣體經(jīng)過高壓靜電場時被電分離的方法。由于在除塵過程中經(jīng)常發(fā)生電除塵器除塵管道堵塞、含塵蒸汽致使電除塵器管道內(nèi)污水淤積，以及極板掛泥、腐蝕嚴重，除塵器運行電壓、電流達不到正常范圍等問題，該方法在消化除塵中已被逐漸淘汰。

（3）袋式除塵，指含塵氣體在通過圓筒形濾袋的過程中分離氣體中固體粉塵的方法。袋式除塵器具有效率高、對微細粒捕集能力強的優(yōu)點。但是，由于消化系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽具有濕度大、溫度高等特點，含塵蒸汽極易在布袋除塵器中堵塞除塵濾袋，因此生石灰消化不適宜運用布袋除塵器。

（4）濕式除塵，是將含塵廢氣與洗滌劑充分接觸，使灰塵被洗滌下來再加以凈化的方法。這種除塵方式的優(yōu)點為效率高、除塵器結構簡單、造價低、占地面積小、操作維修方便；特別適合用于處理高溫、高濕、易燃、易爆的含塵氣體；且可同時除去部分氣態(tài)污染物。因此，目前配料系統(tǒng)的生石灰消化系統(tǒng)普遍使用濕式除塵器。

3.生石灰消化濕式除塵技術

濕式除塵是生石灰消化普遍采用的方法，但使用過程易產(chǎn)生管道堵塞的問題，因此“防堵”措施的研發(fā)是濕式除塵器發(fā)展的一大難題。據(jù)研究[1]，對濕式除塵器的三個關鍵部位進行防堵措施至關重要：

第一，水平通風管道：首先在水平收塵管道上設置一個大于10°的斜坡，之后在管道內(nèi)安裝噴嘴，對管道內(nèi)堆積的淤泥進行沖洗。

重鋼[5]就是采用多相流水霧捕塵技術實現(xiàn)含塵蒸汽向固相和液相分別轉換實現(xiàn)初步凈化，之后利用液體的流動性，在管道內(nèi)設置一定的坡度，同時在管道內(nèi)每間隔2m設置清堵口。

第二，垂直收塵管道：垂直管道不可用水進行沖洗，則采用倉壁振動器以解決淤堵問題。據(jù)研究，將垂直管道內(nèi)壁換為雙層帆布管后，僅需人工抖動即可抖落內(nèi)壁粘附物料，解決了垂直收塵管道淤堵的問題。

第三，噴淋系統(tǒng)管道：噴淋系統(tǒng)管道內(nèi)壁極易由于生石灰的水硬性產(chǎn)生前文提到CaCO3固體沉淀而淤堵。據(jù)肖玉慶等人[1]通過實驗探究得到了兩種解決方法：一是將噴淋系統(tǒng)的鋼管全部換為內(nèi)壁更為光滑的PE管；二是在噴淋系統(tǒng)的水中混入3%的廢酸（來自燒結煙氣脫硫脫硝過程）。

針對濕式除塵器普遍存在易堵的問題，目前各燒結廠采用的生石灰消化濕式除塵技術大多經(jīng)過改造，通常采用復合分級除塵、浸入除塵以及水幕除塵技術。

(1)復合分級除塵技術

燒結廠常采用復合分級除塵技術來解決生石灰消化除塵系統(tǒng)普遍存在除塵效果差、水箱污水易外排的問題，該除塵技術有兩個除塵點，結合了濕式除塵及袋式除塵兩種技術，利用粉塵親水性，實現(xiàn)對含塵蒸汽的分級處理。

攀鋼[6]根據(jù)這一技術，將其燒結配料過程中原有的普通消化系統(tǒng)除塵器改為了二級水系除塵器，采用“預洗—水浴—抽風—凈氣排放”的思路對含塵蒸汽進行了治理及循環(huán)回收利用，其流程如圖1所示。該分級除塵系統(tǒng)在原有的除塵系統(tǒng)基礎上增加二次洗滌技術。細顆粒物由于本身粒度細、分散度高容易在一次洗滌時從霧狀除塵水中逃逸出來，殘余的細顆粒粉塵通過第二級除塵過濾網(wǎng)時，被過濾網(wǎng)上的水膜捕捉，從而達到提高除塵效率的目的。該技術在降低粉塵排放濃度的同時，還保護了風機的正常運行，避免了風機因粘結物板結而引起的振動。

圖1 攀鋼二級水洗除塵器流程圖

新鋼[7]根據(jù)復合分級除塵技術設計了一個新型除塵器（見圖2）。該除塵器在原有的復合分級處理基礎上，設計了溢流裝置與攪拌裝置，防止因為水池中粉塵的沉淀和板結造成的水箱污水外溢的問題。粉塵排放濃度由原來的210mg/m3下降到25mg/m3，可見該除塵器除塵效果良好，可有效改善生石灰配料系統(tǒng)的環(huán)境。

圖2 新鋼復合濕式除塵器[7]

(2)浸入式除塵技術

萊鋼燒結廠[4]研發(fā)了一種篩管浸入式高效濕式除塵器，其工作原理如圖3。篩管浸入式高效濕式除塵器通過風機在水箱內(nèi)形成負壓，將含塵蒸汽吸入除塵水箱內(nèi)，含塵蒸汽經(jīng)過水的噴淋后，通過篩管進入水浴盒內(nèi)，通過引風機的引力使水浴盒內(nèi)的水在多孔篩管的作用下沸騰，達到含塵蒸汽與水的完全混合，從而去除蒸汽中的微細粒粉塵。

圖3 篩管浸入式高效濕式除塵工作原理圖[4]

值得注意的是，該除塵器為了防止含沉淀物的廢水淤堵在水箱內(nèi)，設計了一個可以將污水中的沉淀物與清水分離，并將分離出來的廢水通過潛水泵送入消化器進行二次利用的循環(huán)裝置，解決了濕式除塵污水利用率低和二次水污染問題。

(3)水幕除塵技術

水幕除塵器特點為將水浴和噴淋結合，分級對含塵蒸汽進行除塵，工作原理如圖4。通過高壓風機將含塵蒸汽集中到水槽中，實現(xiàn)第一級除塵，之后將氣流與水霧對沖進行第二級除塵，經(jīng)過兩級濕式除塵，除塵效果可達到85%以上。但是，水幕除塵器仍存在以下問題[8]：

圖4 水幕除塵器工作原理圖

①進風口處噴頭水量不穩(wěn)定，導致進風口管道內(nèi)壁產(chǎn)生很多粉塵粘附。

②由于進風口發(fā)生堵塞，導致進水量與出水量不平衡，需要人工進行污水外排工作。

③污水及沉淀物容易導致除塵箱和水箱設備損壞。

邯鋼[9]在生石灰配料環(huán)節(jié)設置了水幕除塵器，但是存在通風管道入口處粘料嚴重的問題。針對該問題，金中環(huán)保機械廠[10]研發(fā)了一種新型復合型水幕除塵器，該除塵器設置了五道凈化流程，除塵效率高且除塵器產(chǎn)生的污水可完全回收利用，不會產(chǎn)生二次污染。

(4)濕式除塵技術研究前沿

上述技術雖然有效改善了生石灰消化系統(tǒng)含塵蒸汽嚴重外溢的問題，但除塵效果仍然無法達到預期。因此，研究人員針對具體情況，發(fā)明了一些優(yōu)化除塵的裝置，各燒結廠可根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的具體情況，在原有的除塵技術基礎上進行優(yōu)化升級。

①用于高溫含塵蒸汽的除塵裝置

針對生石灰消化含塵蒸汽溫度高的問題，王淼等人[11]發(fā)明了一種用于高溫含塵蒸汽的除塵裝置。其創(chuàng)新點在于設計了水淬池，高溫含塵蒸汽可提前進入水淬池降溫；噴嘴將水霧化后噴射到排氣管內(nèi)實現(xiàn)了降溫和除霧雙層作用；且可將高溫蒸汽中的粉塵有效過濾，實現(xiàn)回收利用，減少環(huán)境污染。

②提高除塵效率的裝置

濕式除塵器在處理粒徑為0～5μm的顆粒物時效率較低（60%～72%）。針對該問題，發(fā)明了一種新型共震聲波除霧塔[12]。該除霧塔可使含塵蒸汽流形成渦旋，在離心力作用下實現(xiàn)脫水；并可高效捕捉霧滴，在共震聲波的作用下使霧滴落下并匯集排出。與此設備相似，還有一種渦旋離心脫水塔[13]，是一種可以有效實現(xiàn)蒸汽液化并與顆粒物分離的方法。該渦旋離心脫水塔通過若干帶有導槽的高分子隔板及渦旋葉輪，可使含液氣流在離心力的作用下發(fā)生氣液分離，并使液體快速匯集排出，提高脫水效率及效果。

此外，杜江[14]發(fā)明了一種燒結配料地溝消化器除塵裝置，該設備包括箱體、水泵、高壓風機和分隔板，水箱內(nèi)裝有溶塵液。當含塵蒸汽進入箱體內(nèi)部后，分隔板靠近蒸汽入口從而達到封閉裝置的目的，之后霧化噴頭噴出溶塵液將含塵蒸汽中的顆粒物溶解，水蒸氣液化與箱內(nèi)溶塵液混合，從而達到提高除塵效率及石灰回收率的目的。

③濕式除塵器防堵措施

前文介紹了濕式除塵器水平管道、垂直管道及噴淋系統(tǒng)的防堵工作，接下來將綜述含塵蒸汽進入除塵器前后所進行的防堵措施，包括蒸汽預處理、通風管道防堵技術、噴頭防堵技術、分段除塵技術以及排渣箱防堵技術。

A.蒸汽預處理：李佳瑞等[15]研究了一種石灰消化工藝燒結板流化除塵系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對含塵蒸汽進入除塵系統(tǒng)前進行預處理，可在有效回收水蒸氣的同時減輕除塵裝置的除塵壓力；該系統(tǒng)能夠充分過濾經(jīng)過預處理的含石灰水蒸氣，可達環(huán)保要求，同時攔截的石灰可返回石灰消化工藝，實現(xiàn)其回收利用。

B.通風管道防堵措施：由于需要在除塵過程中對淤堵在管道內(nèi)的顆粒物進行沖洗，一般通風管道采用碳鋼材質風管再加上隔斷沖洗的噴嘴，雖然該方法能有效解決風管堵塞的問題，但投資成本高，噴嘴容易堵塞。針對該問題，提出一種新型含塵蒸汽廢氣收集的通道管道[16]，該裝置采用高分子材質作為抽塵立管、抽塵斜下管的原材料，并安裝垂上斜下的抽塵管。在抽塵斜下管側壁上安裝噴管，有效減少了顆粒物淤堵在管道內(nèi)部；同時，噴管對管道內(nèi)部進行循環(huán)沖洗，使管道內(nèi)壁上粘接的料灰隨湍流進入?yún)R流管內(nèi)，與其他含塵蒸汽廢氣一起進入除塵器內(nèi)部集中處理，避免抽塵斜下管內(nèi)壁堵塞，實現(xiàn)自動防堵。

C.噴頭防堵措施：崔志永等[17]發(fā)明了一種燒結配料室石灰消化器除塵裝置。該裝置的優(yōu)點為：噴嘴傾斜15°安裝，與水平面形成20°的夾角，可以有效防止淤堵，同時安裝有多孔數(shù)過濾板和低數(shù)目過濾網(wǎng)板，可以對水流起到阻擋作用，使水流中的粉塵形成更大的顆粒，易于去除。

D.分段噴淋：針對在除塵器內(nèi)部噴淋除塵水時易產(chǎn)生堵塞的問題，有一種SQ-多力場濕式除塵除霧裝[18]，該裝置通過不同功能段的結合，有效實現(xiàn)除塵、除水、除霧功能，從而實現(xiàn)排口無水霧的效果及滿足超低排放要求。

該裝置的優(yōu)點在于，通過不同功能段的結合，有效實現(xiàn)除塵、除水、除霧功能，其中，Ⅰ為整流段、Ⅱ為除塵段、Ⅲ為除水段、Ⅳ為除霧段。該裝置設備結構簡單緊湊，整個噴淋系統(tǒng)無噴嘴等容易堵塞的組件，噴淋除塵結構僅由孔板和布水管組成，維護成本低；裝置運行時，只要啟動風機和水泵，循環(huán)池液位自控保持。

E.排渣箱：濕式除塵后會產(chǎn)生大量的含有絮狀雜質的渣水，這些渣水直接排放會二次污染水資源，因此需對渣水進行過濾。目前常用的過濾箱過濾效果較差，同時過濾網(wǎng)需要定時進行清理，操作復雜。針對這一問題，有一種多力場濕式除塵專用免清理過濾排渣箱[19]，該設備的優(yōu)點為：該新型排渣箱通過設置帶有傾斜過濾網(wǎng)的過濾箱，使渣水從低處進入并從高處排出，可以有效過濾渣水中的絮狀雜質，水的沖擊力小，雜質不會從過濾網(wǎng)上穿過。同時，在過濾箱底端設置帶有手動閥門的排渣管，可以定時打開閥門進行排渣，過濾網(wǎng)攔截的雜質直接在水的反沖作用下排出，不需另外對過濾網(wǎng)進行清理沖洗，操作簡單，節(jié)省人力和時間；另外通過設置帶有觀察板的箱蓋，便于直接查看箱體內(nèi)的情況以便及時進行排渣，保持高效的過濾效果。

綜上所述，目前生石灰消化的除塵防霧技術普遍采用分級濕式復合除塵器，并可配合特定的防堵、除霧、提高效率的設備，從而提高除塵器對生石灰消化產(chǎn)生含塵蒸汽的除塵防霧性能。然而，上述方法所涉及的設備較復雜、環(huán)節(jié)較多、且維修成本較高。

4.消化除塵防霧一體化新設想

為了防止生石灰消化系統(tǒng)外溢含塵蒸汽，并同時減少燒結配料車間設備負荷，現(xiàn)提出一種消化除塵防霧一體化裝置的新設想。

生石灰由螺旋給料器輸送至消化反應器內(nèi)進行消化，該消化器頂端與輸送生石灰的管道連接，生石灰在消化過程中產(chǎn)生的含塵蒸汽由該管道進行鋪集，收集后返回至消化器。含塵蒸汽的水分在輸送管道內(nèi)冷凝，對生石灰進行消化；由蒸汽攜帶的生石灰、消石灰膠體顆粒與輸送管道的生石灰一起返回消化器。消化完成的消石灰由下部螺旋給料器輸送至配料皮帶進行混合作業(yè)，解決了生石灰在消化過程中揚塵大的問題。

綜上，生石灰消化過程中產(chǎn)生含塵蒸汽回收以及石灰再利用過程在該密閉裝置內(nèi)統(tǒng)一完成，基本實現(xiàn)消化系統(tǒng)顆粒物零排放，解決了生石灰在消化過程中揚塵大的問題，改善了配料系統(tǒng)現(xiàn)場的工作環(huán)境。該設備在改善配料系統(tǒng)環(huán)境的同時，實現(xiàn)了水分和石灰的再利用，減少了資源浪費；改善了生石灰消化不完全的問題，提高了生石灰消化的效率。

5.結論與展望

燒結過程中，生石灰消化可強化制粒，對改善燒結成品礦產(chǎn)質量具有重要作用，但消化過程易產(chǎn)生含微細顆粒蒸汽，需要特定的除塵器進行處理。本文綜述了目前生石灰消化所采用的除塵技術及其研究前沿，并提出一種可同時實現(xiàn)生石灰的消化、含塵蒸汽除塵、水分回收利用的一體化裝置。

（1）生石灰消化除塵主要使用濕式除塵器，但是濕式除塵器普遍存在效率低、易堵等問題，需要對普通的濕式除塵器進行改進，目前主要有采用復合分級除塵、浸入除塵以及水幕除塵技術。

（2）針對生石灰消化系統(tǒng)外溢含塵蒸汽溫度高、濕式除塵器除塵效率低、易堵的問題，研究人員提出了一些針對性的發(fā)明，如水淬池、除霧塔、脫水塔、排渣箱等除塵器附件，能夠提高除塵效率、防止除塵器堵塞。但是，隨著各燒結廠為優(yōu)化除塵配加多種除塵設備后，燒結工序生石灰消化系統(tǒng)逐漸開始出現(xiàn)設備復雜、維修成本高等問題。

（3）本文提出了一種消化除塵防霧一體化新設想。消化除塵防霧一體化設備能夠在密閉空間內(nèi)完成生石灰的消化以及石灰和水分的回收再利用。該設備在改善配料生產(chǎn)環(huán)境的同時，減少了資源浪費、減輕了配料車間設備負荷，基本實現(xiàn)消化過程零顆粒物排放。