劉長正

(寶山鋼鐵股份有限公司煉鋼廠,上海201900)

轉(zhuǎn)爐在吹煉時會產(chǎn)生大量的高溫和高濃度的一氧化碳煙氣,煙氣中可燃性氣體成分高達85%,可以作為工業(yè)燃料,但是煙氣中還含有大量高濃度金屬粉塵,因此必須對高溫煙氣進行冷卻以便除塵及回收煤氣,與此同時在煙氣冷卻過程中還可以利用余熱回收系統(tǒng)回收煙氣余熱生成的蒸汽,供生產(chǎn)(如RH)和生活使用。寶鋼股份一煉鋼廠和二煉鋼廠分別采用了濕法除塵(OG)和干法除塵(LT)進行煙氣回收,其中一煉鋼廠的300噸轉(zhuǎn)爐濕法裝置由日本NSC承擔設計并提供成套設備,二煉鋼廠的250噸轉(zhuǎn)爐干法系統(tǒng)先后分別引進魯奇和澳鋼聯(lián)的干法電除塵裝置,兩者雖然均采用汽化冷卻方式進行煙氣冷卻并通過產(chǎn)生蒸汽回收煙氣的余熱,但在結構和工藝上不完全相同,因而在回收能力和設備維護方面,存在一定差異。本文將分析兩者結構上的差異,并探討兩者蒸汽回收能力差異以及導致這些差異的原因。

1 除塵系統(tǒng)和工藝

濕法除塵工藝流程如圖1所示。轉(zhuǎn)爐冶煉產(chǎn)生的大量高溫煙氣經(jīng)汽化冷卻煙道冷卻到1000℃左右,初步冷卻的煙氣再通過一文除塵器噴水冷卻并除去大顆粒灰塵,然后經(jīng)過二文除塵器除去細小粉塵。凈化的煙氣經(jīng)過煤氣引風機,如果煤氣合格(CO含量大于40%)就通過三通閥切換,經(jīng)水封逆止閥、V型水封閥被輸送到煤氣柜,如果不合格那么煙氣通過煙囪經(jīng)點火燃燒后放散。

圖1 轉(zhuǎn)爐濕法系統(tǒng)流程

干法除塵工藝流程見圖2,轉(zhuǎn)爐煤氣凈化回收裝置主要由蒸發(fā)冷卻器、電除塵器、粗粉塵輸送系統(tǒng)、細粉塵輸送系統(tǒng)、ID主引風機和放散煙囪等組成,可以對對煙氣進行冷卻、凈化,并將收集的粉塵輸送至貯灰倉,再由抽塵車運輸?shù)椒蹓m處理站進行回收利用。干法系統(tǒng)中,經(jīng)汽化冷卻后約為900℃,經(jīng)過蒸發(fā)冷卻器進行粗除塵降溫后,煙氣進入電除塵器進行靜電除塵,如果合格煤氣就通過鐘形閥切換,經(jīng)眼鏡閥、煤氣冷卻器、眼鏡閥被輸送到煤氣柜,如果煤氣不合格就進行點火放散。

圖2 轉(zhuǎn)爐干法系統(tǒng)流程

兩種方式都是將煙氣中粉塵除掉后,根據(jù)煙氣中的一氧化碳含量對煤氣進行回收或者放散,不同的是濕法除塵采用水噴淋方式進行除塵,并且裙罩、煙罩不進行余熱回收,而干法除塵采用靜電吸附的方式進行除塵,并采用低壓系統(tǒng)進行余熱回收。

2 余熱回收系統(tǒng)的運行原理

濕法系統(tǒng)的煙氣冷卻,主要在上下裙罩、上下煙罩、上下鍋爐中進行。轉(zhuǎn)爐冶煉時產(chǎn)生的高溫煙氣約1450℃,進入裙罩收集,再進入固定煙罩(下煙罩)、活動煙罩(上煙罩)及熱交換器進行冷卻,見圖3。固定煙罩、活動煙罩、熱交換器構成密閉冷卻系統(tǒng)(又稱溫水鍋爐)。煙氣經(jīng)過下煙罩、上煙罩的密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)降低到約1200℃后進入汽化冷卻系統(tǒng)(下部鍋爐、上部鍋爐),煙氣被進一步冷卻到大約900℃。汽化系統(tǒng)通過熱交換將水汽化產(chǎn)生高溫高壓可回收的合格蒸汽,系統(tǒng)汽包上方設有出口壓力調(diào)節(jié)閥和流量計,出口壓力設定為某一特定壓力,系統(tǒng)壓力達到設定壓力后,將產(chǎn)生的合格蒸汽輸送到轉(zhuǎn)爐蓄熱器或能源蒸汽管網(wǎng)中。

圖3 濕法系統(tǒng)煙氣冷卻系統(tǒng)

干法煙氣冷卻系統(tǒng)由低壓冷卻和高壓冷卻系統(tǒng)構成,轉(zhuǎn)爐煙氣冷卻系統(tǒng)采用高、低壓強制循環(huán)汽化冷卻與輔助循環(huán)系統(tǒng)相結合的冷卻方式。其中低壓循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要包括除氧器、低壓循環(huán)泵、裙罩、氧槍口、副槍口和下料口,見圖4;高壓強制循環(huán)冷卻系統(tǒng)主要是用在固定煙罩、可移動煙罩、彎曲煙道以及斜煙道上,如圖5所示。

圖4 干法回收系統(tǒng)煙氣冷卻系統(tǒng)

圖5 高壓循環(huán)系統(tǒng)圖

斜煙道的循環(huán)水冷采用高壓自然循環(huán)和高壓強制循環(huán)相結合的方式,在吹氧暫停直到重新吹煉期間,切換到高壓循環(huán)泵的入口線上,以強制循環(huán)的方式運行。在吹氧暫停期間,該輔助循環(huán)系統(tǒng)在不增加任何外部蒸汽消耗情況下能夠使系統(tǒng)內(nèi)水溫幾乎保持不變,可以保證吹氧前斜煙道水冷壁管內(nèi)的水溫接近沸點,冷卻水不斷循環(huán)可以使再次吹氧加熱時水柱不必從靜止狀態(tài)開始進行加速,此外循環(huán)冷卻系統(tǒng)中由于溫差而產(chǎn)生的機械應力也減小到最低限度。二煉鋼的干法煙氣凈化系統(tǒng),從轉(zhuǎn)爐出來的約1450℃的高溫煙氣經(jīng)裙罩后,直接進入汽化系統(tǒng)(固定煙罩、移動煙罩、斜煙道、彎曲煙道),通過熱交換加熱鍋爐部分的冷卻水,所產(chǎn)生的蒸汽后直接送入蓄熱器,然后經(jīng)過蓄熱器送至蒸汽管網(wǎng)。

3 補水方式

余熱回收系統(tǒng)汽包內(nèi)的純水經(jīng)過強制循環(huán)或自然循環(huán)在冷卻部件內(nèi)吸熱后,變成汽水混合物返回汽包進行汽水分離,分離出的飽和蒸汽經(jīng)過主蒸汽管道接至蓄熱器區(qū)域。汽包內(nèi)需要不斷補充純水,以滿足余熱回收系統(tǒng)汽水轉(zhuǎn)換過程所需水量,由于在吹煉過程中會發(fā)生劇烈的汽水轉(zhuǎn)換循環(huán),因此需要不斷對汽包進行補水,一旦補水系統(tǒng)出現(xiàn)故障,將導致煙氣無法冷卻和蒸汽無法回收,系統(tǒng)將不允許繼續(xù)吹煉,否則將導致余熱回收系統(tǒng)管道爆裂,影響煉鋼安全。而且,汽包補水采用自動控制,汽包補水必須及時,但是補水又不能過高多。因為補水太多會導致汽包自動溢流,造成系統(tǒng)的壓力下降以及水資源浪費。

濕法系統(tǒng)采用來自中央水處理廠的純水,先送到純水箱,經(jīng)2臺除氧器給水泵送到除氧器進行熱力除氧,除氧器工作溫度105～143℃,經(jīng)過除氧的水由三臺鍋爐給水泵分別送到三臺汽包、四臺蓄熱器和三臺膨脹箱。濕法裝置的氧槍口、副槍口以及下料口均采用高壓冷卻水進行冷卻,在吹煉時根據(jù)水位、蒸發(fā)量、給水量三沖量進行控制,而在非吹煉期由水位、給水量兩沖量進行控制,并且采用了一用一備兩路自動補水,一旦工作管路出現(xiàn)故障,可以快速切換到備用補水管路,這樣既可以節(jié)省設備檢修時間,同時又保證生產(chǎn)不受影響。見圖6。

圖6 濕法汽包補水管路

干法采用的是水位、給水量,兩沖量進行控制和單獨補水方式,設置手動控制旁通管路見圖7。干法系統(tǒng)的除氧器,又是作為低壓循環(huán)系統(tǒng)的汽包,低壓汽包同時起到高壓循環(huán)系統(tǒng)的給水罐的作用,除氧器工作溫度134～154℃。除氧器將通過水冷部件吸收的熱量用于給水的除氧,這樣既可以達到冷卻的目的,又可以將回收的這部分熱量作為熱力除氧器熱源的一部分,這種設計還可以大大減少除氧所需要的輔助蒸汽的用量,如圖8所示。裙罩、氧槍口、副槍口以及下料口均由除氧器補水進行低壓冷卻。

圖7 干法汽包補水管路

圖8 低壓循環(huán)系統(tǒng)

干法系統(tǒng)采用低壓汽包作為除氧器,并且氧槍口、副槍口、下料口均由低壓循環(huán)泵進行強制循環(huán),因此相對濕法系統(tǒng)來說,熱量利用效率更高。干法系統(tǒng)除氧器除氧蒸汽由低壓系統(tǒng)回收產(chǎn)生,因此難免存在波動較大、壓力不穩(wěn)定的缺點,同時由于除氧水溫度要高于濕法系統(tǒng),容易造成水的汽化,可能對設備的壽命造成一定影響。

4 裙罩

裙罩作為余熱回收系統(tǒng)的煙氣入口,在冶煉過程需要經(jīng)常升降,以便捕集吹煉期從爐口噴溢的煙氣,同時防止空氣的吸入。裙罩的熱強度大,裙罩必須采取適當?shù)睦鋮s方式,只有妥善處理熱膨脹和熱應力問題,才能保證運行的安全和穩(wěn)定性,同時延長裙罩的使用使用。否則一旦發(fā)生泄漏,冷卻水直接進入煉鋼轉(zhuǎn)爐內(nèi),極易造成爆炸,嚴重影響煉鋼安全。

采用干法除塵,鍋爐裙罩受熱面積為18 m2;為了避免發(fā)生低溫腐蝕,要求裙罩、氧槍口、副槍口以及下料口金屬的溫度高于110℃。采用濕法除塵,群罩冷卻主要由膜隔式集水管和下群罩集水管組成,其中膜隔式集水管的傳熱面積18 m2,下群罩的集水管由三圈環(huán)管組成,每個環(huán)管傳熱面積5 m2,共15 m2,因此濕法除塵的群罩冷卻,總傳熱面積為33 m2,群罩的入口水溫低于100℃,出水溫度略高于100℃。根據(jù)運行記錄,二煉鋼干法除塵系統(tǒng)的鍋爐群罩的耗水量要明顯大于一煉鋼濕法除塵鍋爐群罩,故障發(fā)生的次數(shù)也明顯高于濕法群罩系統(tǒng)。這是因為干法系統(tǒng)群罩內(nèi)部水溫正好接近水的汽化溫度,存在汽水混合的界面,汽水狀態(tài)不斷轉(zhuǎn)換,對管壁容易產(chǎn)生沖擊和腐蝕,而且一旦產(chǎn)生汽泡,汽泡就可能吸附在管壁上導致管壁與冷卻水之間形成氣膜,造成傳熱不暢,管壁熱量不能及時被冷卻水帶走,形成局部過熱產(chǎn)生蠕變,群罩容易漏。另外,濕法鍋爐下群罩采用3圈環(huán)管,大流量進行冷卻內(nèi)部水溫較低,而且可以迅速帶走煙氣熱量,這樣進入上群罩的煙氣溫度也有所降低,因此上群罩的壽命較長。

5 功效

干法系統(tǒng)(余熱回收系統(tǒng))的汽化冷卻系統(tǒng)汽化部分(汽化冷卻系統(tǒng)包括固定煙罩、移動煙罩、斜煙道、彎曲煙道)明顯多于濕法(余熱回收)系統(tǒng)的汽化部分(汽化冷卻系統(tǒng)只包括下部鍋爐和上部鍋爐),但是兩者總的傳熱面積差別不大,均為830m2。

濕法(余熱回收)系統(tǒng)的裙罩和上、下煙罩部分采用密閉水冷卻系統(tǒng),通過此系統(tǒng)的煙氣被冷卻到1200℃左右,隨后煙氣才進入汽化部分通過熱交換加熱鍋爐系統(tǒng)冷卻水而產(chǎn)生蒸汽,到汽化系統(tǒng)結束前總共溫降200℃,出口溫度約1000℃。干法系統(tǒng)進入汽化冷卻系統(tǒng)煙氣溫度為1450℃,出口約900℃,該系統(tǒng)從煙氣吸收熱量為550℃,進入汽化系統(tǒng)的煙氣溫度以及各系統(tǒng)從煙氣中吸入的熱量存在較大差異,溫度差為350℃,因此干法系統(tǒng)汽化系統(tǒng)設計溫降是濕法汽化系統(tǒng)設計溫降的2倍以上。濕法系統(tǒng)汽包供水溫度大約為100℃左右(由于同時要為低壓系統(tǒng)供水,為了防止汽化溫度不宜升高),干法的余熱回收系統(tǒng)汽包供水溫度顯著高于100℃,汽化也更容易。干法的余熱回收系統(tǒng)汽包產(chǎn)生蒸汽直接送至蓄熱器中,而濕法的余熱回收系統(tǒng)的汽包產(chǎn)生蒸汽要達到設定壓力才對外供氣,因此蒸汽質(zhì)量更高,特別是蒸汽中的水含量更少,可以減少水擊現(xiàn)場發(fā)生,設備相對穩(wěn)定。

根據(jù)寶鋼一二煉鋼廠蒸汽回收量統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出,干法的余熱回收系統(tǒng)的鍋爐回收蒸汽能力大約是濕法的兩倍,基于以上分析,干法的余熱回收系統(tǒng)的鍋爐的蒸汽回收能力以及節(jié)能效率均高于濕法的余熱回收系統(tǒng)。但濕法的余熱回收系統(tǒng)因裙罩和上、下煙罩部分采用密閉水冷卻,因此壓力相對較低,溫度也比干法除塵系統(tǒng)的水系統(tǒng)溫度低,系統(tǒng)相對比較穩(wěn)定。經(jīng)運行實踐數(shù)據(jù)統(tǒng)計,濕法除塵系統(tǒng)裙罩和煙罩故障率,要明顯低于干法除塵系統(tǒng)。

6 結論

寶鋼的轉(zhuǎn)爐有濕法和干法兩種煙氣余熱回收裝置,其中干法余熱回收的工藝能耗更低、余熱回收效率更高,節(jié)能效果要優(yōu)于濕法,因此目前新建鋼廠基本都采用干法汽化冷卻工藝,但是干法余熱回收運行的穩(wěn)定性要比濕法除塵系統(tǒng)差,有待改進。濕法除塵系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性雖然較高,但余熱回收的效果稍差,需要汲取干法系統(tǒng)的優(yōu)點不斷改進;武鋼的250噸轉(zhuǎn)爐濕法系統(tǒng)[1],就采用了類似干法鍋爐系統(tǒng)的鍋爐汽化回收技術,馬鋼2001年引入第四代濕法系統(tǒng)[2-3],經(jīng)過不斷改進節(jié)能和回收效率大有提高。從發(fā)展前景看,濕法除塵與干法除塵的技術將長期共存并且相互融合。

[1] 曹天明.馬鋼轉(zhuǎn)爐煤氣回收濕法系統(tǒng)[J].能源技術, 2002,23(4):165-147.

[2] 饒宇洪.武鋼250 t轉(zhuǎn)爐濕法系統(tǒng)的技術特點[J].冶金環(huán)境保護,1999(3):8-11.

[3] 何鵬,王純.第四代轉(zhuǎn)爐煤氣回收濕法系統(tǒng)[J].冶金環(huán)境保護,2007,6:41-43,63.