付德祿 姚群

（1.凌源鋼鐵集團(tuán)有限公司，遼寧凌源 122500；2.中鋼集團(tuán)天澄環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆蔽錆h 430205）

0 引言

2022 年，我國(guó)粗鋼產(chǎn)量10.18 億t，占世界總粗鋼產(chǎn)量的55%以上。目前，轉(zhuǎn)爐煉鋼以其效率高、冶煉周期短、產(chǎn)鋼成本低、適合多種鋼種冶煉等優(yōu)勢(shì)，仍然是世界上最為廣泛的煉鋼方式，也是我國(guó)煉鋼的主流工藝。

轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生大量的一次、二次煙氣，其主要污染物是顆粒物，以PM2.5為主。目前，鋼鐵行業(yè)正在實(shí)施超低排放，顆粒物的治理采用袋式除塵器，要求排放質(zhì)量濃度＜10 mg/m3。但是，我國(guó)煉鋼廠袋式除塵系統(tǒng)普遍存在能耗大、運(yùn)行成本高等問(wèn)題，如何實(shí)現(xiàn)除塵系統(tǒng)減污降碳、降本增效是煉鋼企業(yè)亟待解決的問(wèn)題。

1 袋式除塵系統(tǒng)能耗影響分析

（1）煙氣捕集方式。轉(zhuǎn)爐煉鋼在兌鐵水、加廢鋼、吹煉、出鋼、出渣過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的二次煙氣，必須設(shè)置煙氣捕集裝置對(duì)煙塵進(jìn)行控制，防止其在車間內(nèi)擴(kuò)散。三次煙氣捕集主要是收集通過(guò)轉(zhuǎn)爐跨、高層框架逸散到屋頂?shù)臒焿m，即當(dāng)兌鐵、吹煉、出鋼過(guò)程中產(chǎn)生陣發(fā)性的未能被二次煙氣捕集的濃煙，若不加控制，將造成廠房屋頂無(wú)組織排放；三次煙氣捕集還承擔(dān)轉(zhuǎn)爐渣處理、中間包修砌、轉(zhuǎn)爐修爐、輔料裝卸等過(guò)程中產(chǎn)生的煙塵控制。

煙氣捕集方式優(yōu)劣關(guān)系到排煙效果，捕集率一般要求不小于95%，同時(shí)，捕集方式也關(guān)系到排煙量，煙氣量越大，能耗越大，投資和成本也越大。因此，煙氣捕集方式對(duì)節(jié)能至關(guān)重要。

（2）設(shè)計(jì)煙氣量。設(shè)計(jì)煙氣量決定了袋式除塵系統(tǒng)的排煙能力和凈化效果，也決定了工程規(guī)模和運(yùn)行能耗，煙氣量與工程投資及運(yùn)行能耗基本呈正比關(guān)系，煙氣量太小達(dá)不到排放效果，煙氣量過(guò)大，運(yùn)行能耗和成本加大，造成浪費(fèi)。因此，設(shè)計(jì)煙氣量是一個(gè)最基本最重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，應(yīng)準(zhǔn)確取值。

（3）運(yùn)行煙氣量。轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過(guò)程中各塵源點(diǎn)的煙氣量并非一成不變，呈周期性變化（30 ～40 min不等），如果袋式除塵系統(tǒng)按固定風(fēng)量運(yùn)行，勢(shì)必造成系統(tǒng)風(fēng)量過(guò)大，冷空氣抽風(fēng)過(guò)多，系統(tǒng)電耗增加，不節(jié)能。因此，應(yīng)采取技術(shù)調(diào)節(jié)手段，實(shí)現(xiàn)變風(fēng)量運(yùn)行。

（4）除塵技術(shù)及除塵器結(jié)構(gòu)。袋式除塵技術(shù)和結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定了凈化效果和除塵器運(yùn)行阻力，為強(qiáng)化去除細(xì)顆粒PM2.5，中鋼天澄開(kāi)發(fā)了預(yù)荷電袋式除塵技術(shù)，可以顯著提高凈化效率。除塵器運(yùn)行阻力包括3 個(gè)方面，一是結(jié)構(gòu)阻力，即煙氣在除塵器內(nèi)部的流動(dòng)阻力，其大小與除塵器設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)型式有關(guān)，煙氣流程越短，流速越慢，阻力越?。欢菫V料表面附著粉塵層阻力，與粉塵層厚度和透氣性有關(guān)，受濕度、粉塵粘結(jié)性、粒徑等因素影響較大，粉塵濕度越低、粘結(jié)性越低、粒徑越大，粉塵層厚度越小、透氣性越好、阻力越??；三是濾料阻力，與濾料織物結(jié)構(gòu)和品種有關(guān)，過(guò)濾材料有多種型式，其凈化效率和過(guò)濾阻力有所不同，為提效降阻，近年來(lái)有多種新產(chǎn)品問(wèn)世，可根據(jù)煙氣性質(zhì)和應(yīng)用場(chǎng)合選擇濾料。

2 節(jié)能降碳技術(shù)途徑與措施

2.1 合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)爐煙氣捕集裝置

集氣罩的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

（1）盡可能對(duì)冒煙部位進(jìn)行密閉，現(xiàn)場(chǎng)不具備條件時(shí)，可采用半密閉、圍擋、垂簾等措施，防止煙氣擴(kuò)散。

（2）煙罩盡可能靠近冒煙部位。

（3）排風(fēng)口盡量設(shè)置在煙罩的頂部（頂吸罩），現(xiàn)場(chǎng)不具備條件時(shí)，可采用側(cè)吸罩；屋頂罩空間不可過(guò)小，應(yīng)有一定的容煙體積，排風(fēng)口不少于4 個(gè)。

（4）為不影響生產(chǎn)操作和檢修，煙罩可以設(shè)計(jì)成拆卸式或移動(dòng)式。

目前，行之有效的集氣罩設(shè)計(jì)是將轉(zhuǎn)爐操作層及以上部分四周全封閉，爐前設(shè)置2 個(gè)側(cè)吸罩，并輔助活動(dòng)垂簾或擋板圍擋，頂部設(shè)置屋頂罩排煙。合理的設(shè)計(jì)集氣罩可以取得良好的排煙效果（圖1），實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐工作區(qū)粉塵質(zhì)量濃度＜5 mg/m3，滿足職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 轉(zhuǎn)爐車間煙罩設(shè)置及排煙效果

2.2 合理設(shè)計(jì)除塵系統(tǒng)風(fēng)量

轉(zhuǎn)爐二次、三次煙氣袋式除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)量取值應(yīng)考慮轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)最大負(fù)荷和最不利情況，確保煙氣捕集率＞95%，并按照規(guī)范要求留有余量。除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)量是對(duì)各集氣罩排風(fēng)量進(jìn)行組合后的最大風(fēng)量，均為工況風(fēng)量。集氣罩排放量是與集氣罩的結(jié)構(gòu)型式對(duì)應(yīng)的，只有當(dāng)煙氣捕集方式確定后，各集氣罩的排風(fēng)量方可確定。集氣罩排風(fēng)量可通過(guò)下列方式獲得：①實(shí)際測(cè)試；②工程類比和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；③選用設(shè)計(jì)手冊(cè)；④理論計(jì)算或模擬試驗(yàn)。

要防止過(guò)度保守設(shè)計(jì)，隨意加大集氣罩排風(fēng)量和系統(tǒng)風(fēng)量，避免不必要的能耗和投資成本。

2.3 除塵系統(tǒng)變風(fēng)量調(diào)節(jié)運(yùn)行

在轉(zhuǎn)爐每個(gè)冶煉周期內(nèi)，不同工況下的排煙量是變化的，對(duì)應(yīng)的集氣罩排風(fēng)量也應(yīng)隨之變化，在不冒煙時(shí)，排氣罩可以不抽或少抽煙氣。為節(jié)能降耗，各排氣罩之間、管路之間、甚至二次煙氣與三次煙氣系統(tǒng)之間應(yīng)保持協(xié)同，最常用的措施是在管道上設(shè)置調(diào)節(jié)閥，按照不同冶煉狀態(tài)，對(duì)排氣罩風(fēng)量和系統(tǒng)風(fēng)量進(jìn)行組合，通過(guò)閥門調(diào)節(jié)和風(fēng)機(jī)電機(jī)變頻調(diào)速進(jìn)行自動(dòng)聯(lián)鎖控制，實(shí)現(xiàn)除塵系統(tǒng)變風(fēng)量節(jié)能運(yùn)行，節(jié)能可達(dá)15%以上。

2.4 袋式除塵器降阻

袋式除塵設(shè)備阻力指煙氣流經(jīng)袋式除塵器時(shí)流動(dòng)阻力，一般用除塵器進(jìn)出口氣體平均靜壓差度量。設(shè)備阻力△P包括除塵器結(jié)構(gòu)阻力△Pj和過(guò)濾阻力2 部分，過(guò)濾阻力又由濾料阻力△PQ、濾料表面殘留粉塵阻力△Pc（初層）和粉餅阻力△Pf3 部分組成［1］，即：△P=△Pj+△PQ+△Pc+△Pf。

對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的脈沖袋式除塵器（指具有煙箱、停風(fēng)閥的分室結(jié)構(gòu)），凈化煉鋼煙氣時(shí)，其設(shè)備阻力和分布如表1 所示。不難看出，袋式除塵器設(shè)備結(jié)構(gòu)阻力、殘留粉塵阻力和濾餅阻力是設(shè)備阻力的主要構(gòu)成，也是節(jié)能降阻的重點(diǎn)。

表1 脈沖袋式除塵器阻力構(gòu)成與分布

（1）降低結(jié)構(gòu)阻力的途徑。結(jié)構(gòu)阻力與除塵器結(jié)構(gòu)型式有關(guān)，是指氣流流經(jīng)進(jìn)出風(fēng)口、進(jìn)出煙箱、彎頭、閥門、花板、停風(fēng)閥等部位時(shí)受到的流動(dòng)阻力，可視為多個(gè)局部阻力的和，即

傳統(tǒng)脈沖袋式除塵器煙氣流動(dòng)是長(zhǎng)流程［2］（圖2），除塵器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，閥門、彎頭等較多，煙氣流動(dòng)需經(jīng)多次變向，阻力損失較大，導(dǎo)致能耗偏高。

圖2 傳統(tǒng)脈沖袋式除塵器煙氣流態(tài)（長(zhǎng)流程）

為解決結(jié)構(gòu)阻力高的問(wèn)題，可采用直通均流袋式除塵技術(shù)［3］（圖3），該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、流程短、流動(dòng)平緩、阻力能耗低的特點(diǎn)，適合于煉鋼煙氣除塵。由于除塵器結(jié)構(gòu)改進(jìn)，局部阻力數(shù)量減少60%，流體速度由原來(lái)的12 m/s 降至2 m/s，減少后的結(jié)構(gòu)阻力僅為250 ～300 Pa，比傳統(tǒng)式除塵器結(jié)構(gòu)阻力下降37.5%左右。

圖3 直通均流式袋式除塵器煙氣流態(tài)（短流程）

（2）降低殘留粉塵阻力的措施。濾袋清灰后，殘留在濾袋表面的粉塵阻力是除塵器阻力的主要構(gòu)成。殘留粉塵阻力與粉塵的粒徑和粘度有關(guān)，特別是與清灰方式、濾袋表面的光潔度有關(guān)。在保障凈化效率的前提下，應(yīng)盡量減小殘留粉塵的阻力，相關(guān)措施如下：①提高濾料表面光潔度，濾料做砑光后處理；②采用表面過(guò)濾技術(shù)，使用覆膜濾料或超細(xì)纖維面層濾料；③提高粉塵沉降效果，如采用離線清灰、上進(jìn)風(fēng)方式等；④加大噴吹清灰強(qiáng)度，增加清灰頻次。

采用覆膜濾料或納米纖維面層濾料措施，濾袋表面殘留粉塵阻力可從目前500 Pa 左右下降到300 Pa左右，降幅40%。與此同時(shí)，使用覆膜濾料或超細(xì)纖維面層濾料均可提高細(xì)顆粒物凈化效率［4］（圖4—圖5），有效控制PM2.5的排放。

圖4 覆膜濾料分級(jí)效率

圖5 海島纖維超細(xì)面層濾料分級(jí)效率

（3）降低濾料阻力的措施。新濾料阻力一般只有20 ～30 Pa，覆膜濾料約100 Pa（過(guò)濾風(fēng)速1m/min時(shí)）。濾袋使用后，粉塵滲透到濾料內(nèi)部，形成“深度過(guò)濾”，但隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，殘留于濾料中的粉塵會(huì)逐漸增加，濾料阻力顯著增大，最終形成堵塞，這也意味著濾袋壽命終結(jié)。

濾袋阻力與濾料的織物結(jié)構(gòu)、厚度、加工質(zhì)量和粉塵的性質(zhì)有關(guān)，采用表面過(guò)濾技術(shù)（覆膜、超細(xì)纖維面層等）是防止粉塵嵌入濾料內(nèi)部的有效措施。同時(shí)，防止運(yùn)行過(guò)程中糊袋（煙氣結(jié)露、油污污染等）也是非常重要的。正常情況下，濾料阻力長(zhǎng)時(shí)間保持小于300 Pa 是理想的狀況。

（4）降低粉餅阻力的措施。粉餅阻力大小等于除塵器定壓差清灰前后的阻力差值，即壓力降。除塵器型式和濾料確定后，粉餅阻力是設(shè)備阻力的構(gòu)成中唯一實(shí)時(shí)變化的部分。濾餅阻力反映了清灰時(shí)被剝離粉塵的量，即清灰效果。

粉餅阻力主要與粉塵的粒徑、粘性、粉塵濃度和過(guò)濾時(shí)間（清灰頻次）有關(guān)，特別是與濾餅的致密度（透氣性）有關(guān)，為提高粉餅的透氣性，可采用粉塵預(yù)荷電技術(shù)。

粉塵預(yù)荷電技術(shù)可強(qiáng)化PM2.5高效捕集，通過(guò)電場(chǎng)放電對(duì)微細(xì)粒子進(jìn)行預(yù)荷電，預(yù)荷電后濾袋表面粉塵層呈多孔、疏松的海綿狀粉餅結(jié)構(gòu)，可提高過(guò)濾時(shí)布朗運(yùn)動(dòng)碰觸機(jī)率和靜電吸附效應(yīng)，提高捕集效率15%～20%，同時(shí)由于粉餅的透氣性提高，可減小過(guò)濾阻力20%～30%［3］，如圖6 所示，即粉餅阻力控制在300 Pa 左右。

圖6 粉塵預(yù)荷電濾料過(guò)濾性能對(duì)比試驗(yàn)

將粉塵預(yù)荷電技術(shù)與直通式袋式除塵技術(shù)耦合，形成預(yù)荷電袋式除塵器［4］（圖7），可以顯著提高除塵效率，減少過(guò)濾阻力。鞍鋼、柳鋼等項(xiàng)目應(yīng)用表明，顆粒物排放質(zhì)量濃度遠(yuǎn)＜10 mg/m3，設(shè)備阻力700 ～1 000 Pa，漏風(fēng)率小于1.5%，比傳統(tǒng)袋式除塵器相比阻力能耗下降40%以上。

圖7 粉塵預(yù)荷電袋式除塵器

2.5 增加過(guò)濾面積，降低過(guò)濾風(fēng)速

增加過(guò)濾面積，降低過(guò)濾風(fēng)速，可提高除塵效率、降低運(yùn)行阻力。同等濾袋直徑下，可使用高通量高效低阻折疊濾筒，過(guò)濾面積可增加50%，在不改變?cè)写匠龎m器本體結(jié)構(gòu)時(shí)，將濾袋改為濾筒，實(shí)現(xiàn)超低排放提標(biāo)改造。折疊濾筒與預(yù)荷電袋式除塵器組合，在寶鋼二煉鋼300 t 轉(zhuǎn)爐二次煙氣凈化項(xiàng)目得到應(yīng)用（圖8），處理風(fēng)量300 萬(wàn)m3/h，粉塵排放質(zhì)量濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)＜10 mg/m3，運(yùn)行阻力＜500 Pa，較傳統(tǒng)袋式除塵阻力下降50%，節(jié)能降耗十分顯著。

圖8 全球首臺(tái)套預(yù)荷電濾筒袋式除塵技術(shù)在寶鋼300 t轉(zhuǎn)爐除塵中應(yīng)用

2.6 理想的轉(zhuǎn)爐煙氣袋式除塵器阻力

基于以上分析，若采用預(yù)荷電直通式脈沖袋式除塵器和表面過(guò)濾技術(shù)，對(duì)于煉鋼轉(zhuǎn)爐煙氣，當(dāng)過(guò)濾風(fēng)速1 m/min 時(shí)，其理想的袋式除塵器阻力和分布，如表2 所示。

表2 理想的轉(zhuǎn)爐煙氣預(yù)荷電袋式除塵器阻力及分布

由此可見(jiàn)，采取降阻措施后，理想的袋式除塵器阻力比傳統(tǒng)的袋式除塵器阻力降低28%，節(jié)能顯著。

3 結(jié)論

（1）合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)爐二次、三次煙氣捕集裝置決定了煙氣捕集效果和排風(fēng)量，是袋式除塵系統(tǒng)節(jié)能的基礎(chǔ)。

（2）合理選取系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)量，可以避免不必要的能耗和投資成本。

（3）應(yīng)采用閥門調(diào)節(jié)和風(fēng)機(jī)電機(jī)變頻調(diào)速進(jìn)行自動(dòng)聯(lián)鎖控制，實(shí)現(xiàn)除塵系統(tǒng)變風(fēng)量節(jié)能運(yùn)行。

（4）可采用直通式袋式除塵器，以降低除塵器結(jié)構(gòu)阻力；可采用粉塵預(yù)荷電技術(shù)，以降低粉餅阻力；可采用覆膜濾料或超細(xì)纖維面層濾料，以降低殘留粉塵阻力。理想的袋式除塵器運(yùn)行阻力可控制在1150Pa，比傳統(tǒng)的袋式除塵器的阻力降低28%，節(jié)能降碳效果顯著。