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技术文档

首钢炼铁高炉出铁场除尘技术综述

1 前言
  炼铁高炉在生产过程中,将产生大量的烟尘,为改善炼铁高炉出铁场的劳动环境,防止烟尘对大气的污染,一直是炼铁高炉环境保护工程设计和管理的重要课题之一。
  首钢是一个年产800万吨钢的大型钢铁联合企业,地处北京,对环保要求非常突出,每年都要对环保工程投入巨额资金。随着环保技术的不断发展,经过许多环保工程设计和管理者的共同努力,一些经济实用、效果明显的防尘新技术、新设备在首钢高炉出铁场除尘系统中得到广泛应用,一些技术在国内属于先进水平。
2 炼铁出铁场高炉烟尘的产生及特性
  了解炼铁高炉出铁场生产过程中容易产生烟尘的部位及设备,掌握烟尘特点及烟尘的流动规律,有利于正确考虑烟尘的捕集方案、选择适当的除尘设备和进行除尘系统的合理划分。
2.1 高炉出铁场烟尘的产生
  出铁场主要产生的是烟尘,包括“一次烟尘”和“二次烟尘”,“一次烟尘”是指正常出铁时的出铁口、撇渣器、铁水沟、下渣沟、摆动流槽(或铁水罐)等产生的烟尘;“二次烟尘”是指在开堵铁口时产生的烟尘。
  有资料介绍,高炉出铁场烟尘,平均每生产1t铁水就散发2.5,其中通过正常出铁时各污染源产生的“一次烟尘”有2.15,占86%,开堵铁口时产生的“二次烟尘”有0.35,占14%。“二次烟尘”的产生量虽小,但其尘粒极细,1um以下尘粒占60%,该烟尘微粒可分为两大类:一种是高温冶炼过程中由烟气冷凝和化学反应生成的,主要指烟尘中的固态金属及金属氧化物粒子,称为一次微粒;一种是气态污染物在大气中通过化学反应生成的,主要指烟尘中的气态污染物,如:CO、CO2、SO2等与金属微粒在光化学作用下生产的盐类,称二次微粒。国际上微粒控制技术的发展指出,小于3um以下的固态微粒,在大气中处于扩散状态,可以停留很长时间,能降低日照率,影响能见度。固体微粒对影响人体健康有很大的潜伏作用,因此,要求对出铁场的“一次烟尘”和“二次烟尘”都能够得到有效的控制。由于以前对“二次烟尘”捕集技术的发展比较落后和生产条件的限制,目前国内大部分高炉出铁场没有设置“二次烟尘”捕集,或者只有简单的捕集措施,对高炉出铁场“二次烟尘”治理效果一直不能令人满意。
2.2 高炉出铁场烟尘的特性
  ①烟尘浓度
  烟尘含尘浓度:
  一次烟尘:0.35——3g/Nm3。二次烟尘:0.35——1g/Nm3
  ②烟尘粒度
  ③烟气的化学成分
  ④烟气的比电阻
  ⑤烟尘密度
  假密度:1.13——1.3g/cm3。真密度:4.733——5.04g/cm3
  ⑥烟尘含湿量:平均1.79g/kg>9,最大2.7g/kg。
3 首钢高炉出铁场除尘技术的发展过程
  70年代以前,我国高炉除尘技术还处于一片空白,1979年首钢在2#高炉大修工程中,除冶炼工艺采用了大量国内外先进技术外,对高炉出铁场也参照日本技术,自行设计了全面除尘设施。当时高炉容积为1327m3,为矩形出铁场,2个出铁口,在出铁场的出铁口、撇渣器、铁沟、渣沟、摆动流槽等处设置了一次烟尘的收集,同时在出铁口和主沟上部设有10×5m垂幕收集二次烟尘,以上一、二次除尘合并成一个系统,总除尘风量为50万m3/h,其中垂幕17.5万m3/h,烟气由风道送入2台1728高压脉冲布袋除尘器净化,然后由2台引风机抽出排入烟囱。为节约能源,每台风机配有液力偶合器调速。
  2#高炉出铁场除尘系统投产后,大大改善了高炉出铁场的劳动条件,基本上控制了高炉出铁场烟尘对环境的污染。但由于是对高炉出铁场除尘系统的首次实践,难免有不足之处,主要有以下几个方面还存在不足:
  ①出铁场厂房采用半敞开式结构,受横向气流(穿堂风)影响,收集二次烟尘的垂幕被风刮坏或被瞬间高温烟气烧坏。
  ②沟槽的罩盖结构与工艺操作配合不够,往往因操作问题影响烟尘的收集。
  ③摆动流槽的排烟罩采用侧吸,不能控制烟气上升,排烟效果不理想。
  ④受当时除尘器技术发展的制约,选用的高压脉冲布袋除尘器,过滤风速快,存在清灰效果差、漏风严重、阻力过高(3000Pa)、布袋易脱落并且更换不方便等缺陷,直接影响除尘效果。
  尽管存在一些问题,但为首钢高炉出铁场除尘积累了不少经验,1981年至1983年,首钢旧1#、旧3#(现5#)、旧4#高炉改造时,相继设置了出铁场除尘系统,克服了当时2#高炉出铁场除尘系统存在的一些问题,对出铁场一次烟尘的捕集罩设计和除尘设备的选型有了较大的改进。除尘效果有了进一步的提高。与此同时,包钢3号高炉(炉容1800m3)和鞍钢4号高炉(炉容1002m3)也对出铁场除尘进行了实践,并取得了一些经验和教训。到1984年9月宝钢1号高炉建成投产,为我国解决高炉出铁场除尘提供了一套比较完善有效的技术。
  随着环保技术发展和环保要求的日益严格,在国内通过新建、扩建、改建的一大批大、中型高炉中,相继设计了有不同水平的高炉出铁场除尘系统。经过认识——实践——再认识的过程,积累了丰富的设计和运行管理经验。到($年代除尘技术的发展已有了较大的提高。
  在1991年到1994年首钢1#、2#、3#、4#高炉再次改造投产,在充分吸收国内外高炉除尘新技术的基础上,对出铁场除尘系统也做了相应的改造,除尘效果比初期有了明显的改善。但由于还存在一些设计方面的不足,烟尘捕集罩的设置与设备操作发生矛盾,除尘设备维护管理不当等诸多因素影响,对出铁场烟尘捕集还存在一些不足,尤其对二次烟尘的捕集没有理想的方案。
  随着首钢公司对环保治理力度的加大,1999年开始,先后对首钢1#、2#、3#、4#高炉的上料系统,尤其是高炉上料系统除尘进行重点治理,一些经济、实用效果明显的除尘新技术、新设备得到应用,除尘效果明显,环境大大改善。通过这次环保治理,积累了许多经验,也转变了首钢环保工作者以往对环保技术的传统认识和传统思维,在2003年3月,首钢2号高炉再次改造时,突破传统思维的约束,设置了出铁口上部诱导式顶吸罩,改进一次捕集罩的结构,采用低压脉冲布袋除尘器,把出铁场除尘划分大、小两个系统。这些技术的实施,较理想地解决了高炉出铁场一、二次烟尘的捕集问题。
4 首钢高炉出铁场除尘系统概况
  首钢炼铁厂目前生产的高炉共有5座,总生产量为8826m3,2003年全年产生铁780余万吨,其中1#高炉1994年8月改造竣工投产,炉容为2500m3,2#高炉1991年改造和2003年3月再次改造竣工后,炉容为1726m3,3#高炉1993年6月竣工投产,炉容为2500m3,4#高炉1992年4月改造投产,炉容为2100m3,5#(原旧3#高炉)高炉1983年9月竣工投产,炉容为1108m3(该高炉已不正常生产,计划内需要拆除)。
  首钢正常生产的4座高炉出铁场共配备8台袋式除尘器(每座高炉出铁场配备2台除尘器),总风量351万m3/h,总过滤面积52320,风机电机总功率9475kw。
  1#、3#、4#高炉出铁场除尘器是大气反吹布袋除尘器,2#高炉出铁场除尘器是抗结露低压脉冲布袋除尘器,除尘灰通过螺旋输送机或刮板输送机将除尘灰送至储灰仓,经加湿机加湿后,由汽车运至首钢烧结厂,作为烧结原料。
  1#、3#、4#高炉出铁场除尘是在1991年至1994年间随同高炉大修时一起投入运行至今,当时只针对出铁场一次烟尘进行了捕集,由于受工艺条件的限制,对二次烟尘无法有效的捕集。因此,对环境造成一定的污染。
  2001年,2#高炉改造时,首钢总公司提出了严格量化的治理目标。一是除尘器排放浓度≤30mg/Nm3,二是岗位粉尘浓≤10mg/Nm3,这就要求重点解决高炉开、堵铁口时二次烟尘污染的问题。该工程在2002年5月与高炉同步投入运行,经首钢环保处检测站测试,除尘器排放浓度和岗位粉尘浓度均满足设计要求。从该除尘系统的运行情况看,高炉出铁场的一次烟尘和二次烟尘基本得到控制。
4.1 高炉出铁场各吸尘点风量分配
  1#、3#、4#高炉出铁场仅对一次烟尘进行了捕集,当时由于出铁场二次烟尘的收集受限制,只是试探性的加大了每个出铁口的抽风量,以加大对出铁口烟尘的控制力度。各高炉出铁场除尘系统(同时工作的除尘点)各吸尘点风量分配见表4。
  2#高炉出铁场除尘兼顾了一次和二次烟尘的综合捕集,并根据一次、二次烟尘的捕集情况和烟尘特性,分成大、小两个除尘系统。大系统主要治理出铁场一次烟尘;小系统治理出铁场二次烟尘和炉顶下料粉尘。
4.2 出铁场除尘设施主要设备参数
  首钢高炉出铁场目前配备8台布袋除尘器,各除尘系统主要设备参数见表。
4.3 首钢高炉出铁场除尘技术的特点
  1#、3#、4#高炉出铁场除尘技术的特点及不足:
  ①1#、3#、4#高炉出铁场只设置了一次除尘系统,对二次烟尘的捕集均未考虑,除尘器采用大气反吹风布袋除尘器,在90年代初期,这种除尘器与其它类型除尘器比较,具有除尘效率高、一次投资省(相对于静电除尘器)、适用范围广、容易操作等优点,因此,在当时的高炉除尘系统中得到广泛应用,首钢高炉出铁场的环境条件得到了较大改善。1999年,出铁场除尘器平均外排浓度为67.1mg/Nm3。对一次烟尘的捕集率能达到90%以上。但这种除尘器运行一段时间以后,主要存在两个严重的缺陷,一是大气反吹风布袋除尘器的清灰效果不佳,导致除尘器运行阻力较大(2000-3000Pa),使风机的实际风量达不到设计要求,二是布袋更换工作量大且环境恶劣,往往因个别布袋破损后更换不及时,造成除尘器排放浓度超标。目前,大气反吹风布袋除尘器已基本淘汰。
  ②1#、3#高炉为3个出铁口,当时设计时考虑有2个出铁口同时出铁的情况,因此,当有2个出铁口同时出铁时,两台除尘器运行最大风量为2×55万m3/h,当只有一个出铁口出铁时,1台除尘器运行,最大风量为55万m3/h。高炉实际投产后,没有2个出铁口同时出铁的情况发生。目前2台除尘器均同时使用,对每个出铁口的抽风量由原设计时的12万m3/h加到20万m3/h,以加强出铁口的抽风效果。但这种对二次烟尘的强行捕集(最好是诱导捕集)方式,效果并不明显。
  ③设有主铁沟1#沟盖,位于开口机和泥炮作业范围内,在开堵铁口时,用专用吊盖机将其从主沟上移开,沟盖前部设一挡板,一方面防止铁水喷溅伤人,另一方面可挡住出铁口喷溅产生的烟尘,使烟尘尽可能的得到捕集。当开堵铁口时,二次烟尘处于无序排放状态。
  ④撇渣器、铁沟、渣沟、摆动流槽等产生部位均设置密闭抽风设施,一次烟尘捕集率达到90%以上。但摆动流槽捕集罩因容烟空间较小,下部铁水罐口冒出的烟尘会受横向气流的干扰而不能全部收集。
  ⑤为保证较好的收尘效果,合理分配各除尘点风量,每个除尘点支管上设有手动或电动调节阀。
  ⑥每座高炉炉顶下料除尘,均并入一次除尘系统,减少一次投资,方便运行管理。由于出铁场一次烟尘除尘系统调速运行时,炉顶除尘管道内的风量、流速发生较大变化,容易产生管路磨损和积灰问题,从而影响炉顶下料扬尘点的收尘效果。
  ⑦由于出铁场出铁时间的间断性,对每个出铁场的一次除尘系统配调速型液力偶合器,当出铁时,风机调至高速;当不出铁时,风机调至低速,以节约能源。
  ⑧除尘输灰装置采用螺旋输送机。该设备密封不严,易发生因除尘灰堵卡现象而烧坏电机,设备运行故障率高,维修量大。
  2#高炉出铁场除尘技术的特点:
  ①首钢2#高炉出铁场除尘系统改造时,对1#、3#、4#高炉出铁场除尘系统存在的一些不足进行了充分的研究,在总结经验教训的基础上,大胆尝试国内先进的思维模式,结合2#高炉出铁场的具体情况,对一次、二次烟尘进行综合治理,效果非常明显。治理后,烟尘综合捕集率达到95以上,除尘器排放浓度最大为28mg/Nm3,出铁场岗位粉尘浓度为3mg/Nm3,达到环保治理要求。
  ②根据出铁场一次、二次烟尘的特性和生产、维护管理等方面的要求,将出铁场除尘系统划分为大、小两个独立的除尘系统。大系统控制出铁口(出铁时)、撇渣器、铁沟、渣沟、摆动流槽等处产生的一次烟尘;小系统控制开堵铁口时产生的二次烟尘和炉顶下料产生的粉尘。这种系统的划分,有效地解决了炉顶除尘系统并入出铁场一次除尘系统时,因调速变化引起的炉顶除尘管道磨损和管路积灰的问题,更有效地保证炉顶下料扬尘点的收尘效果。
  ③出铁口捕集罩采用高位侧吸、上部诱导顶吸和沟盖罩的组合捕集装置,正常出铁时高位侧吸罩可基本上将一次烟尘捕集干净,开堵铁口时,一部分烟气通过高位侧吸罩抽走,其余烟尘依靠热气流的自然上升进入顶吸罩;不出铁时,高位侧吸罩停止工作,靠顶吸罩捕集出铁场出的零散烟尘。顶吸罩处于常开状态,也能起到出铁场通风换气的作用。这一捕集技术的实施,捕集率能达到95%以上,基本上解决了以往高炉出铁场二次烟尘无法捕集的状态,上部诱导顶吸罩采用水冷移动式,一方面解决了与泥炮、开口机的正常操作发生矛盾;另一方面解决了因二次烟尘温度高引起顶吸罩的变形。
  ④摆动流槽采用大容积移动式密封罩,将以往使用的2个下部侧吸和一个上部侧吸合并成了一个顶吸。在检修摆动流槽或清除摆动流槽残铁时,可移开捕集罩,平时合上捕集罩进行收尘。由于捕集罩的容积加大,使热烟尘能以较快的速度上升进入捕集罩,有效地解决了从铁水罐口冒出的烟尘由于受横向气流的干扰而无法收集的问题。
  ⑤脉冲布袋除尘器的压缩空气采用冷冻干燥及加热装置,有效地解决了除尘器布袋结露问题。以往脉冲布袋除尘器刚投入运行时,除尘器阻力能控制在1200Pa以下,运行一段时间以后,除尘器因布袋结露问题导致除尘器阻力居高不下,严重时除尘器运行阻力在2000Pa-3000Pa之间,风机风量大大降低,直接影响除尘效果。脉冲袋式除尘器气源引起的结露主要来自两个方面:一是气源内本身含有的水和油;二是气源冷气流清灰时与除尘器布袋内热气流形成温差,当清灰布袋内温度低于烟气温度的露点时,就会结露。
  ⑥一次烟尘除尘系统(大系统)的除尘风机考虑一用一备,主要是随着环保要求的不断提高,环保部门对环保考核也日益加重,同时也考虑到除尘风机因没有备用而发生故障时,会造成出铁场环境严重污染,对工人的安全生产形成隐患。因此对重要岗位的除尘风机考虑备用也有一定的道理。
  ⑦为节约能源,对一次烟尘除尘系统(大系统)采用变频调速,出铁时风机调至高速,不出铁时风机调至低速。变频调速技术与传统的液力偶合器调速相比,虽然一次投资较大,但具有调节性能好、设备故障率低、便于维护管理、能保证除尘设备长期稳定运行等优点,逐渐被许多业主接受。
  ⑧除尘输灰装置采用埋刮板机,该设备具有密封好、运行稳定、维修量小等优点。是一种比较理想的输灰设备。
5 对高炉出铁场除尘技术的几点启示
  ①充分了解高炉出铁场一次、二次烟尘的特性,观察不同的出铁场烟气的产生过程和流动规律,是合理设置各收尘点捕集罩的关键,同时与现场工艺设备的布置情况和操作条件密不可分。
  ②出铁口采用高位两边侧吸、上部诱导顶吸和沟盖罩的组合式捕集装置,能较好的捕集出铁口一、二次烟尘,捕集率能达到95%以上,是目前高炉出铁口较理想的捕集装置。
  ③低压脉冲布袋除尘器是目前国内比较先进的袋式除尘器,具有除尘效率高、清灰效果好、运行阻力低、维护管理方便等优点。特别是近几年,由于国产电磁阀、脉冲阀膜片等关键零部件质量多已过关,使得低压脉冲布袋除尘器得到广泛应用,受到越来越多用户的青睐。但对除尘器的清灰气源处理,需要引起足够的重视,以防除尘器布袋结露,从而影响除尘效果。
  ④高炉出铁场除尘分为两个除尘系统:一是控制出铁场一次烟尘的除尘系统,随着出铁时间的变化进行调速运行;二是控制出铁口上部诱导顶吸罩的二次烟尘和炉顶下料处粉尘的除尘系统,处于常开状态;能解决以往一个除尘系统时,因除尘风机调速变化引起炉顶下料除尘管道的磨损或积灰而影响除尘效果。对于大中型高炉出铁场除尘划分为"个除尘系统较为合理。
6 结束语
  首钢高炉出铁场除尘技术经历了二十多年的发展过程,倾注了许许多多环保工程设计和环保管理人员的心血;在不同的发展时期,有许多环保技术得到应用,在不断总结经验教训的基础上,吸收了许多国内外环保除尘的新技术、新思维、新观念。本文通过对首钢高炉出铁场除尘技术的发展过程和成功经验的归纳总结,认为充分了解和掌握不同高炉出铁场一、二次烟尘的产生和流动规律,结合现场工艺设备的布置和工人的操作条件,是设置合理烟尘捕集罩的关键。采用先进的除尘净化设备,合理的分配各收尘点风量,进行除尘系统的精心设计和搞好维护管理,是确保除尘系统烟气排放和岗位达标的技术保证。首纲2#高炉出铁场除尘通过对出铁口设置上部诱导式顶吸罩、改进一次捕集罩的结构、采用低压脉冲布袋除尘器、合理的划分除尘系统等措施,较好地解决了高炉出铁场一、二次烟尘的捕集问题。我们认为这些环保除尘新技术、新措施的应用成果对首钢其它高炉出铁场除尘系统的进一步改造具有参考作用,也值得国内大、中型高炉出铁场除尘所借鉴。