高爐煤氣是鋼鐵生產(chǎn)過程中主要的副產(chǎn)品，不僅數(shù)量大，而且利用價值也高，噸鐵所產(chǎn)煤氣熱量約合160-200kg標(biāo)煤，是鋼鐵廠最重要的二次能源。出爐時因為含塵量多，必須要凈化處理，使含塵量降到10mg/m3以下才能有效地利用。高爐煤氣布袋除塵技術(shù)具有節(jié)水、節(jié)能、環(huán)保、減少占地和提高勞動生產(chǎn)率等一系列突出優(yōu)點，已經(jīng)被國家列為冶金行業(yè)重點推廣的“三干一電”（包括高爐煤氣干法除塵、轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵、干熄焦和余壓發(fā)電）首項先進(jìn)技術(shù)。高爐煤氣干法布袋除塵技術(shù)在我國經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，迄今為止已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)多座大中型高爐。
雖然這項技術(shù)已經(jīng)達(dá)到實用階段，但在大型高爐上推廣應(yīng)用上還須要進(jìn)一步創(chuàng)新和改進(jìn)。為此，國家科技部委派首鋼國際工程公司作為承擔(dān)單位，負(fù)責(zé)“十一五”國家科技支撐計劃項目中“特大型高爐煤氣全干法除塵技術(shù)的開發(fā)”課題的研究，從工藝流程、煤氣溫度控制、除塵器類型選擇、工藝參數(shù)優(yōu)化、含塵量控制與檢測、煤氣灰濃相和長距離輸送、自動化控制與檢測、系統(tǒng)的安全與防護(hù)等內(nèi)容和參加單位共同進(jìn)行項目的攻關(guān)工作，并已取得一系列成果。結(jié)合特大型高爐煤氣干法除塵技術(shù)研發(fā)，由首鋼國際工程公司主編的《高爐煤氣干法袋式除塵設(shè)計規(guī)范》國家標(biāo)準(zhǔn)(GB50505-2009)自2009年12月1日起正式頒布實施。該項國家標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布實施，奠定了首鋼國際工程公司在國內(nèi)高爐煤氣全干法除塵技術(shù)研究應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
目前，首鋼遷鋼4000m3特大型高爐也采用高爐煤氣全干法除塵技術(shù)，不設(shè)濕法除塵備用系統(tǒng)，再次將煤氣全干法除塵技術(shù)成功推廣到4000m3級高爐，為世界鋼鐵行業(yè)節(jié)能環(huán)保做出了突出貢獻(xiàn)。
1首鋼遷鋼4000m3高爐煤氣干法除塵的技術(shù)研究背景
高爐冶煉時產(chǎn)生大量煤氣，除塵通常分兩級處理：先用重力或旋風(fēng)除塵器進(jìn)行粗除塵，除去大部分粗顆粒后，再進(jìn)行濕法或干法精除塵。
當(dāng)時，國內(nèi)外4000m3以上高爐絕大多數(shù)采用煤氣濕法除塵，僅有日本少數(shù)高爐采用反吹布袋除塵且均配置了濕法除塵備用系統(tǒng)，其干法除塵年作業(yè)率僅為90%-93%，干法除塵系統(tǒng)故障或高爐休風(fēng)、停開爐期間仍使用濕法除塵系統(tǒng)，尚未完全擺脫對濕法除塵的依賴。
本項目啟動前，國內(nèi)采用煤氣全干法除塵最大的高爐是首鋼遷鋼2650m3高爐，盡管已經(jīng)取得了成功經(jīng)驗，但很難將其技術(shù)直接放大應(yīng)用在4000m3大型高爐上。
高爐煤氣濕法除塵技術(shù)是傳統(tǒng)工藝，盡管國內(nèi)外都進(jìn)行了諸多改進(jìn)和完善，但仍存在諸多嚴(yán)重的技術(shù)缺陷，主要表現(xiàn)在：
1)煤氣濕法除塵需要大量水作為清洗煤氣的介質(zhì)，水資源消耗大，一般每立方煤氣循環(huán)水量為3-4L，4000m3高爐煤氣濕法除塵系統(tǒng)的循環(huán)水量約為2040-2720m3/h，必須補(bǔ)充的新水量為循環(huán)水量的5%-8%，從根本上無法擺脫對水資源的依賴；
2)系統(tǒng)龐大復(fù)雜，能源動力消耗大，設(shè)備檢修維護(hù)量大。傳統(tǒng)濕法除塵的洗滌塔、文氏管、環(huán)縫式除塵器、污水處理系統(tǒng)、提升泵站等一系列設(shè)施使工程投資大、占地面積大；
3)煤氣處理過程產(chǎn)生的二次污染和污泥對環(huán)境造成破壞。洗氣污水中含有大量懸浮物、氰、酚類、重金屬離子等有害化合物，污泥、污水無法實現(xiàn)“零排放”；
4)煤氣含塵量較高，溫度低、熱值低，能源轉(zhuǎn)換效率和TRT發(fā)電量比干法除塵低35%-40%。
高爐煤氣采用干法除塵是煉鐵技術(shù)發(fā)展的方向。國內(nèi)外近30年來進(jìn)行了電除塵、反吹風(fēng)大布袋除塵、低壓脈沖布袋除塵等各種探索和實踐，首鋼在該技術(shù)領(lǐng)域一直走在前列，從廠區(qū)的反吹風(fēng)大布袋除塵開始，到首鋼國際工程公司在中小高爐上發(fā)展低壓脈沖布袋除塵，直到2004年首秦1200m3高爐成為業(yè)內(nèi)當(dāng)時投產(chǎn)的規(guī)模最大的全干式脈沖布袋除塵大型高爐后，在該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)首鋼一直處于領(lǐng)先地位。但如何實現(xiàn)全干法脈沖布袋除塵在特大型高爐上高效長壽、節(jié)能低耗、安全穩(wěn)定運(yùn)行是本項目必須重點攻關(guān)解決的問題。
2首鋼遷鋼4000m3高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)主要技術(shù)特點
首鋼遷鋼4000m3高爐采用煤氣全干法脈沖布袋除塵技術(shù)，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。該系統(tǒng)采用國際先進(jìn)的三維協(xié)同設(shè)計軟件進(jìn)行三維設(shè)計，體現(xiàn)了設(shè)計的現(xiàn)代化和精準(zhǔn)化；除塵器采用先進(jìn)的應(yīng)力和多維度流場分析，使其設(shè)備運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠；系統(tǒng)自動化監(jiān)測與控制達(dá)到先進(jìn)水平，大大減少了崗位定員和運(yùn)行成本；煤氣管道綜合防腐蝕技術(shù)的應(yīng)用，提高了該項技術(shù)的運(yùn)行壽命和使用效率。
2.1除塵器的高效、集約化研究
高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的除塵器箱體是干法系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，對于確保系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行有著重要作用。除塵器箱體直徑的大小關(guān)系到干法除塵系統(tǒng)的整體布置。
為減少系統(tǒng)占地面積、布置美觀，首鋼遷鋼特大型高爐干法除塵系統(tǒng)按雙列布置，在過濾面積充分滿足高爐煤氣過濾、除塵器箱體數(shù)量充分滿足生產(chǎn)維護(hù)檢修的前提下，除塵器箱體采用大直徑長袋雙側(cè)反吹技術(shù)。在減少占地面積的同時，減少了除塵器箱體的個數(shù)、除塵器箱體進(jìn)出口的閥門，減少了生產(chǎn)人員巡檢區(qū)域和設(shè)備維護(hù)量。
圖1除塵器殼體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析
圖2除塵器關(guān)鍵界面速度場分布
通過對除塵器殼體進(jìn)行應(yīng)力分析(見圖1)，研究除塵器結(jié)構(gòu)的局部薄弱點，進(jìn)行局部調(diào)整降低應(yīng)力集中，提高設(shè)備安全與穩(wěn)定性。除塵器箱體內(nèi)部采用特殊的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，使得除塵器箱體煤氣氣流分布均勻，降低了流速(見圖2)，大大減少了濾袋異常破損的發(fā)生。
2.2濾料過濾性能研究
濾袋是干法除塵的核心元件，決定了煤氣質(zhì)量是否合格，過濾風(fēng)速高低、抗高溫能力、抗低溫結(jié)露性能、使用壽命長短以及成本如何等，可以說只要保持濾袋安全正常工作，干法除塵生產(chǎn)就基本正常，所以濾袋性能研究非常重要。
高爐煤氣干法除塵現(xiàn)在采用的濾料多為NOMEX和玻纖復(fù)合等兩種主要類型。根據(jù)這兩種基本濾料，進(jìn)行不同生產(chǎn)廠商產(chǎn)品的VDI3926濾料對比試驗。
VDI3926是由德國工程師協(xié)會制定，為評估濾料的過濾性能提供標(biāo)準(zhǔn)的測試方案。根據(jù)已有工程中使用的NOMEX和玻纖復(fù)合濾料樣品，通過VDI3926試驗對比兩種濾料的性能（見圖3）。
圖3VDI3926濾料對比試驗結(jié)果
通過實驗結(jié)果對比，NOMEX濾料壓力損失和運(yùn)行阻力均較小，清灰周期穩(wěn)定，具有更好的過濾性能。從濾料的價格和使用溫度來說，玻纖復(fù)合濾料更占有一定優(yōu)勢，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)并結(jié)合已進(jìn)行的工業(yè)試驗，最后選取NOMEX化纖濾料應(yīng)用到本工程。
2.3高爐煤氣管道防腐研究
近幾年，煤氣干法除塵系統(tǒng)開始在國內(nèi)大高爐上推廣普及，但是由于對煤氣中HCl等酸性氣體的存在缺少認(rèn)識，因此，大型高爐煤氣除塵在由濕法向干法轉(zhuǎn)型期間，很多都沒有充分考慮到由酸性氣體帶來的嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象。另外，高爐原料越來越多地使用進(jìn)口礦，進(jìn)口礦尤其是澳礦中氯元素含量普遍高于地方礦，導(dǎo)致高爐煤氣中的HCl含量更高，這也是大高爐干法系統(tǒng)腐蝕嚴(yán)重的重要背景條件。據(jù)了解，國內(nèi)濟(jì)鋼、萊鋼、太鋼、韶鋼、首秦等企業(yè)的高爐干法煤氣系統(tǒng)都普遍存在腐蝕問題。腐蝕問題在首鋼遷鋼2號2650m3高爐上也尤為突出。
首鋼國際工程公司在遷鋼2號高爐中進(jìn)行噴水噴堿液工廠試驗，并進(jìn)行多種防腐蝕涂料的實驗室實驗，深入分析腐蝕原因，找出相應(yīng)的解決方法與措施。
噴堿工廠試驗裝置實施后，對煤氣冷凝水及系統(tǒng)腐蝕情況進(jìn)行跟蹤和進(jìn)一步分析后，優(yōu)化工藝參數(shù)與結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步在遷鋼工程中實施應(yīng)用。
高爐煤氣管道內(nèi)防腐及噴堿除氯裝置隨首鋼遷鋼4000m3高爐同步建設(shè)，并投入運(yùn)行。隨著高爐生產(chǎn)情況調(diào)整噴堿除氯裝置運(yùn)行參數(shù)。目前高爐煤氣冷凝水PH值均大于6.5，運(yùn)行效果良好，有效遏制了管道及設(shè)備的腐蝕。
3首鋼遷鋼4000m3高爐煤氣干法除塵技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景
首鋼遷鋼4000m3高爐干法除塵自2010年1月投產(chǎn)一年多來，尚無濾袋更換，凈煤氣出口含塵量穩(wěn)定在5mg/m3以下。相對濕法而言，干法除塵可以省掉幾乎全部水電。和同級別的高爐濕法除塵相比，首鋼遷鋼4000m3高爐干法除塵每年可以節(jié)約循環(huán)水量約2000萬t，節(jié)約新水約100萬t，節(jié)電1600×104kWh，大大減少了運(yùn)行費用；采用煤氣干法除塵技術(shù)，TRT出電已達(dá)到50kWh/t，比煤氣濕法除塵增加發(fā)電量30%以上，每年干法除塵比濕法除塵多發(fā)電約4500×104kWh；此外還可以省去污泥、污水處理費用等。
對于特大型高爐，由于高爐容積大，煉鐵工藝生產(chǎn)更加穩(wěn)定，平穩(wěn)的爐頂壓力和煤氣溫度為全干法除塵工藝系統(tǒng)順行創(chuàng)造了更好的外部環(huán)境。而特大型高爐煤氣采用全干法除塵工藝，其效益更加顯著，是值得大力推廣的工藝技術(shù)。
首鋼國際工程公司高爐煤氣干法除塵技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊
首鋼國際工程公司在冶金工藝技術(shù)上堅持不斷創(chuàng)新，在煤氣干法除塵技術(shù)領(lǐng)域一直走在國際前沿，鍛煉了一支以教授級高級工程師張福明、高魯平、張建、毛慶武、韓渝京，高級工程師鄭傳和等一批專家為主導(dǎo)，多名中青年工程師陳玉敏、章啟夫、侯健等為骨干的高爐煤氣干法除塵技術(shù)團(tuán)隊。他們先后組織并承擔(dān)了多個高爐煤氣干法除塵技術(shù)研發(fā)課題和設(shè)計總包工程共20余項。近年來，該團(tuán)隊通過大量生產(chǎn)調(diào)研、科學(xué)計算和反復(fù)論證，連續(xù)完成了高爐煤氣低壓脈沖布袋除塵技術(shù)的不斷升級和產(chǎn)品創(chuàng)新。2004年，由首鋼國際工程公司總承包的首秦1200m3高爐煤氣干法除塵率先在1000m3以上高爐獲得成功，開創(chuàng)了國內(nèi)外大型高爐煤氣全干法除塵的先河，獲首鋼科技進(jìn)步獎；2006年，首鋼遷鋼2號2650m3高爐煤氣干法除塵工程獲得優(yōu)秀工程總承包獎；同時為國家和企業(yè)培養(yǎng)了多名青年技術(shù)骨干。這支由老中青三代技術(shù)專家組成的技術(shù)團(tuán)隊共完成22項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的相關(guān)專利技術(shù)。
高爐煤氣全干法除塵技術(shù)作為一項新技術(shù)，仍然需要不斷創(chuàng)新和改進(jìn)。首鋼國際工程公司高爐煤氣干法除塵技術(shù)團(tuán)隊將認(rèn)真做好該項國標(biāo)實施后的技術(shù)跟蹤和調(diào)研工作，繼續(xù)發(fā)揚(yáng)創(chuàng)新精神，在新型濾袋反吹清灰、新型材料過濾等工藝上進(jìn)行大膽創(chuàng)新，以期降低系統(tǒng)氮氣消耗并減輕干法布袋工藝所帶來的濾袋大量更換的工作量，使該項技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，為鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排發(fā)揮更大的作用。
（撰稿人：章啟夫）
