转炉煤气回收及除尘工艺研究.pdf

2024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER转炉煤气回收及除尘工艺研究邱新博（唐钢能源环保部，河北唐山 063000）【摘要】转炉煤气回收一直是钢铁企业炼钢系统中能源再利用的一个重点，由于当前煤气回收工艺不完善，回收率存在一定的波动性，导致衍生资源的浪费。影响煤气回收效率的因素主要有转炉原料条件、供氧条件、煤气回收时长、阀门动作时间、炉口空气吸入量等。针对上述因素，结合唐钢实际，从提高降罩率、调整风机转速、优化液压系统、联锁烟气分析仪与风机四个方面提出优化措施，最大限度地回收转炉煤气并提高其回收纯度。【关键词】转炉煤气；微正压；除尘【中图分类号】X757 【文献标志码】B【文章编号】1006-6764（2024）02-0093-04 【开放科学（资源服务）标识码（OSID）】Research on Converter Gas Recovery and Dedusting ProcessQIU Xinbo（Energy and Environmental Protection Department of Tangshan Iron and Steel Co.Ltd.,Tangshan,Hebei 063000,China)【Abstract】Converter gas recovery has always been a focus of energy recycling in the steelmaking system of iron and steel enterprises.Due to the imperfection of the current gas recovery process,there is a certain degree of volatility in the recovery rate,which leads to the waste of derived resources.Factors affecting the efficiency of gas recovery mainly include the raw material conditions of the converter,oxygen supply conditions,time of gas recovery,valve action time,and the amount of air intake at the mouth of the furnace,etc.Aiming at those factors,combining with the actual situation of Tangshan Steel,optimization measures are proposed in four aspects,namely,improving the dropping rate of converter hood,adjusting the fan speed,optimizing the hydraulic system,and interlocking the flue gas analyzer and the fan,so as to maximize the recovery of the converter gas and improve the purity of its recovery.【Keywords】converter gas;micro-positive pressure;dedusting前言转炉煤气是一种高温炼钢过程中产生的可燃气体，含有大量的热能。通过回收煤气，可以将其重新利用于炼钢工艺中，实现能源的自给自足1-2，这不仅可以提高钢铁生产过程中的能效，还可以减少对外部能源的依赖，从而实现能源利用最大化。转炉煤气回收能够显著减少钢铁生产过程中的废气排放，包括二氧化碳等温室气体，这有助于降低钢铁行业的碳足迹，对于应对全球气候变化、实现碳中和目标具有积极意义。1 转炉干法除尘系统简介转炉干法除尘的原理是利用汽化冷却烟道、蒸发冷却器和静电除尘器等设备对转炉煤气进行降温、除尘处理，达到回收条件后再进行加压、冷却、储存等后续处理。目前，唐钢新区长材事业部3座100 t转炉和热轧事业部2座200 t转炉的煤气净化和回收使用的都是干法除尘系统。转炉煤气干法除尘及回收系统是一种专门负责回收含有CO气体并为其提供回收利用的工艺过程，其工艺流程见图1。转炉排放的1 4001 600 烟气，在其进入烟道后被汽化冷却，冷却后的烟气932024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER温度为8001 000。首次冷却后的烟气在蒸发冷却器中遇到雾化喷嘴喷出的高压水雾，温度继续降低至250 左右。蒸发冷却器能够根据烟气热量精准控制所喷射出的水雾量，保证所喷射出的水雾可以被蒸发干净，以确保烟气的干燥。干燥烟气中的粉尘易被电除尘器捕捉，同时也可实现对烟气调质的目的。通过蒸发冷却器后的烟气中有30%40%的粗质粉尘会被滞留在底部，由输灰设备转运至粗灰仓，由汽车外运。烟尘通过蒸发冷却器实现了调质和降温的目的后，便继续流向电除尘器，电除尘器中存在4个呈圆形的电场，出口处安装了气流分布板以保证烟气在电除尘器中的流动保持柱塞状，尽可能降低发生意外爆炸的概率。同时，在电除尘器的前后出口处还设有安全泄爆阀，在发生意外爆炸时，可对强大压力冲击波进行疏导。电除尘器处理产生的粉尘被扇形刮板机刮至下方灰槽中，再通过机械输送系统传输到细灰仓外运。烟尘的流动与处理过程必须做好防爆处理，因此为了方便系统泄爆最好的选择就是使用ID轴流风机。为了保证回收煤气的数量和质量，可根据烟气流量的实时数据对风机进行变频调速。由轴流风机进入煤气切换站的烟气被2个液动杯阀分流，不符合回收条件的烟气被液动杯阀切换到放散烟囱，通过明火点燃进行放散处理；符合回收条件的烟气则会被切换至煤气冷却器进行喷淋降温，此时煤气温度将从原来的150 调整至70 以下，随即被输送至煤气柜，由煤气加压站通过管道输送至用户。2 转炉煤气回收的影响因素转炉冶炼本质上是通过化学反应来实现冶炼的工艺，主要原料有铁合金、废钢和铁水。冶炼时通过氧枪将氧气输送到转炉中与原料发生氧化反应，C与O2生成CO3-5。转炉煤气干法除尘及回收系统的主要任务就是将烟气中的 CO 进行回收再利用。从唐钢转炉生产的实际情况分析，影响煤气回收的因素有转炉原料条件、供氧条件、煤气回收时长、阀门动作时间、炉口空气吸入量。其中对煤气回收质量和数量均有明显影响的条件是原料条件、供氧条件、炉口空气吸入量。2.1 转炉原料条件转炉炼钢本质上就是通过铁水、废钢等原料与氧气发生氧化反应来实现钢铁的提纯。转炉中与氧气发生反应的元素有磷、硫、锰和碳等，因此原料条件对煤气回收的影响十分显著6-8。首先，铁水的冶炼温度要求在1 250 以上，因此其在整个原料中的占比和温度将成为影响煤气产量的最大因素。其次，废钢成分越复杂冶炼过程中不可控因素就越多，因此稳定的废钢成分将有利于转炉内的氧化反应速率，炉口微差压也就更加稳定可控，煤气回收的数量和质量也就更高。最后，还可通过提前预热废钢的方式，去除废钢中的水分，保证冶炼过程的平稳，原料添加顺序也是以先加废钢后加铁水为最佳。2.2 供氧条件转炉内氧化反应是否彻底直接影响钢铁的生产和煤气的回收质量，所以供氧量和供氧条件也是决定煤气回收质量和数量的又一关键。转炉内由氧枪进行供氧，氧枪喷头的角度、氧枪高度和吹氧强度均归属供氧条件的范畴内9。冶炼开始时，造渣料的投放与氧枪吹氧同时进行，化渣的同时去除有害磷元素。此阶段的温度会匀速提升，既是对炉图1 转炉煤气干法除尘及回收系统衬的防腐蚀保护，又可以有效除去磷和硫元素。为了进一步提高第一批渣料的熔化速度，可以适当调高氧枪的位置，保证炉内的初期渣尽快出现正常泡沫化和流动性的特征。2.3 回收时长通过时间数据论证回收时长对转炉煤气回收的影响程度，具体数据见表1。随机抽取100 t转炉和200 t转炉不同回收时长所对应的煤气回收量，共30组数据（因篇幅限制只列出部分数据）。通过数据对比发现，转炉煤气回收量与时长呈正比例关系，回收时长每增加1 min，单位吨钢大约可多回收10 m3煤气，100 t 转炉能够多回收 1 000 m3煤气，200 t转炉可多回收3 000 m3煤气。2.4 阀门动作时间煤气切换站主要通过阀门的控制来实现煤气的放散和回收，采用的是激光式气体成分分析系统。系统检测煤气如果满足放散条件，则执行打开放散杯阀、关闭回收阀的指令；如果满足回收条件，则执行关闭放散杯阀、打开回收杯阀的指令10。系统在判定切换时，两个阀门都会处于打开等待的状态，因此切换速度必须尽可能快，阀门动作时间越短越好，否则就会造成合格煤气的浪费。2.5 炉口空气的吸入量理想状态下，炉口和活动烟罩间应该是无缝衔接，即不用考虑炉口压差，实现与外部空气完全隔绝。但在实际生产中，由于炉口积渣，烟罩与炉口衔接不紧密，导致煤气回收量大打折扣。所以，在优化吹炼工艺过程中要制定合理的打渣流程，确保炉口无过度积渣，并确保活动烟罩能够处于一个较低的位置，将能够有效降低煤气浪费量，进一步提高煤气回收的数量和纯度。3 回收优化措施及效果分析结合上述影响煤气回收因素的分析，对长材事业部和热轧事业部转炉煤气回收系统进行全面调整与优化。3.1 回收优化措施（1）提高降罩率针对热轧事业部过多的积渣阻碍了烟罩灵活升降的问题，现场全面清理积渣，同时封堵上方氧枪口平台，尽量避免后期生产中继续产生积渣。针对长材事业部活动烟罩系统故障导致烟罩无法保持在设定位置的问题，现场调整液压锁的位置，让活动烟罩可以灵活升降并稳定在固定位置。同时，调整烟罩高度，确定好合理下降空间，将炉口与活动烟罩下降位置间的距离控制在100 mm以内，并及时清理积渣，保证烟罩正常工作。（2）调整风机转速为不同冶炼阶段设置不同的转炉风机转速。预热、兑铁阶段风机转速为850 r/min，吹氧、补吹阶段风机转速为 1 080 r/min，投料阶段风机转速为 1 120 r/min，回收阶段风机转速为1 580 r/min。煤气回收过程中CO含量在炉口微压值为10080 Pa时明显降低，因此需要下调回收转速，由1 580 r/min调整为 1 300 r/min。实践证明，在 1 300 r/min的转速下，炉口微压基本能够保持在030 Pa，此时，无负压，无二次燃烧，吹炼中期煤气中CO浓度能够维持在45%50%，回收热值明显增高。表1 不同回收时长对应的煤气回收量（部分数据）942024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER衬的防腐蚀保护，又可以有效除去磷和硫元素。为了进一步提高第一批渣料的熔化速度，可以适当调高氧枪的位置，保证炉内的初期渣尽快出现正常泡沫化和流动性的特征。2.3 回收时长通过时间数据论证回收时长对转炉煤气回收的影响程度，具体数据见表1。随机抽取100 t转炉和200 t转炉不同回收时长所对应的煤气回收量，共30组数据（因篇幅限制只列出部分数据）。通过数据对比发现，转炉煤气回收量与时长呈正比例关系，回收时长每增加1 min，单位吨钢大约可多回收10 m3煤气，100 t 转炉能够多回收 1 000 m3煤气，200 t转炉可多回收3 000 m3煤气。2.4 阀门动作时间煤气切换站主要通过阀门的控制来实现煤气的放散和回收，采用的是激光式气体成分分析系统。系统检测煤气如果满足放散条件，则执行打开放散杯阀、关闭回收阀的指令；如果满足回收条件，则执行关闭放散杯阀、打开回收杯阀的指令10。系统在判定切换时，两个阀门都会处于打开等待的状态，因此切换速度必须尽可能快，阀门动作时间越短越好，否则就会造成合格煤气的浪费。2.5 炉口空气的吸入量理想状态下，炉口和活动烟罩间应该是无缝衔接，即不用考虑炉口压差，实现与外部空气完全隔绝。但在实际生产中，由于炉口积渣，烟罩与炉口衔接不紧密，导致煤气回收量大打折扣。所以，在优化吹炼工艺过程中要制定合理的打渣流程，确保炉口无过度积渣，并确保活动烟罩能够处于一个较低的位置，将能够有效降低煤气浪费量，进一步提高煤气回收的数量和纯度。3 回收优化措施及效果分析结合上述影响煤气回收因素的分析，对长材事业部和热轧事业部转炉煤气回收系统进行全面调整与优化。3.1 回收优化措施（1）提高降罩率针对热轧事业部过多的积渣阻碍了烟罩灵活升降的问题，现场全面清理积渣，同时封堵上方氧枪口平台，尽量避免后期生产中继续产生积渣。针对长材事业部活动烟罩系统故障导致烟罩无法保持在设定位置的问题，现场调整液压锁的位置，让活动烟罩可以灵活升降并稳定在固定位置。同时，调整烟罩高度，确定好合理下降空间，将炉口与活动烟罩下降位置间的距离控制在100 mm以内，并及时清理积渣，保证烟罩正常工作。（2）调整风机转速为不同冶炼阶段设置不同的转炉风机转速。预热、兑铁阶段风机转速为850 r/min，吹氧、补吹阶段风机转速为 1 080 r/min，投料阶段风机转速为 1 120 r/min，回收阶段风机转速为1 580 r/min。煤气回收过程中CO含量在炉口微压值为10080 Pa时明显降低，因此需要下调回收转速，由1 580 r/min调整为 1 300 r/min。实践证明，在 1 300 r/min的转速下，炉口微压基本能够保持在030 Pa，此时，无负压，无二次燃烧，吹炼中期煤气中CO浓度能够维持在45%50%，回收热值明显增高。表1 不同回收时长对应的煤气回收量（部分数据）组号12345678910200 t转炉回收时长/s198319365381419420426419420428铁水温度/1 3481 3041 3211 2841 2641 2481 2091 2671 3641 303回收量/(m3/t)66.9181.0793.2293.76100.55106.46106.58106.62106.64106.65100 t转炉回收时长/s245263237240293288288342278306铁水温度/1 3631 2881 3191 4941 3581 3181 2931 2201 3321 354回收量/(m3/t)68.6872.6373.5077.5179.1281.1681.5581.7282.4684.74952024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER（3）优化液压系统炉口微正压是指炉口处的气体压力略高于大气压力，在炉口微正压的控制中，液压系统发挥着至关重要的作用。液压系统通过控制炉口密封装置或炉口调节装置的动作，实现对炉口开度的精确调节，从而控制炉口微正压的大小。如果炉口微压为负值就会造成外部空气大量涌入烟道，与烟道内的 CO 发生化学反应生成 CO2，迫使 CO 的含量从65%迅速降低到30%，严重影响烟道内煤气回收的纯度。因此，保证炉口微压一直处于正压，就可以保证CO不会与O2发生二次反应生成CO2。但正压值也不宜过高，否则会造成烟尘外泄，在炉口发生二次燃烧，不仅浪费能源而且会降低设备的使用寿命。在二次除尘过程中，一部分没有燃烧的CO会被抽走，给后面的工艺埋下一定的安全隐患。优化回收杯阀和放散杯阀的动作时间，优化详情见表2。经优化，各部动作时间缩短2 s左右，既保证了杯阀的正常开闭，又减少了煤气的浪费。（4）烟气分析仪与风机联锁煤气回收的关键在吹炼中期，这是形成 CO的关键阶段，此时吹入炉内的O2主要用来完成C的氧化，且料渣中的氧化铁也会在这个阶段被消耗掉，因此控制好O2条件对于煤气的回收十分重要。到了吹炼末期，主要任务就是将C含量控制在规定范围内，并且不能影响到钢液中的P、S含量。随着炼钢技术的进步，可通过声呐化渣、副枪和烟气分析等技术实现对炉内情况的实时监测，有效提升了转炉一次命中率，降低了补吹的需求，有效控制了废气的产生量，使煤气的产量和质量都得到了有效提升。将烟道内烟气分析仪检测结果和风机转速关联，一旦烟气检测结果达标就可对风机进行提速，同时自动控制微差压，使其保持在030 Pa的稳定状态。3.2 优化效果分析通过上述优化措施，目前唐钢公司可以在放散条件为CO含量35%且O2含量1%的前提下，将100 t转炉煤气回收量从80 m3/t提升至120 m3/t，200 t转炉煤气回收量从 90 m3/t提升至 130 m3/t，煤气热值由 4 620 kJ/m3提高到5 5005 900 kJ/m3。4 结束语相对于焦炉煤气而言，转炉煤气热值更高，且作为能源副产品其清洁度更优。高效、安全地对转炉煤气进行回收，对钢铁企业的绿色生产、节能降耗以及可持续发展具有深远的意义。在对转炉煤气干法除尘工艺及影响煤气回收的因素进行详细分析的基础上，从提高降罩率、调整风机转速、优化液压系统、联锁烟气分析仪与风机4个方面提出了优化煤气回收的措施，使得唐钢公司转炉煤气回收量得到了提升。参 考 文 献 1 魏小林，李腾，陈晴晴，等.氧气转炉煤气全干法显热回收系统中CO爆燃与防爆研究 J.力学学报，2023，55（12）：2796-2806.2 韩娟，周建安，李小勇，等.150 t转炉高温烟气喷吹煤粉回收煤气工业实践 J.炼钢，2023，39（5）：90-96.3 倪文翔，赵京，李博，等.转炉煤气全干法显热回收工艺中余热锅炉积灰特性研究 J.化工学报，2023，74（8）：3485-349.4 冯俊小，温俊云，刘江，等.转炉烟气余能回收利用技术发展现状与展望 J.科学技术与工程，2023，23（17）：7183-7193.5 蔡汝林.转炉煤气回收氧含量假性超标的分析及处理 J.仪器仪表与分析监测，2023（2）：24-28.6 黄波，苏相成.120 t转炉一次烟气净化系统方案及节能分析 J.节能，2023，42（2）：76-78.7 翁万卿，马克.转炉煤气回收除尘风机轴向振动原因分析 J.冶金设备，2022（2）：70-72+32.8 高海波，华耀锋，陈凯，等.新型转炉煤气干法深度净化及资源回收成套技术的可持续发展研究 J.科技与创新，2022（4）：29-31.9 张仕通，黄卫超，邓万里，等.转炉煤气回收利用实时调节技术开发应用 J.冶金能源，2021，40（6）：44-47.10 车双平，张阵超，马杰.除雾器在转炉煤气干法净化回收系统中的应用 J.科技与创新，2021（21）：174-175.收稿日期：2023-11-29作者简介：邱新博（1995-），男，工程师，本科，现从事环保管理研究工作。表2 各杯阀动作优化时间对比转炉200 t100 t项目调整前调整后调整前调整后放散杯阀打开时间/s9797关闭时间/s8697回收杯阀打开时间/s97107关闭时间/s10810896