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国内外喷嘴喷雾技术在冶金环保中的应用

刘晨 裴丽苗

( 斯普瑞喷雾系统上海有限公司)

概述
根据美国喷雾公司的资料, 用在各种工业和农业两大类的喷嘴共计八万多个品种规格, 仅用在钢铁工业的喷嘴也有两千多。
中国已经是世界第一钢铁大国, 并逐渐成为钢铁强国。近几年钢铁喷嘴喷雾技术的应用也在相应地迅速提高。但问题是发展很不均衡, 有些钢厂的一些应用已经赶上、 甚至超过国外的先进水平, 但有的钢厂、 甚至个别大钢厂/设计院仍在沿用非常陈旧落后的喷嘴, 比如转炉除尘仍用碗型、 反溅式喷嘴; 高炉炉顶打水仍用普通的水喷嘴; 焦碳熄火仍用管子上开孔喷水等, 落后的喷嘴必然影响技术经济指标的提高: 中国当前的烟气排放粉尘含量控制标准是100毫克/标立米, 是世界先进水平的10倍以上, 但仍有相当多的企业实际上在超标排放; 少数钢厂已经达到世界先进水平, 但除尘水、 电平均消耗是发达国家的4倍。
本文简单介绍喷嘴在国内外冶金环保中常见应用, 重点介绍一些新应用, 特别是适合中国钢厂环保技术进步的新技术。

1． 喷嘴在冶金环保中的常见应用
喷嘴在冶金环保中的应用贯穿了从矿山到钢材的整个生产过程的各工序, 常见应用见附表1。从表中可见: 喷嘴在冶金环保中有较多的应用, 归纳起来, 最常见的是高温烟气的冷却和喷雾除尘, 也恰是在这两方面的应用上国内钢厂之间、 与国外钢厂间存在较大差距。

2． 高温烟气冷却
高温烟气一般是指130℃以上的烟气。冶金工业( 钢铁和有色金属) 涉及的烟气大多属于高温烟气, 像转炉炉口、 电炉炉口、 直接还原系统的最高温度可大1400-1600℃。考虑高温烟气冷却方案时, 首先要考虑到高温烟气的显热是一种余热能源, 按照节能的要求应该回收利用。国内外的研究单位都在努力多年, 力争将高温烟气余热利用的目标达到400℃, 但当前的技术水平一般是能利用到800-1000℃。余热利用的方式一般是用余热锅炉或烟道生产中高压蒸汽, 用于发电或并网利用。
1000℃( 或将来400℃) 以下的高温烟气的冷却一般采用直接冷却或间接冷却两种方式, 详见附图1。
附图1 高温烟气的冷却不同方式

从国内外的发展趋势看, 在回收余热或不需要、 没条件回收余热的场合, 倾向于采用不饱和的蒸发冷却替代所有的其它冷却方式, 采用蒸发冷却能够将烟气温度冷却到饱和温度( 最低达50℃) ; 而对于采用布袋或电除尘的干法除尘系统, 由于除尘器对烟气湿度的要求( 相对湿度30-80%) 限制, 一般是采用蒸发冷却到某一温度( 如电炉除尘冷却到240-280℃) , 然后再经过参二次冷风、 其它低温烟气的方式冷却到除尘器要求的温度, 同时满足湿度要求。
在采用直接蒸发冷却方面, 国内外近几年在成功应用、 节省投资、 节能环保和降低运行费用多方面, 都取得长足的发展, 并逐步趋向推广, 比如转炉干法、 半干法除尘; 高炉全干法除尘; 电炉除尘系统改造等。这里简要介绍国内几个成功示例。
2．1 转炉干法除尘
中国继宝钢成功引进两套250吨转炉干法除尘系统( 当前在建第三套) 后, 莱钢以分交方式成功采用了三套120吨转炉的干法除尘系统。由于采用分交国产化比例提高和没有上粉尘压块系统, 总造价大幅降低。莱钢、 包钢、 天铁都在建设或设计新的转炉干法除尘系统。转炉除尘推广采用干法当前依然存在的问题:
一是总造价依然偏高;
二是自动控制程度高, 运行过程中存在蒸发冷却塔内壁粘灰等问题, 许多钢厂因操作和维修人员水平限制而不敢采用;
三是该系统电除尘器后的煤气冷却还用饱和冷却, 因此该工艺不是真正意义上的全干法。
随着提高国产化比例, 相信这些问题都会相应解决。能够预期, 那时转炉干法一定会得到迅速推广, 中国转炉除尘的水平就能够达到世界先进水平。

2．2 转炉半干法除尘
从转炉投入工业应用以来的几十年来, 转炉除尘的工艺一直湿法为主, 少数干法。据介绍, 全球供有46套干法。湿法问题多、 干法一时不能推广, 半干法就是针对这一局面提出的一个特别适合中国国情的解决方案: 投入少、 改造基本不占用生产时间、 自动控制要求不高。按照环保、 节能、 节水、 提高转炉作用率、 减少维修量多方面考虑, 中国已经将转炉采用干法除尘做为清洁生产开发项目; 宝钢还将此列进博士后研究项目, 能够预期最终干法一定会得到推广; 提出半干法的最终目的也是要推广干法。但从中国国情、 厂情实际出发, 应该或不得不分步走。
所谓半干法, 简单地说就是利用了干法的蒸发冷却和电除尘, 但不同是用水冲灰和湿式电除尘。实施上也能够分以下两步走:
一、 将一文和其下部的脱水器拆除, 改造为一半干式冷却塔: 由于采用蒸发冷却, 降温所需的水只有文氏管饱和冷却的1/10; 保留水冲灰, 减少了改造量和时间, 同时更多的喷水使冷却塔的除尘效率能够达到95%; 更主要的是没有一文的收缩段, 系统阻力从3000帕以上降低到300帕以下。这样就为中国许多钢厂因转炉不断扩容、 扩装、 提高吹氧强度但除尘系统没及时改造引起的循环水能力和风机能力不足的问题。只要空间够, 半干式冷却塔能够随时改造为干式蒸发冷却塔。中国河北承钢已经在两座100吨转炉上成功采用了这一技术; 河北宣钢、 四川攀钢也决定采用; 更多钢厂在进行可行性研究。
二、 在上述改造的基础上( 同时或以后) , 建设一独立的湿式电除尘器和风机系统, 烟气来自半干式冷却塔, 净化后的煤气( 烟气) 再送到原风机后、 切换站前, 与原来的二文、 风机系统切换使用。这样改造的主要优点: 烟气( 煤气) 粉尘含量和电耗能够达到干法的水平; 自动控制要求不高; 改造和电除尘器维修时不影响生产。当前国内有两家公司能够提供这种特殊的电除尘器, 有几家钢厂也在进行前期论证中, 相信不久就会投入转炉改造中。
2．3转炉湿法除尘脱水器的改进
转炉采用湿法除尘时烟气进风机前是否充分脱水, 对整个系统的运行具有决定性的影响: 因为烟气带水多增加了烟气的重度, 首先就直接降低风机的有效功率; 另一方面烟气中水份多也是风机粘灰的间接原因。国内钢厂、 设计院在脱水器的改进上也做了大量工作, 有的钢厂甚至在二文后加两级脱水。
当前较多使用的湿旋脱水器, 也有用丝网( 塔式、 卧式) 脱水器。一个显著的改进就是简化了脱水器的结构为一空心塔, 既不要丝网, 也不需要旋流板, 只需在脱水器出口增加氮气雾化喷枪, 就不但能很好地脱水, 且具有精除尘作用(见附图3)。国内有30多家钢厂、 有些设计院都选用的该技术: 某钢厂在40吨转炉的湿旋脱水器中增加一只喷枪, 8毫米厚的旋流板很快粘灰到40毫米后脱落; 烟囱排放烟气中的蒸汽量明显减少; 风机电流降低; 维修周期延长了4倍; 还有一钢厂在120吨转炉中采用本技术, 在相同的冶炼炉数后测定风机叶轮的粘灰量, 采用喷枪的转炉恰好减少了50%。
这一改进简单易行, 效果显著, 当前正在不断推广。但有些钢厂在使用不同的喷枪, 或喷枪不及时维修更换时, 使用效果发生波动, 甚至恶化。从理论上分析: 对这种应用, 必须经过选择正确的喷嘴、 喷嘴参数, 并进行适当的控制调节, 保证喷嘴的喷雾颗粒足够细, 并有尽可能高的颗粒速度。否则喷雾不但不脱水, 还会增加烟气中的水量。

附图3 转炉湿法除尘脱水器

2．4高炉炉顶打水和煤气冷却
高炉炉顶打水的目的主要是在高炉冶炼不正常期、 炉顶温度高时保护炉顶设备。传统的高炉炉顶打水是用钢管或普通的水喷嘴, 降温没问题, 问题是打水时间长、 耗水量多、 打水时煤气湿度大; 高炉采用干法除尘时, 为了保护布袋安全, 被迫采用并联的金属管式换热器间接冷却煤气。近几年国内开始采用氮气雾化喷枪蒸发冷却系统改进炉顶打水, 主要效果是煤气冷却特别快, 仅几秒( 原来10-30分) 、 节水90%、 煤气无需其它冷却就能够直接进布袋。这种喷枪还能够兼做烧嘴使系统具有升温功能, 在高炉煤气低时能够进行燃烧升温后进布袋, 从而避免荒煤气的放散污染环镜、 浪费能源。
中国高炉在逐步推广干法冷却。采用布袋除尘器干法除尘时, 出口煤气的温度已经所选布袋的不同, 波动在110-200℃。较高温度的煤气能够直接利用, 而如果要进煤气柜储存, 就必须进一步冷却到70( 或50) ℃, 以适应煤气柜密封的要求。近年来国内从莱钢开始, 成功采用了蒸发冷却系统替代原来的饱和冷却, 使高炉煤气能够实现真正意义上的全干法。当前已经有多家钢厂采用。其优点是冷却可靠、 节水、 煤气含湿量低、 热值高, 不再用循环冷却系统。
2.5电炉除尘
国内外传统的电炉除尘几乎都是采用布袋除尘器干法除尘; 烟气冷却则以间接冷却( 水冷、 风冷) 为主, 辅以直接混风冷却。近年来主要的改进主要是在冷却方式上, 采用直接喷雾蒸发冷却替代传统的间接水冷和风冷。虽然水蒸发后会增加烟气量, 但由于减少了混风量, 系统处理的烟气量一般只要传统工艺的50%, 加之系统阻力大幅减少, 比采用传统工艺还是能够节省投资、 运行和维修费用。
采用蒸发冷却的另外一个优点是能够控制白烟和二恶英等强致癌物质。电炉炼钢原料中有含聚氯乙烯( PVC) 塑料和氯化油、 溶剂和盐的废钢, 在冶炼过程中会导致产生白烟或二恶英。特别是二恶英, 尽管只是微量, 但很难被一般的除尘设备去除, 稳定性强, 亲脂性高, 不能生物降解, 因而具有很高的环境滞留性, 无论在空气、 水, 还是土壤中, 它都能强烈的吸附在颗粒上, 一旦摄入不易排出, 随着时间累积逐渐增多, 最终导致致命的危害。采用蒸发冷却能够在数秒内将电炉烟气从800冷却到300℃, 阻止了二恶英的再生成。当前已经引起发达国家的高度重视; 中国当前虽然还没有相关的控制标准, 但国内有关研究单位正在进行检测方法和控制标准的研究。而做为钢厂和设计、 环保公司, 应该从我们自身和子孙后代健康出发, 推广应用能有效控制二恶英、 又简单易行的蒸发冷却技术。

2．5 烟气SO2/NOx控制与废水处理
在燃煤电厂锅炉烟气、 烧结/球团烟气和焦炉煤气; 以及大部分的有色冶炼过程中都涉及到SO2、 NOx的控制问题。国内外在这方面都进行了大量研究, 应用技术也日趋成熟。与喷嘴应用有关的很有意义的技术是把她们与废水处理相结合, 实现以废治废。实际上由于喷嘴设计制造和应用技术的进步, 当前上述用于蒸发冷却的喷嘴都有防堵塞的功能, 都能够用废水( 仅需要粗过滤) 。如前所述, 中国钢铁工业的平均新水消耗量达到发达国家的4倍, 成功采用以废治废就为许多钢厂实现污水的零排放提供的一个可选择的途径: 处理废水的同时节省了新水。
3． 低水熄焦
中国近几年来一直在引进推广干熄焦技术, 因为它环保、 节能。同时也需要注意的是: 干熄焦系统由于每年要有较长的设备检修时间要求、 而焦炉又不能停, 因此都需要配备备用的湿熄焦系统( 除非有备用的整套干熄焦系统) ; 另一方面, 根据德国的经验: 干熄焦的主要效益在发电, 在电力供应紧张、 电价高时, 会有明显的效益; 而当水电、 核电大量发展、 电价降低时, 干熄焦由于运行和维修费用高, 就会发生亏损。而且干熄焦的投资也高, 在中国推广还需要很长时间, 因此必须依然在低水湿熄焦技术给以足够关注。
德国应用较多、 中国太钢等厂已经和准备引进的稳定熄焦(CSQ)法取得了很好的效果, 在焦碳水份降低、 强度提高和稳定的同时, 总粉尘量、 细粉尘量、 SO2、 CO和废水处理方面都取得了良好的效果。
近几年, 杭钢、 上海焦化、 三钢、 湘潭等国内30多家焦化厂则采用了美国喷雾公司的大流量喷嘴低水熄焦技术用于改造现有的湿熄焦, 取得了焦碳水份低、 稳定; 强度有所提高的同时, 排放的粉尘和蒸汽量显著减少, 具有明显的环保和节水效果。该技术的最大特点是投入特别少、 改造过程不影响生产。
4． 无水喷雾除尘
传统的除尘多是捕集、 管道、 布袋除尘器( 电除尘器) 、 风机、 烟囱, 只要设计、 制造和维护得好, 除尘效果是没问题的。主要存在的问题: 一是有些场合比如大型原料场、 渣处理场、 火车卸料等, 由于空间大或粉尘发生点不固定, 无法有效地采用传统的除尘工艺; 二是对于多个皮袋转运站、 转炉/电炉二次烟尘、 高炉出铁场除尘等, 除尘风机功率小了捕捉率低, 有的厂仅60%; 风机功率高则运行费用太高, 因此很多厂没治理或不连续使用。
近年来, 国外开始陆续采用无水喷雾除尘技术。所谓无水是指没有机械水, 但喷的依然是水, 形成的是雾。很多用户刚一听喷水雾除尘马上会担心弄湿原料、 设备, 引起安全问题, 而无水恰好是喷雾除尘的关键, 也是很多用户采用这一技术失败的原因: 根据美国和巴西有关单位的研究结果: 喷嘴的喷雾颗粒必须足够细, 与要去除的粉尘颗粒达到一临近比例, 喷水才有除尘效果, 也就不会有机械水; 否则就会有机械水, 同时没有任何除尘效果。国外在这方面已经取得了较普遍的应用。国内在港口、 烧结、 焦化、 转炉、 混铁炉、 钢渣处理方面也有成功的应用示例。对于高温应用场合, 喷水雾要首先降温后才有除尘效果; 除必须特别主要喷雾颗粒( 包括喷嘴类型、 操作参数选择) 外, 还必须注意喷嘴合理布置、 水量要足够、 适当。
5．蒸汽消音和冷凝
蒸汽在放散时会产生很大的超标噪音。在控制噪音方面也有许多可选择的技术。中国技术人员成功采用了喷嘴消音法, 将蒸汽经过一种特殊的喷嘴伸入到一定深度的水面下, 经过喷嘴和水均匀吸收蒸汽的能量, 能够很简单容易地解决放散产生的躁音, 同时能够将蒸汽100%吸收为水, 具有节水效果。
众所周知, 水蒸发成蒸汽要大量吸热( 2257KJ/kg) 、 体积要膨胀约1200倍。连铸二次冷却、 高炉水冲渣都会产量大量蒸汽, 有时还夹带粉尘。所谓蒸汽冷凝, 就是利用喷水雾蒸发吸收蒸汽中的热, 使蒸汽冷凝成水。这样不但有节水、 除尘效果, 对西、 北方钢厂冬季二冷蒸汽量大排不净时, 能够很容易地解决蒸汽影响操作问题。

6. 转炉氧枪口氮封改进
转炉吹氧时, 一次烟气会从不能封闭的氧枪口大量外溢, 传统的多是采用氮封的方法, 一般密封效果还是能够的。问题是氮气消耗量很大, 比如某厂50吨转炉氮封用氮气量达1500Nm3/h, 能耗高; 有的厂没有氮封或密封效果不好。福建三钢成功开发了蒸汽密封, 设计、 控制得当, 密封效果应该是没问题的。但据有的钢厂反映: 如果蒸汽量控制不当, 过多的蒸汽就会变成水顺着氧枪往下流, 使操作人员不容易判断是否是氧枪漏水。
当前正在进行的改进是用氮气或蒸汽雾化水雾密封, 能够大幅减少氮气量或利用蒸汽, 而且水雾在密封的同时能够直接起到除尘作用。
结束语
综上所述有关国内外喷嘴喷雾技术在冶金环保中的应用, 可否得出以下结论:
1） 中国环保烟气粉尘排放控制标准是世界先进水平的10倍, 而且还有许多厂达不到; 吨钢新水、 能源平均消耗是世界先进水平的4倍, 要做钢铁强国就必须迅速缩小这些差距。
2） 喷嘴喷雾技术对缩小这些差距具有显著的影响, 因此我们在主体工艺设备现代化的同时必须对此给予足够重视, 采用有效措施干超世界先进水平, 以免因小失大。

附表1 喷嘴在冶金环保中的常见应用
序号
项目名称
应用类型
备注
炼铁高炉
1
高炉煤气柜前蒸发冷却系统
冷却
从110-200℃冷却到50℃
2
炉顶打水冷却( 可带升温功能)
冷却
从350℃以上冷却到250℃
3
重力除尘器内的煤气冷却系统
冷却
替代金属管式换热器
4
出铁沟喷雾除尘系统
除尘
无水喷雾除尘
6
皮带转运点喷雾除尘
除尘
无水喷雾除尘
7
大型料场的喷雾加湿抑尘
除尘
无水喷雾除尘
8
水冲渣蒸汽的喷雾冷凝
冷凝
无水喷雾除尘和节水
焦化
1
窒息式低水熄焦系统
其它
熄焦
2
煤气冷却和调质
其它
用焦化废水
3
喷雾除尘
除尘
无水喷雾除尘　
炼钢转炉

1
湿法除尘脱水、 精除尘系统
其它
湿法脱水器改造, 脱水、 精除尘
2
一文、 二文、 脱水器喷嘴
冷却
OG系统喷嘴更新换代和改进
2
半干式喷雾冷却系统
冷却
一次除尘改造
3
干式蒸发冷却系统
冷却
一次除尘改造
4
二次烟气喷雾除尘系统
除尘
无水喷雾除尘
5
混铁炉烟气喷雾除尘系统
除尘
无水喷雾除尘
6
拆钢包中间包喷雾除尘系统
除尘
无水喷雾除尘
7
渣场粉尘喷雾系统
除尘
无水喷雾除尘
8
放散蒸汽的冷凝回收和消音
其它
消音和节水
9
氧枪口、 下料口氮封系统
其它
节省氮气
炼钢电炉

1
削峰补充蒸发冷却系统
冷却
现有系统改进、 确保冷却
2
干式蒸发冷却系统
冷却
替代水冷烟道、 风冷器和混风
3
二次烟气喷雾除尘系统
除尘
无水喷雾除尘
轧钢
1
热轧机喷雾除尘系统
除尘
无水喷雾除尘
2
冷轧酸洗、 碱洗再生系统
冷却
酸、 碱废水处理和回收