國內沖天爐及除塵技術的發展

劉新江，蘇見波

（機械工業第六設計研究院，河南鄭州 450007）

國內沖天爐及除塵技術的發展

劉新江，蘇見波

（機械工業第六設計研究院，河南鄭州 450007）

介紹了沖天爐爐型及熔煉技術的發展、現況及趨勢，除塵系統的應用、現況及發展。指出了沖天爐向大容量、長爐齡、自動化發展的必然趨勢和除塵環保需要解決的問題。

鑄鐵熔煉；沖天爐；除塵技術

鑄造行業作為裝備制造業的基礎行業之一，改革開放以來取得了長足的發展，從2000年開始，我國鑄件產量就一直位居世界首位。沖天爐作為鑄鐵熔煉的首要設備延續到今天，在全國范圍內仍然擔負著60%左右鑄鐵件的熔煉任務（主要原因是2008年之前所上項目沖天爐比重較大）。因此，沖天爐熔煉技術直接關系著鑄件的內在質量和表面質量；沖天爐除塵系統的排放濃度以及可靠程度又直接關系到鑄造企業能否生存的頭等大事。沖天爐按燃料可分為焦炭爐、煤粉爐、燃油（氣）爐，國內由于受各種條件限制，其絕大多數為焦炭沖天爐。本文試圖就國內焦炭沖天爐及除塵技術的發展歷史和使用現況，探討未來其技術發展方向。

1 沖天爐熔煉技術的發展及現況

1.1 爐型的研究

對沖天爐爐形的研究國內始于上世紀60～70年代。早在50年代，國內使用的沖天爐一般均采用原蘇聯的技術，大多數為三排風口直線爐膛沖天爐。隨著技術的發展，國外提出了沖天爐焦炭燃燒由于爐子斷面阻力和壓力的不同，大量氣體將沿著爐壁急速上排，以至造成熔化帶四周上升，中間下降，呈現凹形斷面，直接影響鐵液溫度和質量。這一理論被稱為“爐壁效應”理論，大量試驗證實其理論是正確的。爐壁效應對沖天爐燃燒氣氛、出鐵溫度影響很大，特別對于使用劣質焦炭的沖天爐，經常造成爐壁燒穿，中間冷料直接進入爐缸的現象，甚至出現出爐鐵液不能澆注等嚴重事故。在此情況下，中小型沖天爐采用曲線爐膛的技術得到了普及。

20世紀60～70年代，國內工業雖然受到了“文革”的沖擊，但也已開始出現了發展跡象，而所有機械工業的發展基本都離不開鑄造，與國民生活息息相關的汽車、拖拉機、機床、石油機械等最基礎、最重要的零部件均是鑄鐵件。恰在當時，鑄造所需原材料，特別是焦炭嚴重供應不足，為此許多鑄造廠為了滿足生產要求，只能用當地土焦化鐵維持沖天爐的正常生產，鐵液溫度無法保證，甚至出現凍爐現象。為了解決鐵液溫度問題，當時許多高校、研究所以及工廠進行了大量的試驗和研究，推出了多排小風口曲線爐膛沖天爐，風口比大約在1%～2%左右。雖然此爐型存在著明顯不足，但對于冷熱強度均較低、固定碳含量＜75%的焦炭來說也是一種不得已而為之的方法。需要說明的是，此技術為了追求鐵液溫度和所謂的焦鐵比指標，以不惜加大送風量造成沖天爐嚴重的氧化氣氛而導致大量的元素燒損。

進入20世紀80年代初期，國內改革開放政策帶來工業大發展的機遇。此時，為了克服當時沖天爐出現的熔煉問題，沈陽鑄造所聯合東南大學和機械部六院三家單位開展了沖天爐爐型的重新研究。針對國內供應的焦炭其固定碳已＞80%的情況，在原來多排和三排風口沖天爐的基礎上，經過多次試驗，取得了大量數據，提出了“沖天爐內雙層燃燒，不但可提高鐵液溫度，也可降低元素燒損”的理論，并先后推出了兩排大間距風口曲線爐膛3～10t/h沖天爐系列。此項技術在當時獲得了機械部科技二等獎，并在國內外的鑄造界引起較大的轟動。至90年代末期，我國沖天爐設備已成功實現了規格化、系列化、商品化的專業生產，并開始應用預熱送風、富氧送風與脫濕送風技術。與此同時，沖天爐加料系統機械化、監控檢測技術自動化水平有了突飛猛進的發展。

進入21世紀，焦炭價格不斷升高，沖天爐熔煉鐵液的成本也越來越高。而國家對環保的要求越來越嚴格，沖天爐面臨的主要問題就是環保問題，即噪聲和含有有害氣體及大量粉塵的高溫煙氣的治理，特別是粉塵，排放量大、危害大、治理困難，在很多地方因粉塵、廢氣排放難以達標而受到限制。隨著我國電力工業的大發展，中頻感應電爐得到了廣泛應用，對沖天爐的應用造成了很大沖擊，但對某些特殊的行業，沖天爐作為鑄鐵熔煉設備依然為首選，特別是水冷薄爐襯連續熔煉沖天爐在國內有了一定的發展。

1.2 目前國內沖天爐爐型現況

隨著工業技術的不斷發展，我國鑄鐵熔煉技術水平也在不斷提高，我國已擁有先進工業國家鑄鐵熔煉爐的各種主要類型，某些經濟技術指標已跨入世界先進行列。目前，我國大多數工廠應用的沖天爐類型主要是兩排大間距沖天爐（或“新三化”系列）、熱風沖天爐和熱風水冷無爐襯沖天爐。尚有一些工廠還在應用的多排小風口沖天爐、卡腰式三節爐和中央送風沖天爐，隨著我國焦炭質量的提高及節能減排和行業準入的要求，后三種爐型的應用正逐步減少或被替代。

1.3 沖天爐爐型的發展前景及展望

近年來，由于鑄造生產向專業化、大流水化生產發展，機械化自動化程度不斷提高，使沖天爐向“大型化、熱風水冷無爐襯、連續出鐵液”的方向發展。與節約能源、減少環境污染和提高鐵液質量緊密聯系在一起，形成爐體、熱風、除塵為一體的綜合熔煉系統，體現了現代沖天爐的模式。

隨著國內大規模專業化生產的推進，山東濰柴集團新引進美國EC&S公司的35t/h熱風沖天爐于2007年6月18日開始正式投產，熔化能力實際達到38t～45t，日化鐵量達到300t以上。有理由相信，將來國內所使用的沖天爐一定是大型的、可長期連續生產的水冷薄爐襯沖天爐。而水冷沖天爐由于其風口較多的深入爐內，因此也不存在爐壁效應、曲線爐膛、風口排數等問題，水冷單排風口、直線爐膛也將是長期連續生產的水冷沖天爐主要爐型特點。

2 沖天爐除塵技術的發展

2.1 沖天爐除塵問題的提出

國內沖天爐除塵系統的發展始于20世紀70年代中期，起因是城市環境保護日益得到更多的關注，而鑄造廠（車間）是機械類工廠中對環境影響最大的生產點，沖天爐又是鑄造車間環境污染的最為嚴重的設備。因此，國內機械工業的環境治理把沖天爐除塵作為了工作重點。

20世紀70年代以前，國內沖天爐只是在煙囪上安裝火花捕集器以收集生產產生的煙塵，達到凈化煙氣的作用。火花捕集器僅僅能沉降較大顆粒的粉塵，而對人體危害最大的小顆粒粉塵幾乎不起任何作用。因此，從開始重視環境保護，火花捕集器就沒有被列為沖天爐除塵系統的專用設備。70年代，國內開始著手對沖天爐進行機械強制通風除塵技術的研究和應用，到了80年代初，幾種沖天爐除塵技術首先在上海地區進行了大力推廣和應用。

2.2 沖天爐機械通風除塵系統方式及特點

通過調查發現，沖天爐機械通風除塵系統在國內大致有以下5種形式：①顆粒層除塵器；②高效旋風除塵器；③高壓靜電除塵器；④濕法除塵器；⑤多管水冷除塵器加布袋除塵器。從表1可明顯看出幾種除塵技術各自的特點和發展潛力。

表1 沖天爐各類除塵系統特點

2.3 國內沖天爐除塵技術使用現狀

在20世紀90年代后期，筆者曾經對國內幾個大城市中的沖天爐除塵系統使用情況做了調查研究，最近幾年也在注意國內沖天爐除塵設備的應用。但總體看來，形勢不容樂觀。國內雖然在環保方面制定了嚴厲的法規，但沖天爐機械除塵設備的安裝率不足80%，而安裝的除塵設備也并未全部投入使用，有人估計使用率不足70%。這一方面是受利益的驅使，另一方面是除塵設備的配套問題和設備本身存在的問題，也使得用戶有力投資，無力管理。

隨著綜合國力的增強，各級政府已加大了環境治理的力度。還我藍天白云，已成了廣大市民的強烈要求和渴望。進入21世紀后，北京、上海、沈陽、武漢等大中城市市區的鑄造廠已陸續關閉搬遷。這方面的情況應引起鑄造工廠（車間）密切注意，否則，將會給生產安排帶來不必要的麻煩，并且可能給企業帶來重大的經濟損失。

2.4 沖天爐除塵排放標準

1996年，我國發布了最新的沖天爐煙塵排放標準，詳見GB9078－1996《工業爐窯大氣污染物排放標準》的規定。值得注意的是，標準要求1997年7月1日以前的沖天爐煙塵排放濃度，一類地區＜150mg/m3，二類地區＜200mg/m3，三類地區＜300mg/m3；而1997年7月1日以后安裝的沖天爐，一類地區禁排，二類地區＜150mg/m3，三類地區＜200mg/m3。從上面的數據可以看出，除特殊工業區（三類地區，例如鋼鐵公司所在地）外，其余最大的排放濃度要求均小于150mg/m3，這與以前套用的鍋爐標準相比要嚴厲得多。最近幾年國家有關部門對環境保護和治理提出了更高的標準，要求新建沖天爐的粉塵排放濃度低于50mg/m3，改建沖天爐的粉塵排放濃度低于100mg/m3，爐氣黑度小于林格曼黑度1級。目前，年產低于2000t鑄件的小型鑄造廠如果不能解決沖天爐的粉塵污染問題，將面臨被環保部門強行關閉的危險。

2.5 沖天爐除塵設備選擇注意事項

要滿足GB9078－1996《工業爐窯大氣污染物排放標準》要求，在沒有新技術出現之前，采用多管水冷除塵器或強制風冷器加布袋除塵器系統是比較可靠的沖天爐除塵系統形式。但這一除塵系統所需設備目前尚未有標準化產品供應，因此在沖天爐除塵系統設計和設備選擇時應重點從以下方面考慮。

（1）除塵器布袋的品質

濾料的品質選擇決定了除塵器的運行阻力和運行費用、投資費用，直接影響煙塵的排放濃度。

濾料的選用應按生產工藝的要求、含塵氣體及粉塵的理化特性、所配除塵器的清灰型式來分析選用。主要考慮因素為達到用戶要求的排放濃度、使用壽命、技術經濟合理。

（2）減少煙氣外溢

收煙口位置及抽風量要使火花捕集器內形成負壓，確保在沖天爐加料口和火花捕集器頂部既不會冒煙，又節約風機的動力消耗；改進除塵器，提升剛性氣閥為柔性氣閥，增加其氣密性，減少清灰用的壓縮空氣的耗量。

（3）高溫煙氣的冷卻

煙氣溫度控制直接影響密閉罩及除塵系統的吸煙效果、爐內微負壓的形成和布袋的壽命。

保證冷卻器出口煙氣溫度低于120℃。

（4）余熱利用技術

充分利用冷卻器熱能，通過水－水換熱器供給有用的生活用水，既節約加熱用的燃料，又減少了大氣污染物的排放和熱污染。

（5）沖天爐除塵系統工藝流程（圖1）

3 結論

近年來，我國的沖天爐技術緊跟機械制造業的發展，以節能降耗、優質高效、安全環保為目標取得了很大的進步，沖天爐也已走上大容量、長爐齡、外熱風的發展之路。目前小容量、短爐齡、常溫送風的兩排大間距沖天爐正處于向外熱風、長爐齡、大容量的水冷薄爐襯的沖天爐轉型。而沖天爐除塵系統設備目前尚未有標準化的設備供應，加上設備可靠性差，因此出現了一些工廠既是上了沖天爐除塵系統也難以使用，造成大量的資金浪費和繼續污染的情況。

筆者建議：①沖天爐生產廠應根據國家標準允許的排放指標，按沖天爐熔化率要求配套供應成套的除塵設備。未配套除塵系統的沖天爐或除塵系統配套不合要求的沖天爐不能出廠；②對未安裝除塵系統或已安裝除塵系統但沒有正常使用的沖天爐必須強行關閉；③隨著沖天爐大容量化的發展，其煙氣量也越大，對環境的影響也越大，從保護環境和資源循環利用的目的出發，應加大力度研究大容量沖天爐的煙氣凈化、粉塵、CO2及爐渣的無害化操作和回收利用。

[1]GB9078－1996《工業爐窯大氣污染物排放標準》[S].

[2]GB8959－2007.鑄造防塵技術規程[S].

[3]劉筑雄，張家平，宋高舉.鑄造防塵技術規程指南[M].北京：機械工業出版社，2008,9.

[4]郭雙鎖.我國沖天爐熔化的現狀與改進方向[C].首屆全國現代鑄造裝備與技術交流大會論文集，2010.8:123－125.

[5]宋強,宋曉剛,景剛.沖天爐的節能與環保[J].鑄造設備研究，2004，（6）：1－5.

[6]張儉來,張明.小型鑄造廠的沖天爐熔煉問題[J].中國鑄造裝備與技術,2007,(2):6－7.

Development of Domestic Cupola and Dust Removal Technology

LIU XinJiang,SU JianBo
(No.6 Institute of Project&Research of Machinery Industry,Zhengzhou 450007,Henan China)

The cupola furnace and smelting technology development,current status and trend,the application of dust removal system,current status and development have been introduced.It has been pointed out that the cupola development trend would be large capacity,long service life and automatation,with some problems of the dust removal technology needed to be resolved.

Iron smelting;Cupola;Dust Removal Technology

TG232.1;

A；

1006－9658（2012）03－0048-4

2011－12－12

稿件編號：2011－169

劉新江（1954-），男，研究員級高工，主要從事鑄造工廠（車間）的工程咨詢、工程設計工作