鋼鐵窯爐煙塵細(xì)顆粒物超低排放技術(shù)與裝備

姚群，柳靜獻(xiàn)，蔣靖坤

（1.中鋼集團(tuán)天澄環(huán)保科技股份有限公司，武漢 430205；2.東北大學(xué)，沈陽 110004；3.清華大學(xué)，北京 100084）

1 概述

我國(guó)鋼鐵年產(chǎn)量8億噸，世界排名第一。鋼鐵行業(yè)是產(chǎn)生PM2.5細(xì)顆粒物的重點(diǎn)行業(yè)，企業(yè)粉塵排放普遍超標(biāo)，成為制約行業(yè)發(fā)展的突出性問題和短板[1]。目前，京津冀及周邊地區(qū)“2+26”城市鋼鐵行業(yè)已執(zhí)行大氣污染物特別排放限值，部分省市已開始實(shí)行超低排放，要求顆粒物排放濃度低于10mg/m3，這意味著鋼鐵企業(yè)均面臨著環(huán)保提標(biāo)改造問題，迫切需要PM2.5細(xì)顆粒物高效控制技術(shù)和凈化裝置，并構(gòu)成重大市場(chǎng)需求。

我國(guó)目前尚缺乏針對(duì)PM2.5細(xì)粒子高效控制技術(shù)及高效過濾材料和凈化裝置，在此背景下，“十二五”期間，國(guó)家科技部設(shè)立了國(guó)家“863”鋼鐵窯爐煙塵PM2.5控制技術(shù)與裝備課題，經(jīng)過五年的科技攻關(guān)，窯爐煙氣細(xì)顆粒物超低排放技術(shù)和應(yīng)用上取得重大突破，研究成果得到了工業(yè)應(yīng)用快速轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，示范工程投運(yùn)三年表明，所研發(fā)的預(yù)荷電袋濾技術(shù)和裝置性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，顆粒物排放濃度＜10mg/m3、設(shè)備阻力700～950Pa、運(yùn)行能耗降低40%，實(shí)現(xiàn)了超低排放和節(jié)能運(yùn)行。鑒定專家認(rèn)為，該成果在預(yù)荷電袋過濾器、超細(xì)面層精細(xì)濾料等方面取得了創(chuàng)新突破，核心技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。該成果榮獲2017年度“環(huán)保部環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)”。

2 研究?jī)?nèi)容與成果

與非鋼行業(yè)的工業(yè)煙氣相比，鋼鐵窯爐煙塵具有粒徑超細(xì)、溫度高、煙氣量大、腐蝕性強(qiáng)和工況劇烈波動(dòng)等鮮明特征，治理難度較大。傳統(tǒng)的袋式除塵技術(shù)、裝備和材料難以實(shí)現(xiàn)PM2.5超細(xì)粒子的高效捕集和超低排放。課題重點(diǎn)在強(qiáng)化PM2.5捕集的預(yù)荷電技術(shù)、超細(xì)面層精細(xì)過濾材料、預(yù)荷電袋濾器、工業(yè)煙道PM2.5工況測(cè)試和示范工程等方面開展了研發(fā)，并取得了創(chuàng)新突破。

2.1 粉塵預(yù)荷電技術(shù)與裝置

粉塵預(yù)荷電是強(qiáng)化細(xì)顆粒物高效捕集的核心技術(shù)[2]。利用電場(chǎng)放電技術(shù)促使細(xì)微粒子荷電，荷電后的粉塵在濾袋表面形成疏松多孔海綿狀的粉餅，細(xì)顆粒物也明顯團(tuán)聚呈蘑菇狀，氣體過濾時(shí)，這種特殊的粉餅結(jié)構(gòu)可提高細(xì)微粒子的篩分、擴(kuò)散、靜電等效應(yīng)，從而提高捕集效率，同時(shí)由于粉餅的透氣性好，可降低過濾阻力。粉餅預(yù)荷電對(duì)比實(shí)驗(yàn)見圖1。

圖1 粉塵預(yù)荷電粉餅結(jié)構(gòu)對(duì)比

開展粉塵預(yù)荷電過濾性能實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明，同等條件下，粉塵荷電后捕集效率可提高15%～20%，過濾阻力可下降20%～30%（見圖2）。

圖2 粉塵預(yù)荷電過濾性能對(duì)比試驗(yàn)

通過研發(fā)，確立了預(yù)荷電裝置的結(jié)構(gòu)、板線配置、供電方式和設(shè)計(jì)參數(shù)等，完成了工業(yè)裝置制造（圖3），并實(shí)現(xiàn)了工程示范和應(yīng)用。預(yù)荷電裝置體積小，荷電效果好，安裝在袋式除塵器入口。

圖3 粉塵預(yù)荷電裝置

2.2 PM2.5超細(xì)面層精細(xì)濾料

過濾材料是袋式除塵的核心部件，直接關(guān)系著袋式除塵的捕集效率和排放濃度。常規(guī)濾料無法高效捕集PM2.5細(xì)微粒子，難以滿足超低排放的要求。

研究表明，過濾材料的纖維直徑越細(xì)，單位體積中的纖維越多，孔徑越小孔越密，對(duì)細(xì)微粉塵的捕集能力越高，濾料阻力越低。因此，欲提高PM2.5細(xì)顆粒物捕集效率，其核心在于研發(fā)超細(xì)纖維，即海島纖維，并增加濾料接塵面的致密度。

“海島纖維”超細(xì)纖維（見圖4），其直徑小于0.08旦，纖維直徑是普通纖維的1/26；在此基礎(chǔ)上完成了超細(xì)高密面層三維梯度濾料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（見圖5），研制了基于海島纖維為面層的表面超細(xì)梯度濾料（見圖6），使其具有表面過濾功能；攻克了不同纖維混紡時(shí)的可紡性難題，研制出濾料產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。

圖4 海島纖維

圖5 超細(xì)面層精細(xì)濾料結(jié)構(gòu)

圖6 超細(xì)面層精細(xì)濾料

對(duì)海島纖維超細(xì)面層濾料進(jìn)行了性能測(cè)試[3]，測(cè)試表明，濾料經(jīng)向強(qiáng)度為1378N，緯向強(qiáng)度為1414N；對(duì)清潔濾料分級(jí)效率進(jìn)行測(cè)試（見圖7），PM2.5的捕集率達(dá)96.9%；將海島濾料與常規(guī)濾料在同樣條件下進(jìn)行對(duì)比測(cè)試（見圖8），可以看出，常規(guī)濾料對(duì)2.5μm粒子捕集計(jì)數(shù)效率在80%左右，而海島濾料在96.9%以上，海島濾料效率比常規(guī)濾料高出16%。

圖7 海島纖維濾料分級(jí)效率

圖8 海島濾料與常規(guī)濾料過濾性能比較

2.3 復(fù)合式預(yù)荷電袋過濾器

該項(xiàng)成果實(shí)質(zhì)上是將預(yù)荷電技術(shù)、超細(xì)面層精細(xì)過濾材料、袋式除塵器、氣流分布技和清灰技術(shù)等有機(jī)組合，并形成一體化裝置[2]。針對(duì)傳統(tǒng)除塵器存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行阻力高、閥門故障多、漏風(fēng)率較高等問題，對(duì)傳統(tǒng)袋式除塵器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新改造，研制了直通均流式袋式除塵器新型結(jié)構(gòu)（見圖9），其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、流程短、流動(dòng)阻力低、濾袋壽命長(zhǎng)等。運(yùn)行能耗可降低40%，故障率下降70%。

粉塵預(yù)荷電裝置體積較小，可設(shè)置于除塵器喇叭口內(nèi)，從而減小設(shè)備占地和體積。傳統(tǒng)的袋式除塵器是單排濾袋強(qiáng)力噴吹的清灰方式，清灰強(qiáng)度缺乏調(diào)節(jié)，往往因清灰過度，導(dǎo)致細(xì)粒子穿透濾袋而逃逸，從而降低了PM2.5捕集效率，同時(shí)濾袋表面粉餅過度破碎，也不利于粉塵沉降，濾袋壽命也有所降低。為此，發(fā)明了一種全新的“一閥多噴”清灰裝置，較好地解決了噴吹強(qiáng)度的調(diào)節(jié)問題。

圖9 預(yù)荷電袋濾器外形圖

2.4 煙道PM2.5工況測(cè)試技術(shù)與裝置

工業(yè)煙道PM2.5細(xì)顆粒物工況測(cè)試包括煙道含塵濃度、煙塵采樣、粉塵粒徑分布等測(cè)試內(nèi)容，主要用于除塵裝置捕集總效率、分級(jí)效率和PM2.5排放量的計(jì)算。由于PM2.5測(cè)試的特殊性和難度，目前我國(guó)尚缺乏工業(yè)煙道PM2.5細(xì)粒子工況測(cè)試儀器、手段和方法，不同的操作人員用不同的儀器會(huì)得出不同的測(cè)試結(jié)果。

為此，在評(píng)估了國(guó)內(nèi)外已有固定源煙氣細(xì)顆粒物采樣方法和儀器的基礎(chǔ)上，通過比選，提出適合國(guó)情的超細(xì)粒子（<2.5μm）粒徑分布測(cè)定、采樣方法和采樣器結(jié)構(gòu)，研制了PM10/PM2.5雙極虛擬撞擊采樣器[4]（見圖10），完成了標(biāo)定和修正。規(guī)范了固定源煙氣細(xì)顆粒物的濃度、捕集效率和分級(jí)效率的測(cè)試和計(jì)算方法，開展了示范工程PM10/PM2.5效率測(cè)試（見表1）和除塵器進(jìn)口煙道粉塵粒徑分布測(cè)試（見圖11），實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用。

圖10 雙極虛擬撞擊采樣器

表1 預(yù)荷電袋過濾器PM2.5/PM10/總效率測(cè)試結(jié)果

圖11 除塵器進(jìn)口粉塵粒徑分布

3 示范工程與工業(yè)應(yīng)用

研究成果得到了工業(yè)應(yīng)用快速轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。2014年12月在鞍鋼煉鋼總廠2臺(tái)180t轉(zhuǎn)爐煙氣凈化項(xiàng)目上建成示范工程，處理風(fēng)量為2×60萬m3/h。示范工程投運(yùn)三年來，裝置運(yùn)行可靠，性能穩(wěn)定，經(jīng)第三方等機(jī)構(gòu)多次測(cè)試，顆粒物排放濃度4～9mg/m3，PM2.5捕集效率＞99%，設(shè)備阻力700～950Pa，與傳統(tǒng)袋式除塵器相比，運(yùn)行能耗降低40%，實(shí)現(xiàn)了超低排放和節(jié)能運(yùn)行。目前，該“863”新成果為鋼鐵企業(yè)提標(biāo)改造提供了技術(shù)和裝備的支持，鞍鋼、山東日照鋼鐵（見圖12）、新余鋼鐵、方大特鋼、河鋼等均采用了該項(xiàng)技術(shù)，并給予了充分肯定和高度評(píng)價(jià)。

圖12 預(yù)荷電袋濾器工程應(yīng)用

4 環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

4.1 推動(dòng)我國(guó)PM2.5控制技術(shù)進(jìn)步

預(yù)荷電袋過濾技術(shù)裝置、超細(xì)面層濾料和PM2.5工況測(cè)試技術(shù)是控制煙氣細(xì)顆粒物的有效手段，是國(guó)家倡導(dǎo)的具有原始自主創(chuàng)新的技術(shù)和裝備，該技術(shù)和裝備具有對(duì)鋼鐵行業(yè)窯爐煙氣中細(xì)顆粒物捕集效率高、節(jié)能顯著、運(yùn)行穩(wěn)定和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)了我國(guó)大氣污染控制的技術(shù)進(jìn)步，提升了我國(guó)PM2.5控制技術(shù)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

4.2 解決鋼鐵行業(yè)的突出問題，環(huán)境效益顯著

鋼鐵行業(yè)執(zhí)行特別排放和超低排放是形勢(shì)所迫，是目前普遍存在的突出問題，該成果可為企業(yè)提供一種技術(shù)先進(jìn)、節(jié)能顯著、運(yùn)行穩(wěn)定的技術(shù)裝備，及時(shí)滿足了企業(yè)提標(biāo)改造的市場(chǎng)需求。成果的應(yīng)用將使顆粒物排放濃度從當(dāng)前的30～40mg/m3下降至10mg/m3以下，PM2.5排放總量削減約75%，運(yùn)行能耗降低40%以上，環(huán)保和節(jié)能效益顯著。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益顯著，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

將預(yù)荷電袋過濾技術(shù)與傳統(tǒng)袋式除塵器進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較（處理風(fēng)量均按60萬m3/h考慮），對(duì)比結(jié)果見表2。

表2 兩種技術(shù)方案的綜合比較

可見，預(yù)荷電袋濾器的排放濃度遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，運(yùn)行能耗比常規(guī)傳統(tǒng)除塵器相比降低54%，除塵設(shè)備每年節(jié)約電費(fèi)137.08元/a，經(jīng)濟(jì)效益顯著，3年可收回投資。

該成果不僅用于鋼鐵行業(yè)，也可用于有色、水泥、機(jī)械、化工等行業(yè)，預(yù)計(jì)鋼鐵行業(yè)對(duì)細(xì)顆粒物除塵裝備的需求約40億元/a，全國(guó)非電行業(yè)的需求超過100億元/a，已構(gòu)成重大市場(chǎng)需求，市場(chǎng)前景十分廣闊，將帶動(dòng)袋式除塵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

5 結(jié)論

（1）研發(fā)的預(yù)荷電袋過濾技術(shù)可有效去除煙氣中PM2.5細(xì)顆粒物，排放濃度<10mg/m3，可實(shí)現(xiàn)超低排放，是技術(shù)發(fā)展方向，適用于新建環(huán)保項(xiàng)目和環(huán)保提標(biāo)改造。

（2）粉塵預(yù)荷電后袋式除塵器運(yùn)行阻力700～950 Pa，比傳統(tǒng)袋式除塵器阻力下降40%以上，節(jié)能顯著。

（3）粉塵預(yù)荷電裝置體積小、造價(jià)低、安裝方便、便于實(shí)施。

（4）基于“海島纖維”超細(xì)纖維的超細(xì)面層精細(xì)過濾材料，可顯著提高煙氣中PM2.5捕集效率，將成為濾料的主流產(chǎn)品，應(yīng)用前景廣闊。

（5）示范工程三年來成功運(yùn)行，驗(yàn)證了“863”成果的先進(jìn)性和實(shí)用性，為企業(yè)執(zhí)行特別排放和超低排放提供了成功案例。

[1] 姚群.冶金行業(yè)顆粒物控制新技術(shù)與應(yīng)用[R].鋼鐵全流程大氣污染控制新技術(shù)與環(huán)保管理提升研討會(huì)論文集，2015.

[2] 姚群，等.鋼鐵窯爐煙塵PM2.5控制技術(shù)與裝備[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2016，42（1）：21-24.

[3] 柳靜獻(xiàn)，等.新型海島纖維實(shí)驗(yàn)研究[R].全國(guó)袋式除塵技術(shù)研討會(huì)論文集，2015.

[4] 蔣靖坤，等.基于虛擬撞擊原理的固定源PM10/PM2.5采樣器的研制[J].環(huán)境科 學(xué)，2014，35（10）：15-18.