高爐沖渣乏汽冷凝污染物減排實例研究

萬大陽，呂 鳳，邵 松

（洛陽瑞昌環境工程有限公司，河南471300）

0 引言

高爐煉鐵生產過程中，主要采用水力沖渣方式對融渣進行處理。由于融渣溫度較高，約1400 ℃，采用高速水流對其進行水淬粒化的過程中，沖渣水在短時間內急劇升溫氣化，形成沖渣乏汽。沖渣乏汽成分非常復雜，其中絕大部分是水蒸氣和空氣，但也含有大量的粉塵（主要是渣粒），SO2、H2S 等酸性氣和氣溶膠等。這些沖渣乏汽沿渣溝擴散或經渣溝收集煙囪排出到大氣環境中，遇冷會形成濃濃“白煙”，對環境造成嚴重污染。高爐沖渣乏汽具有工況不穩定，溫度和流量周期性變化，濕熱大，污染物含量大等特點，較難治理。

采用冷凝工藝對沖渣乏汽進行處理后再排放，能有效減少污染物排量。

1 項目概況

河北遷安某鋼A 鐵廠有一座660 m3高爐和一座1080 m3高爐，均采用底濾法沖渣。高爐煉鐵沖渣過程并不是一個穩定均勻的過程，而是一個波動且呈現周期性變化的過程。沖渣時長一般約為60～100 min/次，一個周期內沖渣乏汽溫度約為50～95℃，峰值溫度持續時間約15 min。

經過反復測量，該660 m3高爐沖渣乏汽約17 萬m3/h，90 ℃時工況下。沖渣乏汽顆粒物含量約168 mg/m3，二氧化硫含量未檢出，氮氧化物34 mg/m3。

1080 m3高爐沖渣乏汽量約 24 萬 m3/h（90 ℃時工況）。沖渣乏汽顆粒物含量約120 mg/m3，二氧化硫含量約22 mg/m3，氮氧化物含量約8 mg/m3。

2019 年1 月起開始對該兩座高爐沖渣乏汽進行冷凝減排改造，2019 年6 月項目完成，運行效果良好。改造完成后，達到以下排放標準：

（1）高爐沖渣水乏汽最大限度減少煙氣中含濕量，渣溝含濕量降低比例不低于50%。[1]

（2）顆粒物、二氧化硫最終排放濃度不高于10 mg/m3。

（3）環境溫度0 ℃以上，視覺基本無白煙（大霧、雨雪等極端天氣除外）。

2 工藝方案

本項目中高爐沖渣乏汽冷凝減排方案設計采用空冷除濕減排+熱干空氣混兌消白工藝路線。具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 高爐沖渣乏汽冷凝減排工藝流程圖

在渣溝和渣池上方架設高爐沖渣乏汽收集系統，將沖渣過程中產生的乏汽進行收集，通過乏汽引風機的作用，將收集到的乏汽送入絲網除沫器，先進行初步過濾，以降低乏汽攜帶的粉塵顆粒物含量。再用沖渣水對濕乏氣進行初步的噴淋沖洗，因為沖渣水基本呈堿性（PH 約8～9），中和一部分乏汽中的SO2等酸性物質。初步沖洗后的乏汽送入玻璃板式空冷除水器，和環境冷空氣進行間壁式換熱。乏汽溫度降低，產生大量冷凝水，冷凝水析出的同時會帶走乏汽中的可溶性鹽類等超細顆粒物，從而進一步起到減排污染物的作用。與此同時，環境冷空氣和濕乏氣進行間壁式換熱后成為熱干空氣。

降溫冷凝除濕后的濕乏氣，再經過除霧器的作用，去除小液滴后，與熱干空氣充分混合均勻，成為不飽和氣體，其相對不飽和度大大提高，這樣從煙囪排出后，遇冷就不易冷凝結露，不形成“白煙”。[2，3]

3 沖渣乏汽冷凝設備選型

高爐沖渣乏汽含有大量的酸性物質和水蒸氣，水蒸氣含量高達30～70%，遇冷極易形成冷凝水霧，會對金屬設備造成極嚴重的酸性腐蝕和氯離子腐蝕。

根據方案設計，在本項目改造過程中，與沖渣乏汽接觸的主要關鍵設備有乏汽引風機和空氣—乏汽冷凝器（換熱器）。

高爐沖渣水循環使用，其氯離子濃度極高，一般在1000 mg/l 左右，甚至更高。這就導致高爐乏汽冷凝水中的氯離子含量也相對較高，本項目中達97mg/l（見表2）。乏汽引風機在收集乏汽時，乏汽往往會攜帶有沖渣水滴，因此，乏汽風機葉輪和蝸殼應選用耐腐蝕性不低于316L 不銹鋼的材質，最好是2205 雙相不銹鋼級別。曾做過驗證，ND 鋼材質風機在該同類環境下使用不超過兩個月，即出現殼體腐蝕穿孔。

綜合性價比，該方案中空氣—乏汽冷凝器材質易選用非金屬材質。本項目中選用REGLASS 玻璃板式換熱器，采用特種耐熱玻璃材質，幾乎能抗除氫氟酸以外的所有酸性腐蝕。板式結構，采用大平板玻璃，平直通道，阻力小，流速高，不易積灰結垢。[4]結構緊湊，同樣體積下，換熱面積是管式結構的兩倍多。設計使用壽命不低于8 年。

同等結構條件下，非金屬換熱器傳熱性能比金屬略低，但其整體性能優異，性價比高，有其自身優勢，在電力行業煙氣冷凝再熱，工業爐煙氣余熱回收等領域已大量應用，相當成熟。[4]

4 項目運行效果

本項目在建成調試完成后，即投入運行。運行三個月后，委托當地第三方專業檢測機構，中環（唐山）環境檢測有限公司進行檢測。檢測主要結果見表1。

根據表1 中數據，可以得出：

（1）660 m3高爐和 1080 m3高爐乏汽含濕量降低比例分別為62.1%、67.3%，均大于50%，滿足設計標準。

排放乏汽含濕量降幅=（（改造裝置入口含濕度-出口含濕量）/入口含濕量）×100%[1]

表1 第三方檢測主要乏汽數據表

（2）660 m3高爐和 1080 m3高爐乏汽顆粒物排放值均低于5 mg/m3，滿足設計標準。

（3）項目投運后，高爐沖渣溝白煙基本消除；環境溫度0 ℃以上時，視覺白煙消除率達90%以上。消白效果如圖2 所示。該項目系統安全運行至今，效果穩定，完全滿足業主生產需求，獲得好評。

圖2 系統開啟前后“白煙”變化情況

5 冷凝減排分析

和許多工業現場測量一樣，受限于現場檢測條件如檢測孔位置不太理想，或不滿足測量孔前后直管段要求，或測量儀器精度、環境適配性等原因，工業現場測量數據往往會有一定偏差，不像實驗室獲得的數據那樣精準。為了進一步研究分析沖渣乏汽冷凝減排的實際效果，分別對該項目中A 鋼鐵公司兩套沖渣乏汽冷凝減排系統和唐山B 鋼鐵公司某460 m3高爐沖渣乏汽冷凝減排系統產生的冷凝水進行了取樣分析。冷凝水組份分析見表2。

A 鋼鐵公司和B 鋼鐵公司三座高爐沖渣乏汽冷凝減排系統的設計原理和主要核心設備均相同，差別主要存在于處理量和高爐生產負荷容量、高爐生產原材料、沖渣溝渣池布局長短、大小等的差異。由表2 可以看出：

（1）沖渣乏汽冷凝水主要呈酸性或中性（弱堿性），說明冷凝水中溶有一部分酸性物質，冷凝對乏汽中的酸性物質有一定減排效果。PH 值相差較大，可能主要和高爐生產使用礦石種類不同關系較大。

（2）沖渣乏汽冷凝水中含有懸浮物3～35 mg/l，主要是一些不溶于水的渣粒。懸浮物的多少，主要和渣粒粒徑大小，沖渣溝長短等因素有關。A 廠660 m3高爐和1080 m3高爐渣溝長度分別約為30 m 和 50 m，B 廠 460 m3高爐渣溝長度約 80 m，渣溝長度越長，渣粒越容易沉淀下來，故而B 廠460 m3高爐沖渣乏汽冷凝水懸浮物最少。

（3）沖渣乏汽冷凝水中含鹽量較大，638～982 mg/l。可凝結顆粒物（CPM）主要分為無機、有機兩大類，沖渣乏汽中的可溶性鹽類大多都屬于可凝結顆粒。這些顆粒粒徑較小，毒性強，在空氣中停留時間長，擴散遠，是當前重污染天氣頻發的成因之一[5]。若不進行乏汽冷凝處理，這些可凝結顆粒都會隨乏汽一起排入大氣環境中，對環境造成嚴重污染[6]。將這部分鹽類也歸到乏汽攜帶的顆粒物中，根據三套系統的冷凝水量和乏汽量對其進行折算，可間接得到乏汽冷凝對顆粒物的減排效果，如表3 所示。

表2 高爐沖渣乏汽冷凝水水質檢測

表3 沖渣乏汽冷凝工藝顆粒物減排量折算表

根據表3 可知，乏汽冷凝工藝對乏汽中顆粒物的減排作用是巨大的，其中可溶性顆粒物減排量達62.30～95.52 mg/m3。總的顆粒物減排量達65.03～98.92 mg/m3，占冷凝前乏汽總顆粒物含量比例達50%以上。可見，冷凝工藝對可溶性顆粒物的減排效果尤為突出。

6 結語

近年來，為了打贏大氣污染防治攻堅戰，河北、山西、江蘇、陜西等地的鋼鐵企業率先對高爐沖渣乏汽進行了治理。高爐沖渣乏汽具有狀態不穩定，流量和溫度周期性波動，峰值溫度高濕熱大，成分復雜含水量大，含有大量酸性物質，可溶性鹽類、氣溶膠顆粒物等特點，治理難度較大[7]。

本文通過兩個高爐沖渣乏汽冷凝減排項目實例的運行情況，介紹了沖渣乏汽空冷除濕減排+熱干空氣混兌消白工藝的一般流程，分享了關鍵設備選型中的一些注意事項，并根據從三套裝置運行數據，重點研究分析了乏汽冷凝工藝對顆粒物的減排作用。主要結論如下：

（1）高爐沖渣乏汽含有大量水分和酸性物質，易冷凝，氯離子含量高，易對金屬設備造成酸性腐蝕和氯離子腐蝕。

（2）以環境空氣做為冷源，采用空冷除濕減排+熱干空氣混兌消白工藝對沖渣乏汽進行處理，能有效降低污染物和消除視覺“白煙”，達標排放。

（3）冷凝作用對乏汽中的可凝結顆粒物減排效果明顯，達50%以上。不溶性顆粒物，主要是渣粒，由于粒徑較大，則主要是通過噴淋洗滌、過濾、碰撞、沉淀等作用捕集。