馬鋼高爐粗煤氣系統(tǒng)卸灰改造設(shè)計(jì)

董建民，朱 俊

（1.中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇210019；2.馬鋼股份有限公司，安徽243000）

0 引言

馬鋼煉鐵總廠南區(qū)現(xiàn)有四座高爐，配套的煤氣凈化系統(tǒng)是由重力除塵器或重力+旋風(fēng)除塵器、煤氣干法布袋除塵組成。 粗煤氣除塵系統(tǒng)均采用敞開方式卸灰，導(dǎo)致卸灰作業(yè)時(shí)灰塵外溢，同時(shí)存在卸灰區(qū)煤氣泄漏的潛在危險(xiǎn)，導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境差、危險(xiǎn)且增加了后續(xù)清理工作。

國(guó)家生態(tài)環(huán)境部在環(huán)大氣[2019]35號(hào)《 關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》中提出：粉狀物料輸送應(yīng)采用管狀帶式運(yùn)輸機(jī)、 氣力輸送設(shè)備、罐車等方式密閉輸送。 因此馬鋼公司對(duì)煉鐵總廠南區(qū)的四座高爐粗煤氣系統(tǒng)卸灰設(shè)施進(jìn)行了密閉改進(jìn)，以滿足粗煤氣系統(tǒng)卸灰作業(yè)的環(huán)保和安全。

1 高爐粗煤氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件

正常生產(chǎn)時(shí)，高爐產(chǎn)生的煤氣由爐頂沿著管道進(jìn)入粗煤氣系統(tǒng)，除塵后煤氣進(jìn)入干法布袋除塵系進(jìn)一步凈化，然后進(jìn)入煤氣管網(wǎng)。

馬鋼四座高爐粗煤氣系統(tǒng)工藝參數(shù)見表1，其中2號(hào)高爐僅設(shè)重力除塵，未配置旋風(fēng)除塵器；其余三座高爐采用重力除塵+旋風(fēng)除塵器。

重力及旋風(fēng)除塵灰的主要成分見表2。整體趨勢(shì)上看，除塵灰含鐵量、顆粒度、堆密度隨著高爐爐容增加而增大。 重力及旋風(fēng)除塵灰的性能隨著環(huán)境溫度及濕度、高爐爐況、原燃料條件的波動(dòng)不斷變化。

表1 高爐煤氣系統(tǒng)工藝參數(shù)

表2 典型高爐煤氣灰參數(shù)

2 卸灰流程的選擇及優(yōu)化

2.1 卸灰工藝流程的選擇

目前各鋼廠采用的粗煤氣除塵卸灰流程主要有：加濕卸灰機(jī)+敞開車輛運(yùn)輸、灰罐+氣力輸送、灰罐+罐車運(yùn)輸三種形式。

（1）加濕卸灰機(jī)+敞開車輛運(yùn)輸。 粗煤氣系統(tǒng)下部灰斗內(nèi)存儲(chǔ)的除塵灰依次通過(guò)閥門、 加濕卸灰機(jī)，定期排放至普通車輛敞開運(yùn)輸，加濕后除塵灰含水15%～25%，此種工藝流程為馬鋼公司現(xiàn)有四座高爐采用。 該工藝流程主要缺點(diǎn)是：加濕卸灰機(jī)常出現(xiàn)轉(zhuǎn)不動(dòng)、卡死現(xiàn)象，影響正常生產(chǎn)；由于敞開卸灰，飛灰較多；加濕水產(chǎn)生蒸汽導(dǎo)致操作環(huán)境差、濕灰含水增加額外運(yùn)輸量；屬于超低排放的意見要求淘汰的卸灰方式。

（2）灰罐+氣力輸送。 采用倉(cāng)式泵或噴吹罐作為灰罐，設(shè)置在粗煤氣灰斗下方。 配套相關(guān)的流化、充壓、補(bǔ)壓、輸送管線及閥門，實(shí)現(xiàn)除塵灰的氣力輸送，該工藝流程可以實(shí)現(xiàn)全程密閉、無(wú)加濕水消耗。除塵灰輸送距離與充壓、補(bǔ)壓、輸送介質(zhì)壓力成正，0.2～0.5 MPa 對(duì)應(yīng)輸送距離500～1500 m。

（3）灰罐+罐車。 罐車屬于新型環(huán)保運(yùn)輸設(shè)備。裝車時(shí)，利用車載設(shè)備產(chǎn)生負(fù)壓，將除塵灰由密閉的灰倉(cāng)輸入車輛罐體；卸車時(shí)，利用車輛自身設(shè)備或外接氣源產(chǎn)生正壓，將車輛罐體內(nèi)的除塵灰排入密閉灰倉(cāng)。 在裝車、運(yùn)輸、卸車過(guò)程中除塵灰均處在密閉狀態(tài)，有效的解決了二次揚(yáng)塵的問(wèn)題。 罐車的技術(shù)參數(shù)見表3。

灰罐+氣力輸送、 灰罐+罐車方案均滿足環(huán)保、安全的要求。 考慮到馬鋼煉鐵總廠南區(qū)四座高爐距離除塵灰存儲(chǔ)目的地較遠(yuǎn)，如果采用灰罐+氣力輸送方案，需要將四座高爐除塵灰送入1 座集中噴吹站，進(jìn)行間接噴吹。 這樣動(dòng)力消耗、基礎(chǔ)設(shè)施投資增加。因此本次設(shè)計(jì)采用灰罐+罐車方案。按表1 中各個(gè)高爐的灰量，結(jié)合罐車承載能力，各高爐的卸灰車次如表4 所示。

2.2 灰罐+罐車卸灰流程的優(yōu)化

2.2.1 現(xiàn)有灰罐+罐車卸灰放散工藝

各鋼鐵廠實(shí)際應(yīng)用的灰罐+罐車工藝流程如圖1～3 所示。正常生產(chǎn)時(shí)，高爐煤氣灰通過(guò)管道由粗煤氣除塵器系統(tǒng)灰斗流動(dòng)至灰罐（以下稱卸灰）；再經(jīng)灰罐下方和罐車管道，以罐車負(fù)壓、輔助輸送氮?dú)庾鳛閯?dòng)力，輸送至罐車內(nèi)（以下稱裝車）。

表3 罐車技術(shù)參數(shù)

表4 各高爐的卸灰車次

圖1 流程采用布袋收塵器過(guò)濾灰罐排出氣體至大氣。 卸灰操作時(shí)，可以選擇在卸灰時(shí)連通大氣或等待卸灰結(jié)束時(shí)再連通大氣。 當(dāng)選擇在卸灰時(shí)連通大氣時(shí)，卸灰管道兩端壓差大，卸灰時(shí)間短，外排氣體的含塵量大； 當(dāng)選擇在卸灰完畢時(shí)連通大氣時(shí)，特點(diǎn)相反。 從現(xiàn)場(chǎng)使用來(lái)看，布袋收塵器在使用期間，由于卸灰的間歇性，高爐煤氣中水分析出經(jīng)常糊袋，檢修維護(hù)量大；如果采用蒸汽保溫，又增加介質(zhì)消耗；裝車操作時(shí)，空氣容易經(jīng)布袋收塵器反向流入灰罐中。

圖1 通過(guò)布袋收塵器吸排氣

圖2 流程直接將除塵灰裝、卸氣體的流動(dòng)與粗煤氣系統(tǒng)連通。 卸灰時(shí)，高爐煤氣由灰罐流入粗煤氣系統(tǒng)；裝車操作時(shí)，高爐煤氣反向流動(dòng)。 該流程取消了布袋收塵器，因此裝、卸灰時(shí)吸、排氣管易積灰堵塞；同時(shí)由于與粗煤氣連通，僅靠除塵灰自重來(lái)卸灰，導(dǎo)致卸灰緩慢；在灰罐積存的高壓煤氣易流入罐車中。

圖2 與重力除塵器聯(lián)通

圖3 流程直接將除塵灰裝、卸氣體的流動(dòng)與煤氣干法除塵系統(tǒng)灰倉(cāng)連通。 因煤氣干法除塵系統(tǒng)灰倉(cāng)上部設(shè)置布袋除塵器，灰罐通過(guò)共用布袋除塵器的形式間接與大氣連通。 相比于圖2 流程，解決了卸灰管道兩端壓差小導(dǎo)致卸灰慢、灰罐積存高壓煤氣的缺點(diǎn)。 但是由于干法系統(tǒng)灰倉(cāng)一般布置距粗煤氣區(qū)域有一定距離，卸灰時(shí)連通管道積灰的問(wèn)題仍然沒有解決；裝車操作時(shí)，需向灰罐補(bǔ)充氮?dú)庖员苊飧煞ǔ龎m系統(tǒng)倒吸空氣的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 通過(guò)干法布袋灰倉(cāng)吸排氣

2.2.2 灰罐+罐車放散工藝的優(yōu)化

終上所述，可以看出卸灰過(guò)程兩條物質(zhì)流動(dòng)通道中，除塵灰的流動(dòng)在各個(gè)流程沒有區(qū)別，而卸灰和裝車過(guò)程中，灰罐中的氣體的流動(dòng)處理方式各個(gè)流程則完全不同。 因此在工藝流程優(yōu)化設(shè)計(jì)中，灰罐中的氣體處理需要考慮以下因素：流動(dòng)氣體含塵堵塞管道、卸灰間歇性、灰罐內(nèi)煤氣（卸灰時(shí)0.2～0.3 MPa）可能進(jìn)入罐車。

本工程的設(shè)計(jì)中，考慮到現(xiàn)有流程的缺陷，將灰罐+罐車放散工藝流程優(yōu)化為圖4 所示。 采用金屬過(guò)濾板代替布袋除塵器來(lái)處理卸灰系統(tǒng)吸、排氣，設(shè)置氮?dú)夥创倒艿馈?金屬過(guò)濾板設(shè)置位置盡量要靠近灰罐出口，以減少管道積灰段長(zhǎng)度。 當(dāng)卸灰操作時(shí)，據(jù)實(shí)際時(shí)間緊迫性，可選擇在卸灰時(shí)連通大氣或等待卸灰結(jié)束時(shí)再連通大氣； 裝車操作時(shí)，反吹氮?dú)饨?jīng)金屬過(guò)濾板反向流入灰罐中。

圖4 通過(guò)金屬過(guò)濾板吸排氣

2.3 優(yōu)化工藝放散管路的設(shè)計(jì)

本工程為改造設(shè)計(jì)，受現(xiàn)有設(shè)施限制，灰罐體積為13 m3，高爐除塵灰入口DN300 mm、裝車接口DN150 mm。 放散管路長(zhǎng)度100 m，配置金屬過(guò)濾板采用JB/T12836-2016《 不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)》中規(guī)格，考慮到粗煤氣灰的性質(zhì)，初選見表5。

從前述放散工藝來(lái)看，卸灰結(jié)束時(shí)再連通大氣放散是時(shí)間最長(zhǎng)的過(guò)程，因此金屬過(guò)濾板選型按此為前提進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3.1 放散的物理模型

圖5 放散模型

圖6 各個(gè)參數(shù)間關(guān)系

為簡(jiǎn)化計(jì)算，將放散系統(tǒng)簡(jiǎn)化成圖5、 圖6 所示，灰罐內(nèi)氣體通過(guò)依次通過(guò)金屬過(guò)濾板、管道通向大氣。 在忽略放散過(guò)程中氣體溫度變化、不考慮金屬過(guò)濾板及管道長(zhǎng)度因素、假設(shè)系統(tǒng)各處氣體滿足氣體狀態(tài)方程的條件下，則整個(gè)過(guò)程滿足公式（1）～（6）。 式（1）為氣體狀態(tài)方程、式（2）～（3）為質(zhì)量守恒公式、式（4）為金屬過(guò)濾板特性公式、式（5）為管道特性公式、式（6）為伯努利方程。

式中。U：灰罐容積；P：灰罐放散開始時(shí)壓力；T：氣體溫度；s1：金屬過(guò)濾板通流面積；h：金屬過(guò)濾板透氣度；P1：金屬過(guò)濾板低壓側(cè)壓力；V1：金屬過(guò)濾板低壓側(cè)速度；L：管道長(zhǎng)度；D：管道直徑；s：管道通流面積；k：管道阻力系數(shù)；V：管道出口處速度；P0：大氣壓力；R：氣體常數(shù)；t：放散時(shí)間；ρ：氣體密度。

2.3.2 金屬過(guò)濾板、放散管道規(guī)格確定

式（1）～（6）采用迭代的方式求解，計(jì)算結(jié)果見表6。由表6 中結(jié)果看，對(duì)放散時(shí)間影響由大到小的因素依次為：放散管直徑、金屬過(guò)濾板直徑、金屬過(guò)濾板透氣度，其中放散管直徑起主導(dǎo)因素。 經(jīng)分析對(duì)比，最終工程設(shè)計(jì)參數(shù)取放散管直徑≥80 mm、金屬過(guò)濾板直徑200 mm、金屬名義過(guò)濾精度10 μm。

表6 放散時(shí)間與管道、金屬過(guò)濾板關(guān)系

2.4 灰罐+罐車卸灰流程優(yōu)化效果

實(shí)踐證明，采用灰罐+罐車的高爐粗煤氣除塵卸灰方案，并用金屬過(guò)濾板替代替代放散管道上的布袋收塵器，系統(tǒng)的密閉性良好，同時(shí)罐車裝、卸灰效率明顯改善，在單罐裝18 t 灰量的條件下，罐車裝車作業(yè)時(shí)間～12 min、卸灰作業(yè)時(shí)間～5min。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析對(duì)比，確定馬鋼高爐粗煤氣除塵卸灰流程改造采用灰罐+罐車方案，并用金屬過(guò)濾板替代放散管道上的布袋收塵器，有效解決了高爐粗煤氣系統(tǒng)卸灰作業(yè)的環(huán)保和安全隱患，達(dá)到了改造的目的。 但該設(shè)計(jì)在實(shí)踐過(guò)程中也有不盡人意的地方：

（1）由于金屬過(guò)濾板采用平板結(jié)構(gòu)，反吹壓力與其強(qiáng)度不匹配，反吹壓中出現(xiàn)金屬過(guò)濾板開裂的情況，需要改善結(jié)構(gòu)及支撐形式，防止受力不均。

（2）金屬過(guò)濾板長(zhǎng)期的積塵難以避免，目前采用定期更換的辦法，長(zhǎng)期應(yīng)探索周期性清洗更換，以減少材料投入。