高爐出鐵場環保除塵設計

呂孟天予

（中冶京誠工程技術有限公司，北京，100176）

0 引言

高爐出鐵場是鋼鐵企業生產中的主要污染源之一，且控制和收集難度相當大，是冶金企業環保工作的重點和難點。隨著國家對保護工作的日益加強，對高爐出鐵場通風除塵的設計也提出更高的要求。

高爐出鐵場通風除塵設計是整個出鐵場設計中的重要環節。本文總結分析了近期國內部分高爐出鐵場的設計經驗，結合出鐵場各類煙塵的特性，給出了各級別高爐出鐵場除塵的設計方案。經分析認為，高爐出鐵口、撇渣器、渣鐵溝、擺動流嘴、鐵水罐位處采用全封閉和負壓抽風設計，將鐵口區域封閉在小房子里，可以有效控制和收集出鐵場各類煙塵，強化煙塵捕集效果。煙塵經布袋除塵器凈化后，排放濃度可以達到國家超低排放標準，并通過國內某鋼鐵廠高爐出鐵場除塵設計案例加以驗證。

1 出鐵場煙塵特性

據統計，高爐平均每生產1 t鐵水，出鐵場即產生2.5 kg煙塵[1]，同時受冶煉工藝和爐料的影響，產塵量可能高于2.5 kg。出鐵場鐵口、撇渣器、鐵溝、渣溝、擺動流嘴、鐵水罐是產生煙塵的主要部位。

1.1 出鐵場煙塵主要點位和特性

1.1.1 鐵口煙塵特性

在開鐵口、堵鐵口及出鐵后期煙氣發生量較大，煙塵對出鐵場工作環境造成很大的污染，同時對人體健康也存在很大的隱患[2]。

開鐵口后，鐵水在爐內壓力的作用下從鐵口噴出，同空氣發生反應，產生大量三氧化二鐵、一氧化碳煙塵。由于鐵水沿鐵溝方向噴出，產生的煙塵在水平方向流速較高，無法組織起有效的熱抬升運動，煙氣很快同冷空氣混合，在鐵溝附近呈無組織擴散。該煙塵呈現出溫度高、流速快、射程遠、噴射瞬時量大、擴散面積大、煙塵顆粒小等特點，且捕集難度大，一旦失去控制就會迅速擴散至整個出鐵場內，并會長時間在空氣中飄散無法沉降。鐵出盡后，需要用泥炮進行堵口操作，結束出鐵過程，堵口雖然過程持續時間短，但在堵口瞬間會產生一股煙氣，捕集難度也很大。

1.1.2 撇渣器處煙塵特性

高溫鐵水和熔渣經主鐵溝流至撇渣器處進行渣鐵分離，撇渣后的鐵水表面與空氣發生強烈氧化作用，產生大量煙塵。

1.1.3 擺動流嘴、鐵水罐處煙塵特性

鐵水經支鐵溝流落至擺動流嘴，再從擺動流嘴流落至鐵水罐內。首先高溫鐵水流入鐵水灌發生撞擊，產生大量煙塵；另外高溫鐵水在罐內呈沸騰狀態，鐵水與氧氣發生反應也生成含氧化鐵顆粒的紅色煙塵，隨著熱氣流集中向上擴散。在出鐵過程中，當煙氣受到橫向氣流干擾時，煙塵在擺動流嘴平臺下方至鐵水罐上部空間處外溢，形成無組織煙塵擴散。

1.2 出鐵場煙塵的主要成分和粒徑

煙塵主要成分：Fe2O3約占61.4%，FeO約占32.36%，C約占2.5%。

煙塵主要粒徑分布：粒徑＞20 μm的約占21.65%，20～11 μm的約占16.40%，10～4 μm的約占44.58%，＜3 μm的約占17.39%。

2 出鐵場除塵設計方案及設備選型

2.1 高爐出鐵場除塵設計方案

出鐵場除塵點的分布：鐵口處、撇渣器處、支鐵溝處、渣溝處、擺動流嘴處、鐵水罐處。

2.1.1 出鐵口處除塵

鐵口部位一般采用頂吸和側吸相結合的方式進行除塵。開、堵鐵口時產生的大量煙塵主要靠鐵口頂吸罩抽風進行除塵；鐵口側吸罩作為輔助除塵，主要是在出鐵過程中，將鐵流落入主鐵溝時產生的煙塵抽走。

（1）爐前出鐵口處除塵設計原則。為了增強除塵效果，對于煙塵源頭的密封尤為重要，除了采用除塵罩，還輔助采用過水膜、垂暮等減少煙塵外溢的措施，但效果不盡人如意。目前大部分高爐爐前采取封閉式設計：即在出鐵場平臺上設立柱，利用風口平臺，將泥炮、開口機和主溝前段全部封閉在房子內，將煙塵限制在有限的空間內。考慮安全因素，在封閉房子內設置煤氣報警儀，增設軸流風機用于通風、降溫，封閉房內設置耐熱、防爆照明設施。考慮操作和檢修方便，在封閉房子泥炮、開口機側設置檢修門，用于工人進行開口機換桿、裝炮泥和清理炮嘴作業；將泥炮開口機上部屋頂設置為活動蓋板，滿足泥炮開口機檢修和設備吊裝的需要；在正對出鐵口側設置固定封板，主溝兩側則設置活動門，以滿足主溝解體機進入封閉房子進行主溝解體作業，另外檢修及活動門，均可作為安全疏散門；考慮封閉房子使用壽命，房子側封板及頂蓋板均進行耐熱噴涂處理，也可在封板上設置水冷管。但對于改造項目，應首先實現出鐵場平坦化，封閉方案可根據實際情況進行修改，目的是在不影響爐前安全及操作的條件下，實現爐前的有效封閉。出鐵場封閉房子平面布置見圖1。

圖1 出鐵場封閉房子平面布置圖

（2）出鐵口頂吸罩設計原則。不同級別的高爐，爐內壓力不同，出鐵口頂吸罩安裝位置也不同，鐵口頂吸罩安裝位置應該根據爐內壓力大小適當調整安裝位置。高爐容越大，爐內壓力相對越高，鐵水流從鐵口噴射越遠，鐵水流在主鐵溝內的落點越遠，高溫鐵水在落點處沖刷主鐵溝內澆注料，同時與空氣發生反應，產生大量煙塵。考慮到鐵口頂吸罩不能影響到爐前設備的運行，因此不能安裝的太低；同時鐵口頂吸罩又要考慮風口平臺留出換風口的空間，不能離高爐太近。

（3）主鐵溝蓋板設計原則。原則上1 000 m3級別的高爐，為了不影響泥炮和開鐵口機工作，不設置主溝蓋，鐵口附近設置頂吸罩和側吸罩。2 000 m3及以上高爐，在主鐵溝上設置蓋板，并配置揭蓋機，開、堵鐵口時用揭蓋機移開溝蓋板，此時鐵口處的煙塵主要通過頂吸罩和側吸罩抽走，正常出鐵的過程中，用揭蓋機將溝蓋板蓋至主鐵溝上，此時鐵口側吸起主要作用。

2.1.2 撇渣器處除塵

考慮主鐵溝生產使用和維護成本情況，目前主鐵溝主要采用貯鐵式主溝。高爐鐵水從鐵口通道噴出經主鐵溝流至撇渣器處進行渣鐵分離，渣、鐵混合液體對撇渣器處耐材沖刷產生煙氣。對于出鐵口到撇渣器間產生的煙氣，大部分被鐵口處除塵罩負壓抽走，剩余煙氣被撇渣器處除塵點抽走。

2.1.3 鐵水罐位處除塵

1 000 m3及以下高爐多采用固定罐位式出鐵場，根據鐵水罐位處鐵水流動特性，那里產生的煙氣很容易受鋼平臺下面橫向風的干擾，導致此處煙氣流動不穩定，煙氣外溢。因此，設計上應盡量減少鐵水落差，適當封閉減少橫向風的影響，同時加大除塵風量，盡量減少煙氣外泄。

2.1.4 擺動流嘴處除塵

1 000 m3及以上高爐多采用擺動流嘴式出鐵場，根據擺動流嘴處鐵水流動特性及土建結構，設計上實現密封，減少橫向風干擾，進行負壓除塵。

2.2 高爐出鐵場除塵點位風量分配

除塵點除塵風量分配原則：除塵風量理論上講越大越好，可以有效的吸走煙塵，但是風量越大能耗越高，鐵水成本越高；另外風量大會吸入一些大粒徑的固體顆粒，會加快除塵管道的磨損，同時也會導致鐵水溫降較大。所以除塵點的有效封閉和除塵風量的合理搭配，是除塵達到超低排放要求的關鍵一步。不同級別高爐出鐵場各除塵點參照風量見表1。

表1 不同級別高爐出鐵場除塵點位風量分配

2.3 除塵設備選型

根據系統總風量及出鐵場粉塵特性，以及以往高爐出鐵場除塵經驗，選用脈沖布袋除塵器。

脈沖布袋除塵器主要技術參數包括：除塵器處理風量、過濾速度、過濾面積、濾袋規格、濾袋數量等。

風機主要技術參數包括：風量、風壓、電機功率等。小型高爐由于間斷出鐵，為節約能源，主風機配有調速型液力偶合器。大中型高爐由于鐵口交替出鐵，風機配變頻電機（并具有旁路直接啟動的功能），根據實際生產情況合理調節風量，保證除塵效果的同時降低能耗，節省運行費用。

3 工程設計案例

國內某鋼鐵廠高爐有效容積2 500 m3，年產量213萬t/a。出鐵場面積5 500 m2，全部平坦化設計，結構采用全混凝土梁、柱和無填沙層模板結構。出鐵場設有3個鐵口，每個鐵口設有各自獨立的泥炮、開鐵口機和擺動溜槽。鐵水溫度1 350～1 460℃，出鐵次數每天12～13次。

3.1 出鐵場除塵系統配置情況

高爐出鐵場設置除塵系統2套，除塵站設置兩套除塵器、風機及消音器。除塵器采用低壓長袋脈沖布袋除塵器，除塵系統風機總能力2×80×104m3/h，風機配變頻電機（并具有旁路直接啟動的功能），可根據實際生產情況合理調節風量，在保證了除塵效果的同時降低能耗，節省了運行費用。正常生產時，3個出鐵場交替工作，此時3個出鐵口可共用一套出鐵場除塵系統，通過電動閥門進行切換除塵管道；非正常生產時，可以兼顧兩個鐵口重疊出鐵，此時2套除塵系統同時工作。

3.2 出鐵場除塵點位配置情況

出鐵口頂部設置頂吸風罩，雙側設置側吸風罩，以捕集出鐵口、主鐵溝區域散發出的煙氣，其中頂吸罩是除塵關鍵，要適當加大其尺寸和包容擴散角度；為了保證除塵效果，鐵口區域封閉在小房子里，減少鐵口區域煙塵外溢；撇渣器處設置除塵罩及抽風管道；渣、鐵溝設蓋板加強封閉，以便有效地控制煙塵；擺動流嘴處雙側吸風除塵，設擋風墻，形成相對密閉的空間；封閉廠房減少橫向風對鐵口除塵煙氣影響。

通過上述除塵環保措施，保證了出鐵場各除塵點位的密封和抽風排煙效果，確保出鐵場除塵系統有效捕集和凈化出鐵時產生的煙塵，使出鐵場排放達到超低排放標準（布袋除塵后排放濃度＜10 mg/Nm3），打造出“環境友好型”的潔凈出鐵場。實際效果見圖2。

圖2 出鐵場封閉實景圖

4 結語

隨著國家對環境保護要求的日益提高以及鋼鐵行業超低排放產業政策的實施，對高爐出鐵場通風除塵的設計提出更高的要求。本文總結分析以往高爐出鐵的設計經驗，按照鋼鐵行業超低排放的要求，提出了各級別高爐出鐵場除塵的優化設計方案。

實踐證明，隨著高爐大型化以及爐前設備自動化和智能化水平的提高，高爐出鐵場的封閉設計是一種必然的趨勢，通過配置合適的風量可有效控制和收集出鐵場的各處煙塵，經布袋除塵器凈化處理后，排放濃度＜10 mg/Nm3，可以達到鋼鐵行業超低排的要求。