高炉均压煤气回收探讨

近年来，随着低碳经济的全球化趋势和日益严峻的气候问题逐渐引起人们的高度关注，我国相继提出了建设低碳、清洁、高效型企业和资源节约、环境友好型企业的要求。在冶金行业中，高炉炼铁所需的能耗和产生的污染在整个钢铁工序中占有很大的比重，是节能减排措施的重要推进对象。现在，针对高炉系统节能减排的研究已经取得了较大进展，如高炉均压煤气回收、热风炉废气余热回收、环保水渣处理等环保措施的成功应用，不仅为企业和社会带来了良好的环保效应，也给企业带来了可观的经济效益。2回收均压煤气的意义高炉冶炼生产过程中，炉顶料罐内的均压煤气通过旋风除尘器和消音器后，通常都是直接排入大气。由于旋风除尘器只能除去煤气中一部分较大直径颗粒的粉尘，其余的粉尘都随着放散煤气直接排入了大气中，并且高炉煤气为含有大量CO和少量H2、CH4等有毒、可燃物的混合气体，这对大气环境尤其是高炉生产区域造成了严重的污染，同时也白白浪费了这部分煤气能源。另外，均压煤气一般含有较高的水分，通过消音器对空放散时，由于压力突然降低，煤气中的水分容易析出结露，随均压煤气排放的粉尘遇水变湿后常常黏糊、堵塞放散消音器，使其不能正常工作，给高炉的生产维护带来很大困难。因此，回收这些直接排入大气的均压煤气，具有十分重要的现实意义。以一座4000m3的高炉为例，年工作日按350天考虑，每天约有12×104m3的均压煤气排出，经过炉顶的旋风除尘器后，均压煤气含尘量仍在10g/m3左右。经计算，回收这些均压煤气，减少的污染物排放量和产生的经济效益分析如下。 减排量 （1）均压煤气回收率按90%考虑，则日回收量为10.8×104m3，年回收量：10.8×104m3×350天=3780×104m3。即每年将减少高炉炉顶脏煤气排放3780×104m3，这些煤气能源得以回收利用。 （2）煤气灰日回收量约1.08t，年回收量：1.08t×350天=378t。即每年将减少高炉炉顶粉尘排放378t，这将在很大程度上改善高炉区域的操作环境，有利于清洁生产。 （3）高炉煤气标准煤折算系数按0.12kg/m3（标态）计，年回收均压煤气的折算标准煤量为4536t。标准煤碳排放折算系数按0.85计，并且煤气灰含有焦炭粉尘（约5％），年均压煤气回收减少碳排放量：4536t×0.85+378t×0.05=3874.5t。2.2经济效益按当前国内钢铁厂普遍的成本核算价格，高炉煤气0.12元/m3，煤气灰200元/t计算，均压煤气回收一年带来的直接经济效益：高炉煤气：0.12元/m3×3780×104m3＝453.6万元；煤气灰：200元/t×378t＝7.6万元；年总经济效益值：461.2万元。按投入一套均压煤气回收装置为500余万元考虑，一年多时间即可收回设备投资成本。由此可见，通过回收高炉均压煤气，不但可以有效地减轻尘、气和噪音污染，延长消音器的 使用寿命，还有利于增加能源利用率，提高工厂的经济效益。3均压煤气回收工艺20世纪80年代，国外已经开发了湿法均压煤气回收技术，后来国内也对湿法回收技术进行过研究并得到实际应用，但受回收煤气粉尘浓度偏大、回收时间较长等不利因素的影响，该工艺未能取得预期的效果。直到近年来得益于高炉自动控制技术的发展和干法除尘工艺的完善，才又为均压煤气回收提供了新的途径。高炉均压煤气回收由煤气回收系统和净化系统两部分组成。煤气回收系统位于高炉炉顶，包括回收/放散设施，及相应的控制系统，煤气净化系统一般设在高炉旁边的地面上，得到实际应用的有湿法文氏管清洗和干法布袋除尘工艺。干法电除尘回收高炉煤气虽然也具有一些优势，还未能应用于均压煤气回收。3.1湿法煤气清洗湿法清洗技术在高炉煤气净化工艺上应用历史悠久，具有操作简便、煤气工况适应能力强的特点。最初的均压煤气回收工艺，均是在湿法文氏管清洗技术上发展而来的，其控制系统简单、单体设备较小。采用湿法煤气清洗回收均压煤气的工艺流程如图1。料罐内的均压煤气先经过旋风除尘器一级除尘，再通过回收/放散控制阀组将煤气切换至回收通道或选择放散。通过固定回收/放散控制阀组的开、关时间，料罐内的大部分均压煤气得到回收，接近常压的残余煤气则通过煤气放散管路，经消音器后排空放散。煤气回收净化管路上设置煤气清洗塔，清洗塔具有煤气除尘和减压的功能。煤气清洗塔内设置文氏管洗涤器，利用煤气清洗水来洗涤回收煤气，洗涤下来的粉尘随着污水排入污水坑，然后送至污水处理设施。清洗塔后的煤气管路上可以设置一个调节蝶阀来控制回收初期煤气压力对净煤气管网的冲击。 湿法煤气清洗回收工艺的特点： （1）适于炉顶煤气采用湿法清洗的企业。来自湿法洗涤器的均压煤气，含有大量的机械水，这会限制采用干法布袋除尘回收均压煤气，而对于文氏管清洗则无不利影响。 （2）洗涤用水由炉顶煤气清洗系统提供，排污水进入炉顶煤气清洗区的污水处理系统，循环使用，不需单独设置清灰装置和水处理设施，一次性设备投资较少。 （3）除尘效率低。净化处理后的均压煤气平均含尘量仍在200mg/m3左右，远远超过现在对净煤气含尘量不超过5mg/m3的标准，即使并入主管网后，含尘浓度会稀释降低，但也对净煤气造成了一定程度的污染。 干法布袋除尘采用干法布袋除尘回收均压煤气，可以解决湿法净化除尘效率低的问题，并且煤气回收率较高。采用干法布袋除尘回收均压煤气的工艺流程如图2。煤气回收系统与湿法清洗工艺一样，均压煤气通过回收/放散控制阀组选择进入回收通道或排空放散。回收时，均压煤气通过回收管道进入专门设置的一组布袋除尘器，经过除尘器的二次除尘，煤气中的粉尘基本都被过滤并沉降下来，煤气压力也降低至接近常压，然后送入净煤气主管网。过滤下的煤气 灰通过中间灰仓排出，可采用气力输送方式输送至集中灰罐储存。干法布袋除尘回收工艺的特点： （1）除尘效率高。均压煤气进入净煤气管网前经一次旋风除尘，二次布袋除尘，最终的净煤气含尘量≤5mg/m3，完全符合高炉净煤气的指标要求，实现了清洁回收，解决了湿法均压煤气回收工艺对主管网净煤气造成一定粉尘污染的问题。 （2）干法布袋除尘不需用水，无需设置水处理设施，尤其适于当前国内众多炉顶煤气采用干法布袋除尘的高炉。 （3）均压煤气的温度较低，煤气中的水分易结露，造成煤气灰黏糊在布袋上影响正常回收，也使卸灰、输灰难度增加。 工艺问题分析 回收过程对高炉作业率的影响均压煤气的回收对炉顶系统的操作会带来一些影响，若回收时间控制不合理，将延长炉顶设备的排压时间，降低炉顶设备的装料富裕能力。对煤气回收/放散控制阀的动作时间、纯回收时间和自由放散时间上的设置不同，将会导致装料周期有一定差异。对于采用干法布袋回收工艺的高炉，煤气回收率按90%考虑，经炉顶时序验算，采用合理的控制方案，炉顶装料周期仅增加5～7s，几乎不会影响到高炉的作业率。 压力波动对净化系统的影响采用湿法清洗回收均压煤气，煤气压力波动是影响除尘效率的主要因素。回收前期，煤气压差大，流速高，除尘效率较高；回收后期，煤气压差降低后流速大幅降低，除尘效率也相应降低，导致回收煤气的平均含尘量较高。通过采用调径文氏管虽然可以起到稳定煤气流速的作用，但由于均压煤气回收的周期短，波动频繁，这给控制系统和调节设备带来了更高的精度控制要求，并且也会降低煤气回收率。采用干法布袋回收均压煤气，压力波动对除尘效率几乎无影响，但会影响滤袋的使用寿命。布袋除尘所用滤袋通常为玻璃纤维，其抗折性较差，频繁的压力波动冲击易使滤袋破损漏风。为了增强布袋承受煤气脉冲冲击的能力，回收均压煤气的除尘器宜采用外滤式，袋笼设置较密的纵筋和反撑环加强支撑，这样可以有效防止滤袋变形过大，延长其使用寿命。 压力波动对净煤气管网的影响均压煤气是靠压力差进行回收进入净煤气管网的，其压力存在着周期性的波动。若回收煤气与净煤气的并网点选择在热风炉接口之前，由于回收初期压差大，回收量也大，则会对热风炉的煤气管网造成较大的压力冲击，从而影响热风炉导致其燃烧不稳定；当并网点选择在热风炉接口之后，避开高炉煤气这一最近的关键用户，则并网点与其后的用户保持了相当长的距离，脉冲式的回收煤气与主管网的净煤气可以充分混匀，压力冲击逐渐减弱到很低。 当净煤气主管网压力为15kPa，回收期间均压煤气进入管网处的最高压力不到15.4kPa，引起的全厂净煤气管网压力波动幅度不到3%。并网后的煤气再通过较长的主干管，到达用户点处的煤气压力波动更小，完全满足用户的使用要求。 煤气管道积灰问题均压煤气回收过程中，经过旋风除尘器一次除尘，大颗粒的煤气灰可以部分沉降下来，然后需经过一段较长的回收管道才能到达煤气清洗塔或布袋除尘器。均压煤气在输送过程中，流速会周期性的减慢，其中携带的煤气灰容易沉积在回收管道内，其中最有可能引起积灰的部位是下降管的下部拐弯处。采用较小口径的回收煤气管道，管道内的气流速度较高，有利于减轻积灰现象，但会增加回收时间或降低煤气回收率。因此，选用适宜口径的煤气回收管道并设置管道清灰设施是很重要的。 布袋除尘对低温煤气的应对为了应对均压煤气温度低、含湿量大的问题，需要对常规的布袋除尘工艺进行一些改进。通过提高均压煤气温度来提高煤气露点，是防止煤气结露糊袋的主要措施。增强除尘器的蒸汽伴热功能，或采用一定量温度较高的炉顶煤气混入均压煤气，都可以有效提高均压煤气的温度。选择具有良好憎水性能的滤袋，也可以减轻煤气结露带来的糊袋问题。5结束语高炉均压煤气回收降低了钢铁行业的污染物排放，具有重要的环保意义和可观的经济效益。历年来由于环保意识不强和回收工艺存在的一些技术问题，世界上只有少数一些高炉配备了均压煤气回收设施，且大多数运行情况不甚理想。近期，国内已有钢铁企业成功应用干法布袋除尘回收均压煤气，取得了较好的效果，这对其他大中型高炉配置均压煤气回收设施起到了推动示范作用，也为均压煤气回收技术的进一步发展奠定了基础。