转炉汽化冷却及除尘

240转炉汽化冷却及除尘本章主要介绍转炉烟气、烟气净化及回收处理设备、转炉的二次除尘、钢渣及含尘污水处理等内容。转炉吹炼过程中，可观察到在炉口排出大量棕红色的浓烟，这就是烟气。烟气的温度很高，可以回收利用，烟气是含有大量CO和少量CO2及微量其他成分的气体，其中还夹带着大量氧化铁、金属铁粒和其他细小颗粒的固体尘埃，这股高温含尘气流冲出炉口进入烟罩和净化系统。炉内原生气体叫炉气，炉气冲出炉口以后叫烟气。转炉烟气的特点是温度高、气量多、含尘量大，气体具有毒性和爆炸性，任其放散会污染环境。我国1996年颁布了《大气污染物综合排放标准》(GBl6297—1996)，规定工业企业废气(标态)含尘量不得超过120mg/m3，标准从1997年1月1日开始执行。对转炉烟气净化处理后，可回收大量的物理热、化学热以及氧化铁粉尘等。12.1烟气、烟尘的性质在不同条件下转炉烟气和烟尘具有不同的特征。根据所采用的处理方式不同，所得的烟气性质也不同。目前的处理方式有燃烧法和未燃法两种，简述如下。(1)燃烧法。炉气从炉口进入烟罩时，令其与足够的空气混合，使可燃成分燃烧形成高温废气经过冷却、净化后，通过风机抽引并放散到大气中。(2)未燃法。炉气排出炉口进入烟罩时，通过某种方法，使空气尽量少的进入炉气，因此，炉气中可燃成分CO只有少量燃烧。经过冷却、净化后，通过风机抽入回收系统中贮存起来，加以利用。未燃法与燃烧法相比，未燃法烟气未燃烧，其体积小，温度低，烟尘的颗粒粗大，易于净化，烟气可回收利用，投资少。12.1.1烟气的特征12.1.1.1烟气的来源及化学组成在吹炼过程中，熔池碳氧反应生成的CO和CO2，是转炉烟气的基本来源；其次是炉气从炉口排出时吸入部分空气，可燃成分有少量燃烧生成废气，也有少量来自炉料和炉衬中的水分，以及生烧石灰中分解出来的CO2气体等。冶炼过程中烟气成分是不断变化的，这种变化规律可用图12—1来说明。图12—1在吹炼过程中烟气成分变化曲线转炉烟气的化学成分给烟气净化带来较大困难。转炉烟气的化学成分随烟气处理方法241不同而异。燃烧法与未燃法两种烟气成分和含量差别很大，见表12—1。表12—1未燃法与燃烧法烟气成分及其含量比较12.1.1.2转炉烟气的温度未燃法烟气温度一般为1400～1600℃，燃烧法废气温度一般为1800～2400℃。因此，在转炉烟气净化系统中必须设置冷却设备。12.1.1.3转炉烟气的数量未燃法平均吨钢烟气量(标态)为80m3/t，燃烧法的烟气量为未燃法的4～6倍。12.1.1.4转炉烟气的发热量未燃法中烟气主要成分是CO，含量在60％～80％时，其发热量波动在7745.95～10048.8kJ/m3，燃烧法之废气仅含有物理热。12.1.2烟尘的特征12.1.2.1烟尘的来源在氧气流股冲击的熔池反应区内，“火点”处温度高达2000～2600℃。一定数量的铁和铁的氧化物蒸发，形成浓密的烟尘随炉气从炉口排出。此外，烟尘中还有一些被炉气夹带出来的散状料粉尘和喷溅出来的细小渣粒。12.1.2.2烟尘的成分未燃法烟尘呈黑色，主要成分是FeO，其含量在60％以上；燃烧法的烟尘呈红棕色，主要成分Fe203，其含量在90％以上，可见转炉烟尘是含铁很高的精矿粉，可作为高炉原料或转炉自身的冷却剂和造渣剂。12.1.2.3烟尘的粒度通常把粒度在5～10μm之间的尘粒叫灰尘；由蒸气凝聚成的直径在0.3～3μm之间的微粒，呈固体的称为烟；呈液体的叫做雾。燃烧法尘粒小于lμm的约占90％以上，接近烟雾，较难清除；未燃法烟尘颗粒直径大于10μm的达70％，接近于灰尘，其清除比燃烧法相对容易一些。12.1.2.4烟尘的数量氧气顶吹转炉炉气中夹带的烟尘量，约为金属装入量的0.8％～1.3％，炉气(标态)含尘量80～120g/m3。烟气中的含尘量一般小于炉气含尘量，且随净化过程逐渐降低。顶底复合吹炼转炉的烟尘量，一般比顶吹工艺少。12.2烟气、烟尘净化回收系统主要设备转炉烟气净化系统可概括为烟气的收集与输导、降温与净化、抽引与放散等三部分。烟气的收集有活动烟罩和固定烟罩。烟气的输导管道称为烟道。烟气的降温装置主要是烟道和溢流文氏管。烟气的净化装置主要有文氏管脱水器，以及布袋除尘器和电除尘器成分除尘方法COCO2N2O2H2CH4未燃法60~8014~195~100.4~0.6燃烧法0~0.37~1474~8011~200~0.40~0.2242等。回收煤气时，系统还必须设置煤气柜和回火防止器等设备。转炉烟气净化方式有全湿法、干湿结合法和全干法三种形式；(1)全湿法。烟气进入第一级净化设备就与水相遇，叫全湿法除尘系统。双文氏管净化即为全湿法除尘系统。在整个净化系统中，都是采用喷水方式来达到烟气降温和净化的目的。除尘效率高，但耗水量大，还需要处理大量污水和泥浆。(2)干湿结合法。烟气进入次级净化设备与水相遇，称干湿结合法净化系统，平一文净化系统即干湿结合法净化系统。此法除尘效率稍差些，污水处理量较少，对环境有一定污染。(3)全干法。在净化过程中烟气完全不与水相遇，叫全干法净化系统。布袋除尘、静电除尘为全干法除尘系统。全干法净化可以得到干烟尘，勿需设置污水、泥浆处理设备。12.2.1未燃全湿净化系统的主要设备12.2.1.1烟气的收集和冷却A烟罩(1)活动烟罩。为了收集烟气，在转炉上面装有烟罩。烟气经活动烟罩和固定烟罩之后进入汽化冷却烟道或废热锅炉以利用废热，再经净化冷却系统。用于未燃法的活动烟罩，要求能够上、下升降，以保证烟罩内外气压大致相等，既避免炉气的外逸恶化炉前操作环境，也不吸入空气而降低回收煤气的质量，因此在吹炼各阶段烟罩能调节到需要的间隙。吹炼结束出钢、出渣、加废钢、兑铁水时，烟罩能升起，不妨碍转炉倾动。当需要更换炉衬时，活动烟罩又能平移开出炉体上方。这种能升降调节烟罩与炉口之间距离，或者既可升降又能水平移出炉口的烟罩称为“活动烟罩”。OG法是用未燃法处理烟气，也是当前采用较多的方法。其烟罩是裙式活动单烟罩和双烟罩。图12-3活动烟罩结构示意图l一上部烟罩(固定烟罩)；2一下部烟罩(活动烟罩固定段)；3一罩裙(活动烟罩升降段)；4一沙封；5一水封；6一转炉图12—2OG法活动烟罩243图12—2所示为裙式活动单烟罩。烟罩下部裙罩口内径略大于水冷炉口外缘，当活动烟罩下降至最低位置时，使烟罩下缘与炉口处于最小距离，约为50mm，以利于控制罩口内外微压差，进而实行闭罩操作，这对提高回收煤气质量，减少炉下清渣量，实现炼钢工艺自动连续定碳均带来有利条件。活动烟罩的升降机构可以采用电力驱动。烟罩提升时，通过电力卷扬，下降时借助升降段烟罩的自重。活动烟罩的升降机构也可以采用液压驱动，是用4个同步液压缸，以保证烟罩的水平升降。图12—3为活动烟罩双罩结构。从图可以看出它是由固定部分(又称下烟罩)与升降部分(又称罩裙)组成。下烟罩与罩裙通过水封连接。固定烟罩又称上烟罩，设有两个散状材料投料孔、氧枪和副枪插入孔，压力温度检测、气体分析取样孔等。罩裙是用锅炉钢管围成，两钢管之间平夹一片钢板(又称鳍片)，彼此连接在一起形成了钢管与钢板相间排列的焊接结构，又称横列管型隔片结构。管内通温水冷却。罩裙下部由三排水管组成水冷短截锥套(见图12—3中3)，这是避免罩裙与炉体接触时损坏罩裙。罩裙的升降由4个同步液压缸驱动。上部烟罩也是由钢管围成，只不过是纵列式管型隔片结构。上部烟罩与下部烟罩都是采用温水冷却，上、下部烟罩通过沙封连接。我国300t转炉就是采用这种活动烟罩结构。(2)固定烟罩。固定烟罩装于活动烟罩与汽化冷却烟道或废热锅炉之间，也是水冷结构件。固定烟罩上开有散状材料投料孔、氧枪和副枪插入孔，并装有水套冷却。为了防止烟气的逸出，对散状材料投料孔、氧枪和副枪插入孔等均采用氮气或蒸汽密封。固定烟罩与单罩结构的活动烟罩多采用水封连接。固定烟罩与汽化冷却烟道或废热锅炉拐弯处的拐点高度和与水平线的倾角，对防止烟道的倾斜段结渣有重要作用。B烟气的冷却设备转炉炉气温度在1400～1600℃左右，炉气离开炉口进入烟罩时，由于吸入空气使炉气中的CO部分或全部燃烧，烟气温度可能更高。高温烟气体积大，如在高温下净化，使净化系统设备的体积非常庞大。此外，单位体积的含尘量低，也不利于提高净化效率，所以在净化前和净化过程中要对烟气进行冷却。国内早期投产的转炉，多采用水冷烟道。水冷烟道耗水量大，废热无法回收利用。近期新建成的转炉，均采用汽化冷却烟道。所谓汽化冷却就是冷却水吸收的热量用于自身的蒸发，利用水的汽化潜热带走冷却部件的热量。如lkg水每升高l℃吸收热量约4.2kJ；而由100℃水到100℃蒸汽则吸收热量约2253kJ/kg。两者相比，相差500多倍。汽化冷却的耗水量将减少到1/30～1/100。所以汽化冷却是节能的冷却方式。汽化冷却装置是承压设备，因而投资费用大，操作要求也高，下面分项叙述。(1)汽化冷却烟道。汽化冷却烟道是用无缝钢管围成的筒形结构，其断面为方形或圆形，如图12—4所示。钢管的排列有水管式、隔板管式和密排管式，如图12—5所示。水管式烟道容易变形；隔板管式加工费时，焊接处容易开裂且不易修复；密排管式不易变形，加工简单，更换方便。244图12—4汽化冷却烟道示意图1一排污集管；2一进水集箱，3一进水总管，4一分水管；5一出口集箱，6一出水(汽)总管；7一氧枪水套；8一进水总管接头图12—5烟道管壁结构a一水管式；b一隔板式；c一密排管式图12—6汽化冷却系统流程汽化冷却用水是经过软化处理和除氧处理的。图12—6为汽化冷却系统流程。汽化冷却系统可自然循环，也可强制循环。汽化冷却烟道内由于汽化产生的蒸汽形成汽水混合物，245经上升管进入汽包汽与水分离，所以汽包也称分离器；汽水分离后，热水从下降管经循环泵，又送入汽化冷却烟道继续使用。若取消循环泵，为自然循环系统，其效果也很好。当汽包内蒸汽压力升高到(6.87～7.85)×105Pa时，气动薄膜调节阀自动打开，使蒸汽进入蓄热器供用户使用。当蓄热器的蒸汽压力超过一定值时，蓄热器上部的气动薄膜调节阀自动打开放散。当汽包需要补充软水时，由软水泵送入。汽化冷却系统的汽包布置应高于烟道顶面。一座转炉设有一个汽包，汽包不宜合用，也不宜串联。汽化冷却烟道受热时会向两端膨胀伸长，上端热伸长量在一文水封中得到补偿；下端热伸长量在烟道的水封中得到缓冲。汽化冷却烟道也称汽化冷却器，可以冷却烟气并能回收蒸汽。也可称它是废热锅炉。(2)废热锅炉。无论是未燃法还是燃烧法都可采用汽化冷却烟道。只不过燃烧法的废热锅炉在汽化冷却烟道后面增加对流段，进一步回收烟气的余热，以产生更多的蒸汽。对流段通常是在烟道中装设蛇形管，蛇形管内冷却水的流向与烟气流向相反，通过烟气加热蛇形管内的冷却水，再作为汽化冷却烟道补充水源，这样就进一步利用了烟气的余热，也增加了回收蒸汽量。12.2.1.2文氏管净化器文氏管净化器是一种湿法除尘设备，也兼有冷却降温作用。文氏管是当前效率较高的湿法净化设备。文氏管净化器由雾化器(碗形喷嘴)、文氏管本体及脱水器等三部分组成，如图12—7所示。文氏管本体是由收缩段、喉口段、扩张段三部分组成。烟气流经文氏管收缩段到达喉口时气流加速，高速的烟气冲击喷嘴喷出的水幕，使水二次雾化成小于或等于烟尘粒径100倍以下的细小水滴。喷水量(标态)一般为0.5～1.5L/m3(液气比)。气流速度(60～120m/s)越大，喷入的水滴越细，在喉口分布越均匀，二次雾化效果越好，越有利于捕集微小的烟尘。细小的水滴在高速紊流气流中迅速吸收烟气的热量而汽化，一般在(1/50～1/150)s内使烟气从800～1000℃冷却到70～80℃。同样在高速紊流气流中，尘粒与液滴具有很高的相对速度，在文氏管的喉口段和扩张段内互相撞击而凝聚成较大的颗粒。经过与文氏管串联气水分离装置(脱水器)，使含尘水滴与气体分离，烟气得到降温与净化。按文氏管的构造可分成定径文氏管和调径文氏管。在湿法净化系统中采用双文氏管串联，通常以定径文氏管作为一级除尘装置，并加溢流水封；以调径文氏管作为二级除尘装置