国内冲天炉及除尘技术的发展

刘新江，苏见波

（机械工业第六设计研究院，河南郑州 450007）

国内冲天炉及除尘技术的发展

刘新江，苏见波

（机械工业第六设计研究院，河南郑州 450007）

介绍了冲天炉炉型及熔炼技术的发展、现况及趋势，除尘系统的应用、现况及发展。指出了冲天炉向大容量、长炉龄、自动化发展的必然趋势和除尘环保需要解决的问题。

铸铁熔炼；冲天炉；除尘技术

铸造行业作为装备制造业的基础行业之一，改革开放以来取得了长足的发展，从2000年开始，我国铸件产量就一直位居世界首位。冲天炉作为铸铁熔炼的首要设备延续到今天，在全国范围内仍然担负着60%左右铸铁件的熔炼任务（主要原因是2008年之前所上项目冲天炉比重较大）。因此，冲天炉熔炼技术直接关系着铸件的内在质量和表面质量；冲天炉除尘系统的排放浓度以及可靠程度又直接关系到铸造企业能否生存的头等大事。冲天炉按燃料可分为焦炭炉、煤粉炉、燃油（气）炉，国内由于受各种条件限制，其绝大多数为焦炭冲天炉。本文试图就国内焦炭冲天炉及除尘技术的发展历史和使用现况，探讨未来其技术发展方向。

1 冲天炉熔炼技术的发展及现况

1.1 炉型的研究

对冲天炉炉形的研究国内始于上世纪60～70年代。早在50年代，国内使用的冲天炉一般均采用原苏联的技术，大多数为三排风口直线炉膛冲天炉。随着技术的发展，国外提出了冲天炉焦炭燃烧由于炉子断面阻力和压力的不同，大量气体将沿着炉壁急速上排，以至造成熔化带四周上升，中间下降，呈现凹形断面，直接影响铁液温度和质量。这一理论被称为“炉壁效应”理论，大量试验证实其理论是正确的。炉壁效应对冲天炉燃烧气氛、出铁温度影响很大，特别对于使用劣质焦炭的冲天炉，经常造成炉壁烧穿，中间冷料直接进入炉缸的现象，甚至出现出炉铁液不能浇注等严重事故。在此情况下，中小型冲天炉采用曲线炉膛的技术得到了普及。

20世纪60～70年代，国内工业虽然受到了“文革”的冲击，但也已开始出现了发展迹象，而所有机械工业的发展基本都离不开铸造，与国民生活息息相关的汽车、拖拉机、机床、石油机械等最基础、最重要的零部件均是铸铁件。恰在当时，铸造所需原材料，特别是焦炭严重供应不足，为此许多铸造厂为了满足生产要求，只能用当地土焦化铁维持冲天炉的正常生产，铁液温度无法保证，甚至出现冻炉现象。为了解决铁液温度问题，当时许多高校、研究所以及工厂进行了大量的试验和研究，推出了多排小风口曲线炉膛冲天炉，风口比大约在1%～2%左右。虽然此炉型存在着明显不足，但对于冷热强度均较低、固定碳含量＜75%的焦炭来说也是一种不得已而为之的方法。需要说明的是，此技术为了追求铁液温度和所谓的焦铁比指标，以不惜加大送风量造成冲天炉严重的氧化气氛而导致大量的元素烧损。

进入20世纪80年代初期，国内改革开放政策带来工业大发展的机遇。此时，为了克服当时冲天炉出现的熔炼问题，沈阳铸造所联合东南大学和机械部六院三家单位开展了冲天炉炉型的重新研究。针对国内供应的焦炭其固定碳已＞80%的情况，在原来多排和三排风口冲天炉的基础上，经过多次试验，取得了大量数据，提出了“冲天炉内双层燃烧，不但可提高铁液温度，也可降低元素烧损”的理论，并先后推出了两排大间距风口曲线炉膛3～10t/h冲天炉系列。此项技术在当时获得了机械部科技二等奖，并在国内外的铸造界引起较大的轰动。至90年代末期，我国冲天炉设备已成功实现了规格化、系列化、商品化的专业生产，并开始应用预热送风、富氧送风与脱湿送风技术。与此同时，冲天炉加料系统机械化、监控检测技术自动化水平有了突飞猛进的发展。

进入21世纪，焦炭价格不断升高，冲天炉熔炼铁液的成本也越来越高。而国家对环保的要求越来越严格，冲天炉面临的主要问题就是环保问题，即噪声和含有有害气体及大量粉尘的高温烟气的治理，特别是粉尘，排放量大、危害大、治理困难，在很多地方因粉尘、废气排放难以达标而受到限制。随着我国电力工业的大发展，中频感应电炉得到了广泛应用，对冲天炉的应用造成了很大冲击，但对某些特殊的行业，冲天炉作为铸铁熔炼设备依然为首选，特别是水冷薄炉衬连续熔炼冲天炉在国内有了一定的发展。

1.2 目前国内冲天炉炉型现况

随着工业技术的不断发展，我国铸铁熔炼技术水平也在不断提高，我国已拥有先进工业国家铸铁熔炼炉的各种主要类型，某些经济技术指标已跨入世界先进行列。目前，我国大多数工厂应用的冲天炉类型主要是两排大间距冲天炉（或“新三化”系列）、热风冲天炉和热风水冷无炉衬冲天炉。尚有一些工厂还在应用的多排小风口冲天炉、卡腰式三节炉和中央送风冲天炉，随着我国焦炭质量的提高及节能减排和行业准入的要求，后三种炉型的应用正逐步减少或被替代。

1.3 冲天炉炉型的发展前景及展望

近年来，由于铸造生产向专业化、大流水化生产发展，机械化自动化程度不断提高，使冲天炉向“大型化、热风水冷无炉衬、连续出铁液”的方向发展。与节约能源、减少环境污染和提高铁液质量紧密联系在一起，形成炉体、热风、除尘为一体的综合熔炼系统，体现了现代冲天炉的模式。

随着国内大规模专业化生产的推进，山东潍柴集团新引进美国EC&S公司的35t/h热风冲天炉于2007年6月18日开始正式投产，熔化能力实际达到38t～45t，日化铁量达到300t以上。有理由相信，将来国内所使用的冲天炉一定是大型的、可长期连续生产的水冷薄炉衬冲天炉。而水冷冲天炉由于其风口较多的深入炉内，因此也不存在炉壁效应、曲线炉膛、风口排数等问题，水冷单排风口、直线炉膛也将是长期连续生产的水冷冲天炉主要炉型特点。

2 冲天炉除尘技术的发展

2.1 冲天炉除尘问题的提出

国内冲天炉除尘系统的发展始于20世纪70年代中期，起因是城市环境保护日益得到更多的关注，而铸造厂（车间）是机械类工厂中对环境影响最大的生产点，冲天炉又是铸造车间环境污染的最为严重的设备。因此，国内机械工业的环境治理把冲天炉除尘作为了工作重点。

20世纪70年代以前，国内冲天炉只是在烟囱上安装火花捕集器以收集生产产生的烟尘，达到净化烟气的作用。火花捕集器仅仅能沉降较大颗粒的粉尘，而对人体危害最大的小颗粒粉尘几乎不起任何作用。因此，从开始重视环境保护，火花捕集器就没有被列为冲天炉除尘系统的专用设备。70年代，国内开始着手对冲天炉进行机械强制通风除尘技术的研究和应用，到了80年代初，几种冲天炉除尘技术首先在上海地区进行了大力推广和应用。

2.2 冲天炉机械通风除尘系统方式及特点

通过调查发现，冲天炉机械通风除尘系统在国内大致有以下5种形式：①颗粒层除尘器；②高效旋风除尘器；③高压静电除尘器；④湿法除尘器；⑤多管水冷除尘器加布袋除尘器。从表1可明显看出几种除尘技术各自的特点和发展潜力。

表1 冲天炉各类除尘系统特点

2.3 国内冲天炉除尘技术使用现状

在20世纪90年代后期，笔者曾经对国内几个大城市中的冲天炉除尘系统使用情况做了调查研究，最近几年也在注意国内冲天炉除尘设备的应用。但总体看来，形势不容乐观。国内虽然在环保方面制定了严厉的法规，但冲天炉机械除尘设备的安装率不足80%，而安装的除尘设备也并未全部投入使用，有人估计使用率不足70%。这一方面是受利益的驱使，另一方面是除尘设备的配套问题和设备本身存在的问题，也使得用户有力投资，无力管理。

随着综合国力的增强，各级政府已加大了环境治理的力度。还我蓝天白云，已成了广大市民的强烈要求和渴望。进入21世纪后，北京、上海、沈阳、武汉等大中城市市区的铸造厂已陆续关闭搬迁。这方面的情况应引起铸造工厂（车间）密切注意，否则，将会给生产安排带来不必要的麻烦，并且可能给企业带来重大的经济损失。

2.4 冲天炉除尘排放标准

1996年，我国发布了最新的冲天炉烟尘排放标准，详见GB9078－1996《工业炉窑大气污染物排放标准》的规定。值得注意的是，标准要求1997年7月1日以前的冲天炉烟尘排放浓度，一类地区＜150mg/m3，二类地区＜200mg/m3，三类地区＜300mg/m3；而1997年7月1日以后安装的冲天炉，一类地区禁排，二类地区＜150mg/m3，三类地区＜200mg/m3。从上面的数据可以看出，除特殊工业区（三类地区，例如钢铁公司所在地）外，其余最大的排放浓度要求均小于150mg/m3，这与以前套用的锅炉标准相比要严厉得多。最近几年国家有关部门对环境保护和治理提出了更高的标准，要求新建冲天炉的粉尘排放浓度低于50mg/m3，改建冲天炉的粉尘排放浓度低于100mg/m3，炉气黑度小于林格曼黑度1级。目前，年产低于2000t铸件的小型铸造厂如果不能解决冲天炉的粉尘污染问题，将面临被环保部门强行关闭的危险。

2.5 冲天炉除尘设备选择注意事项

要满足GB9078－1996《工业炉窑大气污染物排放标准》要求，在没有新技术出现之前，采用多管水冷除尘器或强制风冷器加布袋除尘器系统是比较可靠的冲天炉除尘系统形式。但这一除尘系统所需设备目前尚未有标准化产品供应，因此在冲天炉除尘系统设计和设备选择时应重点从以下方面考虑。

（1）除尘器布袋的品质

滤料的品质选择决定了除尘器的运行阻力和运行费用、投资费用，直接影响烟尘的排放浓度。

滤料的选用应按生产工艺的要求、含尘气体及粉尘的理化特性、所配除尘器的清灰型式来分析选用。主要考虑因素为达到用户要求的排放浓度、使用寿命、技术经济合理。

（2）减少烟气外溢

收烟口位置及抽风量要使火花捕集器内形成负压，确保在冲天炉加料口和火花捕集器顶部既不会冒烟，又节约风机的动力消耗；改进除尘器，提升刚性气阀为柔性气阀，增加其气密性，减少清灰用的压缩空气的耗量。

（3）高温烟气的冷却

烟气温度控制直接影响密闭罩及除尘系统的吸烟效果、炉内微负压的形成和布袋的寿命。

保证冷却器出口烟气温度低于120℃。

（4）余热利用技术

充分利用冷却器热能，通过水－水换热器供给有用的生活用水，既节约加热用的燃料，又减少了大气污染物的排放和热污染。

（5）冲天炉除尘系统工艺流程（图1）

3 结论

近年来，我国的冲天炉技术紧跟机械制造业的发展，以节能降耗、优质高效、安全环保为目标取得了很大的进步，冲天炉也已走上大容量、长炉龄、外热风的发展之路。目前小容量、短炉龄、常温送风的两排大间距冲天炉正处于向外热风、长炉龄、大容量的水冷薄炉衬的冲天炉转型。而冲天炉除尘系统设备目前尚未有标准化的设备供应，加上设备可靠性差，因此出现了一些工厂既是上了冲天炉除尘系统也难以使用，造成大量的资金浪费和继续污染的情况。

笔者建议：①冲天炉生产厂应根据国家标准允许的排放指标，按冲天炉熔化率要求配套供应成套的除尘设备。未配套除尘系统的冲天炉或除尘系统配套不合要求的冲天炉不能出厂；②对未安装除尘系统或已安装除尘系统但没有正常使用的冲天炉必须强行关闭；③随着冲天炉大容量化的发展，其烟气量也越大，对环境的影响也越大，从保护环境和资源循环利用的目的出发，应加大力度研究大容量冲天炉的烟气净化、粉尘、CO2及炉渣的无害化操作和回收利用。

[1]GB9078－1996《工业炉窑大气污染物排放标准》[S].

[2]GB8959－2007.铸造防尘技术规程[S].

[3]刘筑雄，张家平，宋高举.铸造防尘技术规程指南[M].北京：机械工业出版社，2008,9.

[4]郭双锁.我国冲天炉熔化的现状与改进方向[C].首届全国现代铸造装备与技术交流大会论文集，2010.8:123－125.

[5]宋强,宋晓刚,景刚.冲天炉的节能与环保[J].铸造设备研究，2004，（6）：1－5.

[6]张俭来,张明.小型铸造厂的冲天炉熔炼问题[J].中国铸造装备与技术,2007,(2):6－7.

Development of Domestic Cupola and Dust Removal Technology

LIU XinJiang,SU JianBo
(No.6 Institute of Project&Research of Machinery Industry,Zhengzhou 450007,Henan China)

The cupola furnace and smelting technology development,current status and trend,the application of dust removal system,current status and development have been introduced.It has been pointed out that the cupola development trend would be large capacity,long service life and automatation,with some problems of the dust removal technology needed to be resolved.

Iron smelting;Cupola;Dust Removal Technology

TG232.1;

A；

1006－9658（2012）03－0048-4

2011－12－12

稿件编号：2011－169

刘新江（1954-），男，研究员级高工，主要从事铸造工厂（车间）的工程咨询、工程设计工作