干法除尘技术在高炉冶炼中的研究与应用

曾子钦 荣金标 蒙露露

摘 要：高炉作为冶炼行业重要生产设备，在进行冶炼的过程中，受到风温、原料以及富氧量等多种因素的影响，经过一系列的物理和化学反应后，会生成铁水、煤气、废渣等产品，然而高炉煤气中还有大量粉尘，这些烟尘如果不加以处理让它排入空气中不仅污染空气，也会危害人的身体健康，危害环境。为了防止粉尘带来的不良影响，干法除尘技术在高炉生产作业中得到了积极的推广与应用，基于此，围绕高炉干法除尘技术的应用展开探索分析。

关键词：高炉；干法除尘；除尘技术

RESEARCH AND APPLICATION OF DRY DEDUSTING TECHNOLOGY IN BLAST FURNACE SMELTING

Zeng Ziqin    Rong Jingbiao    Meng Lulu

（ Zhong Jin Stainless Steel Company Limited of Guang Xi Liu Zhou Steel.    Yulin    537624， China）

Abstract：As an important equipment in smelting industry， blast furnace is affected by many factors such as air temperature， raw materials and oxygen enrichment during smelting process， hot metal， gas， waste slag and other products will be produced， but there is a lot of dust in the blast furnace gas， if the dust is not treated and let it into the air not only pollute the air， but also endanger people's health， environmental Hazards. In order to prevent the bad influence of dust， the dry dust removal technology has been popularized and applied in the blast furnace production.

Key words：Blast furnace; dry dedusting; dedusting technology

0    引    言

传统的高炉煤气湿法除尘方法在整个生产工艺流程中会消耗大量的水，易造成水污染、能耗高、煤气热损失大等问题。干法除尘技术不仅可以节约水资源，同时还能够提升风温，减少燃料消耗[1]，而且能将高炉煤气的余压余热回收利用，将热能转化为机械能，机械能转化为电能，为企业增加收益。

1    高炉煤气的产生及特性

1.1    高炉煤气的产生

空气经热风炉预热然后进入高炉，遇见处于白热状态的焦炭，同时鼓风机送入氧气，在高温下焦炭与水蒸气发生如下反应如图1公示图所示：

根据高炉炉况调整工艺，可适当增加高炉冷风湿度，以增加输送氧气的蒸汽含量，以补偿反应的低氢含量；原燃料吸收大量热量后，在高炉进行还原反应生成铁水，其化学反应公式如图2所示：

在一系列氧化铁反应后，气体中H2和CO的浓度始终较低，而H2O和CO2的浓度始终较高。随着高炉温度的升高，高炉原料反应产生的细粉和粉尘的形状逐渐由固体变为气体，各种成分的混合气体越来越高，最终到达高炉顶部，称为高炉煤气。

1.2    高炉煤气的特性

高炉煤气成分复杂，高炉炉顶综合煤气成分有CO、CO2、N2和O2等。其中高炉煤气成分中的CO、CO2含量与比值是判断炉内反应情况与煤气利用的重要参数[2]。随着炉内温度的升高，内部压差增大冶炼产生的煤气从底部往上排出，也将原燃料的粉尘一并排出。表1显示了不同煤气的组成部分不相同。高炉煤气热值高，可用作干燥炉、淬火炉和热风炉的燃料。

在标准状况下，高炉煤气的含尘量约为10 ～ 50 g/m3，默认平均值为25 g/m3。一般情况下，每吨铁水的平均产尘量一般为50 ～ 70 kg/t，上限为100 kg/t。粉末颗粒的大小不应超过500 μm，密度约为3.31 g/cm3。不同质量的粒径如表2所示。

在高炉正常生产中，冶炼的压力、使用原料的优劣等因素对高炉煤气及粉尘的组成有很大的影响，粉尘会随着高炉冶炼强度增加而增加。

在高炉正常工作条件下，出口烟气温度控制在150 ～ 250  ℃之间。只有在异常情况下才会出现400 ℃，甚至500 ℃的异常温度，属于高温烟气。随着温度的升高，气体的物理性质，如黏度也会增加。气体的黏度随温度增加。高温时，烟气密度降低，体积逐渐增大。每增加200 ℃，烟气体积将增加约40 %。在物理学中，分子的活性随着温度的升高而增加。如果体积不变，内部压力也会增加。如表2所示，高炉煤气中的H2和CO气体与氧气或空气混合时易燃易爆，存在潜在的爆炸风险。

2    干法除尘机理分析

2.1    滤袋对尘粒的过滤作用

除尘滤袋中有细小的孔，只能让气体通过，当高炉煤气经过除尘滤袋时，滤袋就会对煤气中的粉尘进行捕捉，将粉尘从高炉煤气中分离。

2.1.1    惯性碰撞效应

干法布袋除尘的主要过滤机理是惯性碰撞，其碰撞作用是通过大颗粒的碰撞捕获灰尘颗粒。过滤材料含有对灰尘敏感的纤维。灰尘和气体可以改变穿过纤维的路径。在惯性力的作用下，大颗粒的灰尘偏离原始路径，并围绕光纤流动，以达到检测效果。检测效率公式为：

v0      ρpd2p     v0

Stk=τ——=——— ——

Dc        9μ      Dc

S3tk

nr=————————

S3tk+0.77S2tk+0.22

式中：τ为张弛时间，s；v0为来流速度，m/s；Dc为圆柱体或球体直径，m；ρp为粉尘真密度，kg/m；dp为粉尘直径，m；μ为气体动力黏度，Pa·S；nr为惯性碰撞效率；Stk为斯托克斯数。

运动中尘埃颗粒的惯性力是决定尘埃颗粒是否会改变轨迹并与纤维碰撞的前提。根据上述公式，密度和粒度较大的粉末可以有效提高空气通过过滤材料的速度，而直径较小的纤维可以提高冲击效果。

2.1.2    筛滤效应

当粉尘的粒径较滤料纤维间的空隙或滤料上粉尘间的孔隙大时，粉尘就会被阻留，这叫做筛滤效应。通常使用的织物过滤材料，由于纤维间的间隙往往大于粉尘颗粒的直径，其效用很小。只有在织物上沉积了大量的尘埃之后，筛滤效果才能得到充分展示。

过滤效果是过滤材料结构优劣重要判别因素。滤料孔径越小，纤维厚度越大，纤维渗透率越低，过滤效果越好。在实际应用中，普通组织的渗透性高于针刺过滤材料，因此针刺过滤材料的过滤效果优于普通组织。当灰尘积聚在滤袋表面时，过滤材料的渗透性降低，从而原始尺寸的颗粒被过滤材料截留。因此，形成在过滤材料表面上的灰尘层可以有效提高过滤材料的检测效率。

2.1.3    扩散效应

直径小于1 μm的灰尘颗粒与空气中的气体分析碰撞，形成棕色或不规则的运动。棕色移动会造成粉尘积聚效应，并从高浓度扩散到低浓度。通常，过滤纤维的表面浓度相对较低，允许小直径灰尘到达纤维区域进行传播和碰撞检测。通过提高空气的相对温度，减小粉末颗粒的直径，减小纤维的直径，降低粉末的过滤速度，可以有效提高粉末的扩散效果。

2.2    粉尘层对尘粒的捕集

大多数除尘袋由人造纤维制成，在过滤阶段开始时，新袋中没有灰尘。在过滤时间结束时，由于黏附和扩散效应的影响，如图3所示，过滤器中的灰尘将桥接。合成织物通常为15 ～ 40 μm。随着使用时间的延长，产生的绒毛和网格将达到5 ～ 10 μm。较小的网格更有可能桥接，可以通过过滤介质的开口减少灰尘。因此，过滤介质或网状结构的表面可以捕获大量灰尘颗粒并形成一层灰尘。当粉末层达到一定厚度时，它被去除，但仍有一部分粉末层，即初级粉末层。

2.3    高炉煤气中粉尘的去除

高炉煤气粉尘的粒度分布一般由细到粗。当清洁的过滤材料通过含有灰尘颗粒的空气时，在重力滤布的作用下，大的灰尘颗粒沉积在过滤材料上，或在惯性作用下，小的灰尘颗粒被吸收或过滤在纤维表面上，在过滤材料表面形成一层灰尘。印刷的织物与纤维接触后，在棕色运动的影响下，细小的灰尘颗粒留在纤维表面并进入纤维空间。超细灰尘颗粒可以通过空气从除尘器中逸出。

随着过滤时间的延长，过滤材料中的灰尘越来越多。一些灰尘吸附在滤料表面，一些灰尘进入滤料。过滤材料表面的灰尘形成类似于灰尘层的膜结构，即过滤膜，这使得高炉煤气的净化效果更好。随着粉末层厚度的增加，会有一定的气流阻力。此时，在继续过滤之前，有必要清洁膜以减少空气阻力。在高炉干法除尘系统中，粉尘层的影响较大，因此检测粉尘影响的过滤材料更为重要。滤布是过滤的基础，粉尘层是主要的过滤单元。频繁除尘会降低过滤效果，不利于除尘滤袋的维护。

3    影响除尘效果的因素分析

3.1    滤袋的特性

滤袋作为干法除尘的核心元件，其性能的优劣直接决定过滤负荷的大小，除尘效率的高低。受织物结构约束的织物结构包括毛毡和织物，针刺毡的过滤性能明显优于二维织物。毛毡纤维排列不规则，气孔均匀，滤袋厚实，确保强度和除尘效率。大多数毛毡制品由于纤维之间的毛细作用而吸收水分，但玻璃纤维针织毛毡具有一定的防潮性。加压织物必须具有适当的孔隙，以便空气能够通过，细粉末不会渗透到织物纤维中。而且，滤袋的纤维直径越小，除尘效率越高。滤袋的纤维直径越小，滤布越密。细粉末颗粒不易进入滤布纤维。否则，一旦细尘颗粒进入过滤纤维，过滤器的透气性将大大降低，除尘阻力将大大增加，滤袋将不再使用。

各种表面处理和整理技术确保了压制织物不仅可以防止灰尘进入压制织物的纤维，而且具有很强的透气性。例如，针毡熔化加压表面的处理有利于除尘，提高除尘率，降低阻力；透气性好且不易烘烤的粉末，甚至具有阻燃和防静电性能的粉末，应溶解在特殊工艺缝制的滤袋中，然后用黏合剂固定，形成稳定的初始粉末层，然后使用滤袋，可控制粉尘量；涂覆的过滤材料也可以完全替代原来的粉末层；预硫化可以减少压力波动对稳定生产的负面影响，有利于除尘。它克服了新过滤材料早期除尘效率低的缺点，并具有较高的除尘能力。

3.2    过滤负荷

当dp小于1 μm，可以通过扩散效应有效拦截粉尘，通过合理降低过滤速度可以提高除尘效率。当dp在5 ～ 15 μm范围内时，惯性效应可以有效地吸收灰尘，而增加Vs可以增加η。一般情况下，灰膜形成后，随着过滤负荷的增加，除尘效率不如灰膜明显。随着灰膜厚度的增加，除尘效率不明显。如果过滤速度增加一倍，灰尘的渗透率可以增加一倍或四倍。过滤速度快，在挤出的布料上形成粉末膜，阻力大，除尘频繁，除尘效率低，运行成本高；降低过滤器的空气速度，提高清洁能力，延长清洁周期，延长使用寿命，降低运行成本和除尘效率。然而，过滤速度太低，过滤面积增加，如0.1 ～ 0.25 m/min，过滤面积增长10 %，设备投资增加近10 %，经济效益不高。

3.3    粉尘的理化特性

灰尘的大小与除尘效率有关。粉末颗粒越小，扩散速率越高。粉末的黏度、粒度和表观密度直接影响粉末的清洁度。当过滤流速为0.28 m/s时，直径为10 mm的粉尘颗粒与滤布之间的黏附力可达到颗粒自重的1 000倍，直径为5 μm的粉尘颗粒的4 200倍。这种黏附对滤袋的初始灰尘形成和清洁性能以及除尘器的效率有很大影响。国内试验表明，对于光滑的细滑石粉，在各种工作条件和提取条件下，只需要一次反冲洗，滤袋阻力恢复到初始值，几乎完全消除了二次灰沉积。滤袋再生良好，反吹气泡风量小。对于黏性超细氧化铁粉末，为了有效降低滤袋的阻力，需要多次吹灰。滤袋阻力不易恢复，输送风量大。高炉煤气粉尘中含有较多的超细氧化铁粉末，使粉尘黏稠，影响除尘性能。粉末的体积密度或沉积材料的比例是每单位体积粉末的重量。单位体积包括灰尘本身的体积、吸附在灰尘颗粒表面的空气的体积、灰尘颗粒本身的微孔以及与它们的清洁度密切相关的灰尘颗粒之间的空间。

3.4    高炉操作

高炉的稳定运行，是干法除尘正常运行的基础。进入除尘箱体的气体温度必须控制在100 ℃至230 ℃之间，最高不能超过250 ℃。这与高炉正常工作条件（200 ～ 300 ℃）下的炉温范围基本一致。炉顶温度反映高炉煤气的利用率和高炉的运行状况。高温表明，高炉煤气利用率低、指标低，不利于高炉设备的保护。如果温度过低，高炉往往是不均匀的，因此必须严格控制高炉的顶部温度，以实现现代高炉的高效生产。同时，如果炉况不稳定且气体温度高或低，滤袋可能燃烧或冷凝。原材料的压力波动和高含水量也可能影响除尘滤袋。例如，在高炉运行过程中，进料管道薄弱，进料质量显著降低，高炉焦炭含水量增加，或大量购买湿焦炭、大量湿矿石或含有结晶水的块状矿石。在改造开始时，由于某种原因，高炉的空气减少，炉况不佳。炉顶泄漏将影响除尘效率。因此，如果高炉精料和操作水平进一步提高，使炉顶煤气溢度降低以减少喷雾打水次数 ，则干法除尘运行效果将会更佳[3]。

3.5    干法除尘的运行与管理

国内干法除尘的工艺流程和设备水平大同小异，但人为操作跟设备保养对除尘布袋影响很大。严格按照操作规程进行操作管理，定期观察检查。损坏的滤袋必须立即更换，有缺陷的阀门必须立即修理，必须及时清理和放灰，并且定时反吹。只有加强运行管理，才能使其稳定运行。

参考文献

[1]    吕晓云，邱世厚.大型高炉的干法除尘系统及接口工艺控制[J].中国冶金，2010，20（10）：44-47+53.

[2]    王平，李家新，周莉英.高炉炉顶煤气连续分析系统的开发与应用[J].钢铁，2004（6）：6-9.

[3]    向君中.太钢1 200m3高炉煤气干法除尘装置试运行状况[J].炼铁，1989（2）：36-39.