大型燒結(jié)機頭煙氣袋式除塵技術(shù)及工程示范*

姚群 張思平 李浩鳴 陳志煒 潘真 馮斌 周鵬飛 許漢渝 邵能杰 鄧芳 全立明 劉立

（1.中鋼集團天澄環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，武漢 430205；2.新余鋼鐵股份有限公司 燒結(jié)廠，江西 新余 338001）

0 引言

燒結(jié)機頭煙氣具有煙氣量大、高溫、高腐蝕、易結(jié)露、高負壓、煙氣工況波動等特征，治理難度甚大，國內(nèi)外傳統(tǒng)的燒結(jié)機頭煙氣凈化均采用電除塵器，由于其除塵效率不穩(wěn)定，出口顆粒物濃度超標，不能保證脫硫脫硝系統(tǒng)穩(wěn)定達標［1-2］；而對于高效袋式除塵，因無法解決煙氣結(jié)露、濾袋板結(jié)、腐蝕等瓶頸問題［3］，歷來被業(yè)內(nèi)視為“禁區(qū)”，成為一個世界性難題。

目前，燒結(jié)機頭現(xiàn)役電除塵器普遍存在著共性問題，制約了其工業(yè)應用，主要表現(xiàn)在以下幾個方面［1，4］：①燒結(jié)機頭電除塵效率不穩(wěn)定，受煙氣工況（特別是比電阻）波動影響很大；②粉塵細而粘，難以清灰，極板積灰，極線肥大，振打二次飛揚，出口顆粒物質(zhì)量濃度高，一般在50~150 mg/m3；③電除塵出口顆粒物排出量大，影響下游脫硫系統(tǒng)的效率，裝置積灰結(jié)垢堵塞，影響石膏品質(zhì)和白度，檢修頻繁；④影響下游脫硝催化系統(tǒng)效率，造成催化劑堵塞、中毒和磨損，壽命縮短；⑤影響下游活性炭吸附效率，導致吸附器出口顆粒物超標，活性炭壽命縮短，運行成本增加；⑥對風機葉輪磨損大。即使對電除塵器進行改造，如減小電場風速、增加集塵面積、采用高頻/脈沖/三相/電源等以提高凈化效率，但因電除塵固有的振打二次揚塵的根本性問題沒有解決，所以成效不大，已成為當前制約鋼鐵企業(yè)穩(wěn)定超低排放和環(huán)?？冃Х旨夁_A的突出問題，亟待解決。

袋式除塵能高效去除細顆粒物，出口顆粒物質(zhì)量濃度＜10 mg/m3，除塵效率不受煙氣工況波動影響，可保證穩(wěn)定超低排放，能解決電除塵存在的關(guān)鍵問題。此外，與四電場電除塵器相比，袋式除塵在除塵效率、運行能耗、占地、鋼耗等方面優(yōu)勢明顯［5］。

中鋼集團天澄環(huán)?？萍脊煞萦邢薰踞槍Y(jié)機頭袋式除塵存在的瓶頸問題，經(jīng)過多年的研發(fā)和熱態(tài)工業(yè)試驗［6-8］，在燒結(jié)機頭煙氣袋式除塵工藝、關(guān)鍵凈化裝備、過濾材料和風險防控措施等核心技術(shù)上取得了重大進展，形成了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)技術(shù)和裝備，實現(xiàn)了從無到有的突破。2021年9月在新余鋼鐵股份有限公司燒結(jié)廠7# 360 m2燒結(jié)機頭煙氣凈化項目上成功實施了袋式除塵，成為全球首臺套大型燒結(jié)機頭煙氣袋式除塵器示范工程。

1 燒結(jié)機頭袋式除塵技術(shù)與裝置研究

1.1 燒結(jié)機頭煙氣特征及袋式除塵難度分析

燒結(jié)機頭煙氣的特殊性決定了袋式除塵技術(shù)的難度巨大，主要表現(xiàn)在以下幾個方面［1-2，4］：

1）工況煙氣量大，單位燒結(jié)面積煙氣量為（90±10）m3/（m2·min），如360m2燒結(jié)機煙氣量達2160000m3/h（有煙氣循環(huán)），400 m2燒結(jié)機煙氣量達2 880 000 m3/h，660 m2燒結(jié)機煙氣量達3 840 000 m3/h，造成除塵器體積龐大。

2）煙氣溫度高（100~160℃），波動大，甚至可達200℃，袋式除塵濾料需要耐高溫。

3）煙氣濕度大（10%~15%），酸露點高（110℃），特別是燒結(jié)機冷態(tài)啟機時，袋式除塵濾料易結(jié)露、板結(jié)糊袋，成為最大風險。

4）煙氣含有SO2（1 500~2 500 mg/m3）、NOx（300~450 mg/m3）、HCl、HF、CO等酸性氣體，含二噁英等污染物，氧含量為14%~18%，濾料和設備腐蝕嚴重，壽命短。

5）燒結(jié)灰含堿金屬多（氧化鈣、氧化鉀、氧化鈉），含鉛、鋅、汞、鉻等重金屬，遇到空氣易復燃，除塵器可能發(fā)生著火。

6）混合性粉塵，粉塵質(zhì)量濃度為0.5~5 g/m3，大顆粒磨琢性強，帶火星，濾袋容易被沖刷和燒蝕。細顆粒PM10占比為30%，粘性大、袋式除塵不易清灰。

7）除塵器工作于超高負壓狀態(tài)（－12 000~－20 000 Pa），除塵器易漏風，結(jié)構(gòu)容易變形和吸癟，安全風險高。

1.2 新型袋式除塵器研發(fā)

傳統(tǒng)的袋式除塵器不能直接用于燒結(jié)機頭煙氣除塵，針對燒結(jié)機頭煙氣的特性，發(fā)明了一種節(jié)能降耗袋式除塵器新結(jié)構(gòu)［8］，即“頂部垂直進風袋式除塵器”，解決了火星捕集、粗顆粒預除塵和結(jié)構(gòu)抗高負壓的問題，顯著降低了過濾阻力，實現(xiàn)了節(jié)能運行。

頂部垂直進風袋式除塵器包括灰斗、中箱體、花板、上箱體、頂部垂直進風管、慣性沖擊器（芯管）、濾袋及袋籠、脈沖噴吹清灰裝置和出風管等，如圖1所示。其工作原理是：含塵氣體從頂部垂直進風管進入除塵器，利用慣性沖擊器的作用預分離粗顆粒和火星，下降氣體通過芯管以輻射狀向濾袋區(qū)域均勻擴散并過濾，凈化后的氣體匯集到上箱體從側(cè)面或頂部排出。

技術(shù)關(guān)鍵之一是花板和清灰裝置的新穎性布置，為實現(xiàn)模塊化和標準化，花板和清灰裝置圍繞著垂直進風管以旋切狀布置，如圖1所示。

圖1 頂部垂直進風袋式除塵器

技術(shù)關(guān)鍵之二是在除塵器內(nèi)部設置了芯管，可以起到預除塵和火星捕集作用；同時，通過芯管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可使下降氣體以輻射狀向濾袋區(qū)域擴散，等量分配。

技術(shù)關(guān)鍵之三是將除塵器結(jié)構(gòu)做了最大限度的簡化，將結(jié)構(gòu)阻力減少到極致，克服了傳統(tǒng)袋式除塵器氣流曲里拐彎流動的缺點，使流動成為短流程，更為簡潔和平緩，大幅度減少運行阻力能耗，節(jié)能降碳，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)除塵器與垂直進風除塵器氣體流態(tài)對比

技術(shù)關(guān)鍵之四是研發(fā)了理想的氣流分布型式，即煙氣在芯管中向下流動的同時，以輻射狀向周圍等量擴散的氣流分布方式，如圖3所示。

圖3 輻射狀氣流分布

綜上所述，頂部垂直進風袋式除塵器的優(yōu)勢可歸納為以下幾個方面：①具有粗顆粒和火星捕集預除塵功能；②除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化到極致，運行阻力大幅度降低，節(jié)能效果顯著；③采用輻射狀氣流分布方式，風量分配和速度分布均勻；④出風口可設置在頂部或任意一個側(cè)面，不受場地限制，易于布置；⑤除塵器內(nèi)部形成三維支撐結(jié)構(gòu)，能承受超高負壓；⑥可降低除塵器鋼耗量和占地面積?？梢姡敳看怪边M風袋式除塵器是為燒結(jié)機頭煙氣凈化量身定制的專用除塵裝備。

1.3 袋式除塵器濾料研發(fā)

濾料是燒結(jié)機頭煙氣袋式除塵器的核心部件，決定了燒結(jié)機頭煙氣袋式除塵的成敗，目前市場上還沒有此類產(chǎn)品，必須開展專項研發(fā)。針對燒結(jié)機頭煙氣的特性，要求濾料必須同時具有抗結(jié)露、耐高溫、耐酸堿腐蝕、耐氧化、阻燃的功能［4-5］。

首先，通過熱態(tài)試驗遴選出能適應燒結(jié)機頭煙氣并長期運行的專用濾料。研究人員專門設計了A、B、C、D不同濾料纖維材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的濾袋樣品，將4種濾袋樣品置于除塵器內(nèi)部進行現(xiàn)場熱態(tài)掛袋試驗，如圖4所示。重點考驗濾袋對燒結(jié)煙氣的適應性，即破袋、結(jié)露、腐蝕、板結(jié)、強度、透氣性等情況，定期打開除塵器觀察濾袋狀態(tài)變化，并抽取濾袋送檢，測試其斷裂強度和透氣性衰減數(shù)據(jù)。掛袋試驗中，發(fā)現(xiàn)某種濾袋出現(xiàn)破損、某些濾袋表面出現(xiàn)結(jié)露、某些濾料強度和透氣性衰減等現(xiàn)象。經(jīng)過2年的熱態(tài)試驗考驗，從強力指標、透氣量、表面光潔度和濾料成本等主要指標綜合考量，最終優(yōu)選出B濾料較為理想，成為燒結(jié)機頭煙氣袋式除塵專用濾料［1］。B濾料熱態(tài)試驗過程性能變化如表1所示。其次，對濾袋

圖4 燒結(jié)機頭煙氣袋式除塵濾料熱態(tài)試驗

的直徑和長度進行了優(yōu)化設計。

1.4 除塵器防腐試驗

燒結(jié)機頭煙氣SO2含量較高，濕度大，氧含量為16%~18%，煙溫有時低到80℃因此除塵器內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)腐蝕較嚴重。研究人員開展了防腐試驗，試驗選擇了3種材料樣品，放置在除塵器內(nèi)部進行熱態(tài)耐腐蝕試驗，如圖5所示。

圖5 3種材料試驗前后腐蝕狀況對比

試驗發(fā)現(xiàn)，3種材料表面均“生長”了一層薄的黑色物質(zhì)，取樣送XRF檢測，檢測結(jié)果表2所示。

表2 XRF檢測結(jié)果

由圖5局部放大視圖可知，腐蝕程度按大小順序依次排列為：材料Ⅱ＞材料Ⅰ＞材料Ⅲ，材料Ⅲ基體基本沒有腐蝕，材料Ⅰ基體少許腐蝕，材料Ⅱ基體腐蝕最為嚴重。XRF檢測結(jié)果表明，材料Ⅱ的S含量較材料Ⅰ顯著低，暗示其腐蝕反應開始時間較材料Ⅰ早。造成設備腐蝕的主要原因是發(fā)生了酸結(jié)露，因此防止煙氣結(jié)露和提高設備殼體耐腐蝕性尤為關(guān)鍵。

防腐試驗還發(fā)現(xiàn)除塵器凈氣室內(nèi)表面伴有白色粉末次生物產(chǎn)生，嚴重時脫落形成大量碎末，為分析其組成和形成機理，從除塵器內(nèi)部5個不同部位采集了碎末樣品，送檢進行X射線熒光（XRF）檢測。測試結(jié)果表明，所有樣品主要成分為元素S和Fe，二者質(zhì)量比（mS/mFe）為0.11~0.23。反應物除白色粉末狀物質(zhì)外，還含有常見的腐蝕產(chǎn)物-Fe2O3、Fe3O4、-FeOOH和-FeOOH［9-10］。

1.5 袋式除塵安全運行保障措施

為保障燒結(jié)機頭煙氣袋式除塵安全穩(wěn)定運行，研究人員還研發(fā)了配套技術(shù)措施，包括：①防治濾袋超高溫燒蝕和超低溫結(jié)露的自控保護技術(shù)；②防治除塵器超高負壓結(jié)構(gòu)安全的泄壓技術(shù)；③防止油霧糊袋技術(shù)；④灰斗高超料位可靠報警技術(shù)；⑤防止灰斗積灰自燃的滅火技術(shù)；⑥濾袋保護的預涂粉快速混勻技術(shù)；⑦除塵器焊接和安裝檢漏技術(shù)；⑧燒結(jié)機開機生產(chǎn)協(xié)同技術(shù)等。

2 燒結(jié)機頭電除塵與袋式除塵技術(shù)經(jīng)濟分析

與傳統(tǒng)電除塵相比，燒結(jié)機頭袋式除塵器在環(huán)境效應、性能指標、經(jīng)濟性和維護檢修等方面占有明顯優(yōu)勢。以480 m2燒結(jié)機為例，在處理風量相同的條件下，二者技術(shù)經(jīng)濟對比如表3所示。

表3 480 m2燒結(jié)機電除塵與袋式除塵技術(shù)經(jīng)濟對比

對比可見，燒結(jié)機頭煙氣袋式除塵器能實現(xiàn)穩(wěn)定超低排放，為后續(xù)脫硫脫硝和活性炭吸附床等裝置的穩(wěn)定運行提供了保障，減少了生產(chǎn)停機頻次。年節(jié)約電費41%，年綜合運行費用下降約20%，經(jīng)濟效益顯著。

3 大型燒結(jié)機頭煙氣袋式除塵技術(shù)應用示范

大型燒結(jié)機頭煙氣袋式除塵技術(shù)和裝備于2021年9月9日在新余鋼鐵股份有限公司7# 360 m2燒結(jié)機上建成投運，這是袋式除塵技術(shù)在大型燒結(jié)機頭煙氣凈化上應用的全球首臺套示范工程，如圖6所示，也是中國在大氣環(huán)保領(lǐng)域顛覆性技術(shù)上取得的重大突破。投運以來，袋式除塵系統(tǒng)運行穩(wěn)定，出口顆粒物質(zhì)量濃度為5.1 mg/m3，平均阻力為650 Pa，燒結(jié)產(chǎn)量不下降，實際綜合能耗降低30%以上，實現(xiàn)了超低排放，減污降碳效應開始顯現(xiàn)。

圖6 全球首臺套大型燒結(jié)機頭煙氣袋式除塵工程示范

新余鋼廠7#燒結(jié)機為360 m2大型燒結(jié)機，年產(chǎn)燒結(jié)礦380萬~400萬t。原機頭煙氣除塵采用2臺280m2雙室四電場臥式電除塵器，出口粉塵濃度嚴重超標，影響脫硫脫硝系統(tǒng)穩(wěn)定運行。新余鋼廠決定對7#燒結(jié)機頭的一個大煙道煙氣實施袋式除塵。煙氣參數(shù)為：工況處理風量為108×104m3/h，煙氣溫度為120~180℃（最高220℃），煙氣負壓為17000Pa，含塵質(zhì)量濃度＜15g/m3，SO2質(zhì)量濃度為1500~3000mg/m3，NOx質(zhì)量濃度為300~450mg/m3，含氧量為16%，含濕量為10%~12%。

示范工程采用了頂部垂直進風袋式除塵器和專用過濾材料，風機利舊，無需改造或更換。投運以來，袋式除塵器運行穩(wěn)定，停機檢查時，除塵器內(nèi)部清潔，未見濾袋破損、結(jié)露、腐蝕和糊袋現(xiàn)象，濾袋表面粉餅附著均勻，易脫落，如圖7所示，清灰周期為1.5~2.0h。運行數(shù)據(jù)顯示，燒結(jié)機頭煙氣采用袋式除塵后，主抽風機頻率多在46~48.5 Hz，定子電流為193~239 A，風機入口負壓為9 500~12 500 Pa，燒結(jié)機料層厚度由原來的780 mm增加到820 mm，實現(xiàn)了提質(zhì)增效。

圖7 除塵器內(nèi)部潔凈與濾袋表面粉餅易脫落

4 結(jié)論

1）燒結(jié)機頭煙氣袋式除塵技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)電除塵技術(shù)，是中國原始自主創(chuàng)新取得的最新科技成果，成功實現(xiàn)了全球首臺套示范應用，解決了世界性難題，技術(shù)性能指標達到國際領(lǐng)先水平。

2）很好地解決了后續(xù)脫硫脫硝和活性炭吸附裝置結(jié)垢、堵塞、失活、中毒等極難問題，提高了石膏品質(zhì)和白度，為燒結(jié)煙氣穩(wěn)定超低排放提供了保障。

3）頂部垂直進風袋式除塵器具有效率高、阻力低、預除塵、氣流分布均勻、抗高負壓、結(jié)構(gòu)簡單和占地小等鮮明特點，減污降碳效益顯著，引領(lǐng)了袋式除塵技術(shù)發(fā)展方向。

4）研發(fā)的專用過濾材料具有耐高溫、抗結(jié)露、耐腐蝕和阻燃的功能，是為燒結(jié)機頭煙氣袋式除塵量身定制的專用濾料。

5）袋式除塵系統(tǒng)運行穩(wěn)定，與燒結(jié)生產(chǎn)同步作業(yè)率達100%，實現(xiàn)了保產(chǎn)、增產(chǎn)和提質(zhì)增效。示范工程是對原創(chuàng)技術(shù)可行性驗證的重要實踐，將為國內(nèi)外燒結(jié)機頭煙氣袋式除塵技術(shù)推廣積累關(guān)鍵數(shù)據(jù)和寶貴經(jīng)驗，意義重大。