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基礎(chǔ)氧氣爐氣體回收和清潔系統(tǒng)

在堿性氧氣爐（BOF）的煉鋼過(guò)程中，氧氣（O2）被吹入混合料中，由于在轉(zhuǎn)爐容器中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，大量的高溫和富含一氧化碳（CO）的氣體從轉(zhuǎn)爐口出來(lái)。在這個(gè)階段，氣體是非常熱的（溫度為950攝氏度或更高），并帶有灰塵。這種氣體被稱為L(zhǎng)D氣體、BOF氣體或轉(zhuǎn)爐氣體。就熱值和沃貝指數(shù)而言，轉(zhuǎn)爐煤氣通常被歸類為貧氣，但就其燃燒特性（尤其是燃燒溫度）而言，則屬于富氣范疇。

在早期的轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中，從煙囪冒出的褐色煙霧表明轉(zhuǎn)爐正在工作。如今，由于轉(zhuǎn)爐煤氣回收和清潔系統(tǒng)的存在，轉(zhuǎn)爐的運(yùn)行只能從火炬煙囪中檢測(cè)出來(lái)。

轉(zhuǎn)爐氣體的成分隨使用的工藝、回收方法，特別是O2量的變化而變化。氣體的成分從轉(zhuǎn)爐吹熱的開(kāi)始到結(jié)束都有變化，是吹熱時(shí)間的一個(gè)函數(shù)。轉(zhuǎn)爐氣體的主要成分是CO、CO2（二氧化碳）、O2和N2（氮?dú)猓?。按體積計(jì)算，轉(zhuǎn)爐氣體的典型成分是CO - 55%至60%，CO2 - 12%至18%，O2 - 0.1%至0.3%，其余為N2。

第一批轉(zhuǎn)爐于1952年11月（林茨的VOEST）和1953年5月（Donawitz的OAMG）投入運(yùn)行。在LD轉(zhuǎn)爐工藝的早期，頂部氣體在轉(zhuǎn)爐口通過(guò)開(kāi)放的罩子完全燃燒，然后在煙囪中用水間接冷卻或通過(guò)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)冷卻。 當(dāng)時(shí)，每噸粗鋼產(chǎn)生約300公斤的蒸汽和250立方米（Cum）的煙道氣。

在20世紀(jì)50年代工業(yè)化實(shí)施轉(zhuǎn)爐工藝時(shí)，環(huán)境問(wèn)題是一個(gè)嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。轉(zhuǎn)爐廢氣中粉塵的細(xì)度迫使該工藝的供應(yīng)商開(kāi)發(fā)新的除塵系統(tǒng)。1克（g）轉(zhuǎn)爐粉塵的可見(jiàn)表面積在300平方米（sqm）到500平方米之間。為了通常避免 "棕色煙霧 "的光學(xué)效應(yīng)，粉塵要從系統(tǒng)中清除到低于100毫克/立方米的水平。為此，濕式和干式除塵系統(tǒng)都被使用。隨著環(huán)境問(wèn)題的增加，這一挑戰(zhàn)越來(lái)越成為轉(zhuǎn)爐工藝的一個(gè)機(jī)會(huì)。這個(gè)機(jī)會(huì)有助于開(kāi)發(fā)抑制燃燒的轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)。 今天，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境要求轉(zhuǎn)爐煤氣和含鐵粉塵中的能量被收集并有效回收。

一般來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)系統(tǒng)可以用來(lái)處理頂部的轉(zhuǎn)爐煤氣并從轉(zhuǎn)爐煤氣中回收能量。這些系統(tǒng)是：（i）部分/完全燃燒，（ii）壓制燃燒。

在完全（或開(kāi)放）燃燒系統(tǒng)中（目前已不再使用），來(lái)自轉(zhuǎn)爐容器的工藝氣體在煙氣管道中燃燒。轉(zhuǎn)爐容器和一次（或轉(zhuǎn)爐氣體）通風(fēng)之間的開(kāi)口允許環(huán)境空氣進(jìn)入，因此允許轉(zhuǎn)爐氣體部分或全部燃燒。在這種情況下，每噸液態(tài)鋼（tLS）的工藝氣體含有約15公斤至20公斤的粉塵，以及約7公斤的CO氣體/tLS。通過(guò)在余熱鍋爐中使用顯熱來(lái)回收能量。當(dāng)BOF氣體在煙道中燃燒時(shí)，煙氣會(huì)被排放出來(lái)，并需要滿足當(dāng)?shù)氐呐欧艠?biāo)準(zhǔn)。在開(kāi)放式燃燒系統(tǒng)中，由于空氣被引入到BOF氣體管道中，有一個(gè)很大的流量（大約1000N cum/tLS到2000N cum/tLS）。

隨著轉(zhuǎn)爐體積的增加，廢氣處理設(shè)備也變得更大。大型轉(zhuǎn)爐采用非燃燒型系統(tǒng)有幾個(gè)原因，如系統(tǒng)整體尺寸相對(duì)較小，易于維護(hù)，除塵效率穩(wěn)定。在60年代早期，開(kāi)發(fā)了回收轉(zhuǎn)爐高熱值頂部氣體的工藝，以便在工廠內(nèi)作為氣體燃料使用。這是通過(guò)壓制燃燒實(shí)現(xiàn)的。

抑制燃燒系統(tǒng)提供了熱量和燃料回收的最佳機(jī)會(huì)。在吹氧過(guò)程中，在BOF口上降下一個(gè)裙邊，以減少空氣滲入并抑制CO氣體在煙道中的燃燒。由此產(chǎn)生的富含CO的氣體被收集、清潔并儲(chǔ)存起來(lái)，隨后作為鋼鐵廠的燃料氣體使用。 一個(gè)產(chǎn)生高壓蒸汽的余熱鍋爐，可以在氣體被清潔和儲(chǔ)存之前回收其顯熱。這可以回收總能量輸出的10%到30%（0.1GJ/tLS-0.3GJ/tLS）。另外50％至70％是作為化學(xué)能（CO）從BOF氣體中回收。當(dāng)應(yīng)用轉(zhuǎn)爐氣體回收的抑制燃燒和余熱鍋爐時(shí)，總的能量回收率可高達(dá)70％至90％。在無(wú)泄漏系統(tǒng)的情況下，能源節(jié)約可以達(dá)到0.35GJ/tLS到1.08GJ/tLS。隨著能源節(jié)約達(dá)到0.92GJ/t鋼，二氧化碳排放量減少了46公斤/t鋼。能源回收使使用化石燃料和電力產(chǎn)生的二氧化碳降低了約0.05噸二氧化碳/噸鋼。由于轉(zhuǎn)爐氣體的CV和CO含量較低，在吹煉開(kāi)始和結(jié)束時(shí)通常不會(huì)被收集，而是被燃燒。因此，二氧化碳不可避免地會(huì)被排放出來(lái)。與開(kāi)放式燃燒系統(tǒng)相比，抑制式燃燒的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是氣體流量較小，因?yàn)闆](méi)有發(fā)生燃燒，也沒(méi)有引入額外的空氣。因此，冷卻和氣體凈化系統(tǒng)也更小。這也導(dǎo)致了更高的生產(chǎn)率，因?yàn)榭梢蕴岣逴2的吹氣速度，并降低風(fēng)機(jī)的能耗。安裝一個(gè)專家系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化轉(zhuǎn)爐煤氣的收集，可以節(jié)省大約30兆焦耳/tCS（噸粗鋼）。

安裝在轉(zhuǎn)爐口上方的工藝設(shè)備具有冷卻、清理的功能，并在抑制燃燒的幫助下回收轉(zhuǎn)爐煤氣。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)爐煤氣的壓制燃燒，每噸粗鋼可回收70至100公斤轉(zhuǎn)爐煤氣，其熱值從1600千卡/年至2000千卡/年不等。除了80公斤/噸的粗鋼，如果蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)適用于頂層氣體的話，還可以制造蒸汽?；厥盏霓D(zhuǎn)爐煤氣與其他副產(chǎn)品煤氣（焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣）混合，作為燃料在鋼鐵廠使用。蒸汽主要由二次煉鋼的真空脫氣裝置使用。

由于煉鋼的時(shí)間很短，每次加熱約35分鐘，所以粉塵濃度非常高。在具有氣體回收功能的非燃燒型轉(zhuǎn)爐中，在第一個(gè)除塵裝置的入口處，粉塵濃度為70克/年積至80克/年積。非燃燒型轉(zhuǎn)化器在不燃燒CO氣體的情況下，對(duì)喉部的進(jìn)氣量進(jìn)行管理，并將濃度控制在爆炸極限以下，從而將CO氣體作為燃料進(jìn)行回收。廢氣處理包括一個(gè)廢氣冷卻系統(tǒng)和一個(gè)清潔系統(tǒng)。

當(dāng)轉(zhuǎn)爐氣體被回收作為燃料使用時(shí)，該氣體必須滿足一定的要求?，F(xiàn)在，在大多數(shù)轉(zhuǎn)爐車間，轉(zhuǎn)爐煤氣是通過(guò)引入壓制燃燒系統(tǒng)作為燃料進(jìn)行回收的。由于壓制燃燒系統(tǒng)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐煤氣的體積約為50N cum/tLS至100N cum/tLS。這導(dǎo)致初級(jí)除塵設(shè)施的尺寸有很大差異。抑制燃燒法的特點(diǎn)是廢氣流速降低，導(dǎo)致原氣質(zhì)量濃度提高，因此，對(duì)于相同的清潔氣體粉塵負(fù)荷，粉塵回收系統(tǒng)的效率要提高。因此，從粉塵回收的角度來(lái)看，抑制燃燒原理允許使用設(shè)計(jì)為較小體積流速的除塵系統(tǒng)，這對(duì)實(shí)現(xiàn)更高的粉塵回收率是必要的。初級(jí)除塵通常由文丘里式洗滌器（約占BOF車間的60%）或干式和濕式ESP（靜電除塵器）進(jìn)行。在文丘里或靜電除塵器之前，粗顆粒物通常通過(guò)導(dǎo)流板等方式進(jìn)行移動(dòng)。煉油廠的氣體回收系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 基本氧氣爐的氣體回收系統(tǒng)示意圖

抑制燃燒系統(tǒng)大體上可以分為兩種類型，即（i）OG型和（ii）IC（IRSID-CAFL）型。OG型系統(tǒng)基本上在喉部和爐罩裙邊之間沒(méi)有空間，并在封閉的喉部控制壓力。IC型系統(tǒng)在喉部和罩裙之間有幾百毫米的間隙（罩裙的直徑比喉部的直徑稍大），并在喉部開(kāi)口處控制壓力。非燃燒型系統(tǒng)使氣體溫度保持在較低水平，并將燃燒空氣關(guān)閉。因此，安裝在該系統(tǒng)中的冷卻裝置和除塵裝置比安裝在燃燒型系統(tǒng)中的要小。由于該系統(tǒng)處理的氣體主要由一氧化碳組成，因此需要注意流量和冷卻劑輸入孔和噴槍孔的密封，以及設(shè)備外圍的泄漏控制，并在氣體保留部分進(jìn)行清洗。

OG型系統(tǒng)由于其操作穩(wěn)定性而被經(jīng)常使用。OG型冷卻系統(tǒng)不僅可以將廢氣的顯熱回收為蒸汽，還可以通過(guò)使用冷卻裝置降低廢氣的溫度來(lái)提高IDF（引風(fēng)機(jī)）的效率。OG系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常是為了回收頂部轉(zhuǎn)爐氣體的潛熱和顯熱的高比例。圖2顯示了用于轉(zhuǎn)爐煤氣回收的OG抑制燃燒系統(tǒng)的圖像簡(jiǎn)圖。

圖2 OG壓制燃燒系統(tǒng)的示意圖

過(guò)程

在轉(zhuǎn)爐吹煉鋼水的過(guò)程中，大氣中的空氣在轉(zhuǎn)爐口與氣體混合。在轉(zhuǎn)爐口進(jìn)入系統(tǒng)的大氣量由罩子的壓力和活動(dòng)裙邊控制。在吹煉期間，初始階段是富氧階段。在這個(gè)階段，空氣比例（lambda）為1。在這個(gè)富氧階段，一次氣體被完全燃燒，在此期間沒(méi)有氣體回收發(fā)生。在此之后，富含CO的氣體階段開(kāi)始，λ小于1。在這個(gè)階段，只有部分氧化發(fā)生，并形成含有CO、CO2和N2氣體的可燃廢氣。在這之后，主要的脫碳階段發(fā)生了，大約是在吹氣期的中間部分。在這個(gè)階段，空氣比例（λ）保持在最小值，大約為0.1。在這個(gè)階段，最大的氣體被回收。在吹掃結(jié)束時(shí)，lambda值再次保持在1，產(chǎn)生的氣體被完全燃燒，沒(méi)有氣體回收。

抑制燃燒系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器氣體回收的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比完全燃燒的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要緊湊得多，因此它可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求更靈活地進(jìn)行調(diào)整。在這個(gè)過(guò)程中，罩子里的氣體壓力被控制，以防止氣體從轉(zhuǎn)爐口噴出，并控制空氣比例（λ）。系統(tǒng)控制很重要，因?yàn)樗幚肀ㄐ詮U氣（主要是CO氣體）。該系統(tǒng)需要以安全的方式運(yùn)行。該系統(tǒng)需要有較高的能量性能，并需要回收廢氣的潛熱和顯熱。

從轉(zhuǎn)爐出來(lái)的富含CO的氣體首先在轉(zhuǎn)爐罩內(nèi)通過(guò)冷卻水或蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)（ECS）間接冷卻，使其標(biāo)稱溫度從1600到1700攝氏度降到900攝氏度左右。將轉(zhuǎn)爐氣體冷卻到900攝氏度是必要的，以避免在濕法清洗時(shí)形成水氣（CO + H2）。眾所周知，水氣是高度爆炸性的。

該系統(tǒng)需要有較高的集塵性能?；厥盏臍怏w可通過(guò)濕式或干式氣體凈化設(shè)備進(jìn)行凈化。目前世界上90%以上的除塵系統(tǒng)都是在濕式氣體凈化工藝的基礎(chǔ)上運(yùn)行的。這些系統(tǒng)有能力滿足小于50mg/N的粉塵要求。在濕式系統(tǒng)中，回收的轉(zhuǎn)爐氣體在文丘里洗滌器中被清潔，然后在除霧器中進(jìn)行處理。凈化后的氣體在靜電除塵器中進(jìn)一步凈化后被儲(chǔ)存在氣體支架中，以穩(wěn)定地供應(yīng)給氣體分配系統(tǒng)，或者在燃燒后由IDF風(fēng)機(jī)通過(guò)火炬堆排出。濕法清潔過(guò)程中產(chǎn)生的漿液被輸送到濃縮器，通過(guò)浸漬密封罐、洗滌器和碗狀耙式分級(jí)機(jī)進(jìn)行濕法處理。加入化學(xué)品以進(jìn)行凝結(jié)和更好的分離。濃縮器的溢流在冷卻后被再循環(huán)，污泥在真空過(guò)濾器或壓濾機(jī)中進(jìn)一步處理，用于燒結(jié)廠。

帶有靜電除塵器的干式氣體凈化廠可以實(shí)現(xiàn)粉塵含量低于15mg/N Cum。在干式凈化中，轉(zhuǎn)爐氣體在余熱鍋爐中冷卻后的粗粉塵在蒸發(fā)室中被分離出來(lái)，然后用靜電除塵器去除細(xì)粉塵。干式和濕式氣體凈化廠的比較見(jiàn)表1。干式氣體凈化廠具有良好的前景，因?yàn)樗鼈兊哪芎妮^低，有效性較高，轉(zhuǎn)爐氣體的質(zhì)量較好，而且粉塵的回收方式經(jīng)濟(jì)。