轉爐干法除塵泄爆問題分析及系統設計

郭映波，嚴月祥，李 博，鄭 濤

（中冶京誠工程技術有限公司煉鋼工程技術所，北京 100176）

0 引言

在轉爐一次煙氣除塵領域主要存在兩種工藝路線：濕法除塵技術和干法除塵技術。由于國內早期環保政策沒有歐美嚴格，2000 年以前，我國國內有的轉爐車間以及新建車間轉爐一次煙氣主要以濕法除塵技術路線為主。濕法除塵技術以水為介質對轉爐煙氣進行冷卻和洗滌，達到降溫和除塵效果，操作簡單、設備運行穩定性好，但設備占地大、水耗量高。與濕法除塵技術相比，干法除塵技術水耗、能耗比較低，除塵效率高，能夠穩定地將轉爐煤氣煙塵質量濃度降低到15 mg/m3（甚至10 mg/m3）以下。根據國內鋼廠生產經驗[1]，對于150 t 轉爐，采用干法除塵比濕法除塵電耗降低越4.4 kW·h/t；轉爐煤氣回收量增加12.427 m3/t。

轉爐一次煙氣干法除塵技術成熟于20 世紀60年代，并逐漸在世界范圍內推廣使用。我國第一套轉爐干法除塵設備由上海寶山鋼鐵公司于20 世紀90年代率先引進，應用于二煉鋼廠250 t 轉爐[2]。

近年來，由于國內環境問題日益突出，環保政策逐漸收緊（轉爐一次煙氣粉塵排放標準由過去100 mg/m3降低到50 mg/m3[3]），“碳達峰、碳中和”“創建超低排放A 級企業”等節能環保理念受到鋼鐵企業重視，大多數煉鋼企業對標國際、國內先進企業，在新建或改造項目中積極采用環保節能技術，實際建設過程中將轉爐一次除塵的排放要求降低至15 mg/m3以下，為適應將來國家環保政策的調整預留空間。在此背景下，轉爐一次干法除塵技術得到快速推廣，成為各企業轉爐車間新建和改造項目采用的主流技術。

一批國內承包商掌握了大中型轉爐一次干法除塵整套技術，全面實現了工藝和機械/電氣設備的設計、加工制造、施工安裝以及軟件編程、調試等整個系統的國產化，除塵效果、能耗指標達到國際先進水平，降低了國內企業建設和運營成本，為轉爐干法除塵技術快速推廣奠定了技術基礎。

1 干法除塵工藝流程

轉爐干法除塵工藝流程如圖1 所示。

圖1 轉爐一次干法除塵工藝流程圖

轉爐冶煉產生的高溫煙氣（1 400～1 600 ℃）通過汽化冷卻煙道時降溫至800～1 000 ℃。通過蒸發冷卻器時，被噴入到煙氣中的細小霧化水滴直接冷卻，噴入的水全部蒸發；煙氣中粉塵在入口處被水滴濕潤，煙氣流在蒸發冷卻器內流速降低，粗顆粒粉塵被捕集下來。煙氣在降低溫度的同時被加濕調質，適于在干式靜電除塵器內凈化處理。

煙氣離開蒸發冷卻器時溫度為180～250 ℃，通過荒煤氣管道進入靜電除塵器。轉爐冶煉不同階段，含CO2或CO 的煙氣呈柱塞狀交替地通過蒸發冷卻器和除塵器設備等全部煙氣通道。為消除爆炸氣流產生的破壞，靜電除塵器外殼上裝有泄爆閥。煙氣在靜電除塵器中流通時，在高壓電場力的作用下，荷電后的灰塵（粒徑0.02～1.5 μm）吸附在陽極板上，煙氣中的含塵質量濃度可以降低到10 mg/m3左右。

轉爐煙氣經過降溫、除塵等一系列凈化處理，達到煤氣回收標準后，打開切換站回收側杯閥，進入煤氣冷卻器，噴水洗滌，轉爐煤氣冷卻到70 ℃以下后回收入柜；如果凈化煙氣不滿足煤氣回收標準，打開切換站中的放散杯閥，煙氣中的CO 在煙囪中與O2充分燃燒后，排放至大氣。在吹煉過程中，粗粉塵在蒸發冷卻器內被分離出來輸送至儲灰倉內。吸附在靜電除塵器內極板上的細灰顆粒通過振打落下，由扇刮、輸灰裝置將細灰輸送到儲灰倉中。儲灰倉中的粉塵可用吸塵車運出做進一步處理。

轉爐干法除塵系統主要存在問題[4]：泄爆故障、蒸發冷卻器積灰、輸灰系統故障、煙氣含水含塵量過高等。其中，系統泄爆發生頻率高，難以預防；小泄爆導致轉爐提槍，影響生產節奏；嚴重的泄爆破壞電除塵器內部設備[5]，造成轉爐停產，帶來重大損失；泄爆控制不好，發展為爆炸，可能導致設備毀損和人員傷亡。

控制或消除泄爆，是采用干法除塵技術的鋼廠每天不得不面對的重要課題。

2 泄爆機理

泄爆本質上是在有限空間內的壓力急劇升高到體系限值后自發或受控的釋放過程。為了保護設備安全，轉爐干法除塵系統靜電除塵器兩端設置有泄爆閥，當靜電除塵器內部壓力達到設定值5 kPa 時，泄爆閥自動打開，完成泄爆，將靜電除塵器內部壓力降低到安全范圍內。

泄爆主要分為燃燒性泄爆和非燃燒性泄爆兩類。

非燃燒性泄爆是由于前端壓力突然升高，傳導至靜電除塵器造成的泄爆[6]，如：爐內脫碳速度異常提高、產生的爐氣量瞬間加大，EC 槍內蒸汽壓力、流量不穩定等。

燃燒性泄爆是由于可燃性氣體瞬間燃燒，因體積膨脹導致壓力急劇升高的泄爆現象。轉爐冶煉過程產生的煙氣中含有CO 和H2，同時含有一定量的O2，轉爐煙氣的爆炸有三要素：一是可燃性氣體與氧氣混合比達到爆炸極限，即：φ（CO）≥9%，φ（O2）≥6%；φ（H2）≥3%，φ（O2）≥2%；CO 與空氣的混合爆炸極限為12.5%～75%[7]，考慮提高系統運行的安全性，生產實踐中將CO 體積濃度控制邊界確定為9%。二是混合氣體的溫度?；旌蠚怏w的溫度在最低著火點以下，即CO 的著火點≤610 ℃；H2的著火點≤645 ℃。三是點火火源。

這三個條件缺一不可，控制泄爆的關鍵在于破壞爆炸發生的條件。根據轉爐煙氣干法除塵流程分析，靜電除塵內煙氣溫度在180～250 ℃，滿足了第2 個因素，此條件無法破除。因此，控制泄爆的目標是破壞第1 或者第3 個條件?？刂泣c火火源依靠設備維護，保持設備狀態良好，減少靜電除塵器內放電打火次數。針對第1 個要素，根據轉爐冶煉的不同階段，采用不同的控制路線：開吹階段φ（O2）≥6%，控制φ（CO）≤9%；正常冶煉階段φ（CO）≥9%，控制φ（O2）≤6%。H2比CO 更易造成泄爆，應將原料等帶入的H 元素盡量以H2O 的形式排出，避免H2的產生。

經過大量的數據統計發現，燃燒性泄爆是靜電除塵器泄爆的主要原因，約占97%；泄爆強度較大，對設備破壞性較大。

3 泄爆的控制措施

各企業根據自身設備和操作人員實際情況，摸索出各自預防和減少泄爆的方法。

3.1 原料方面堅持精料原則

要求入爐廢鋼、石灰、輕燒白云石等爐料干燥、無水汽；若廢鋼潮濕，入爐后需要利用轉爐余熱烘烤2～4 min，烘烤時爐口不正對煙道口；氧槍、煙道系統漏水時，嚴禁生產；通過這些手段，避免轉爐煙氣中H2含量超標，消除H2導致的燃燒性泄爆。要求入爐廢鋼潔凈，無可燃物，防止吹煉過程中，廢鋼中的油污、油漆、橡膠等可燃物瞬間燃燒產生大量氣體，導致靜電除塵器內壓力驟然升高，引發泄爆。

嚴格“先廢鋼，后鐵水”的裝入順序[8]。除第一批料外，副原料的加入堅持少量、多批次原則：

1）操作上，根據吹煉的不同階段，控制煙氣成分，避免進入爆炸極限；確保吹煉平穩，防止煤氣量波動導致靜電除塵器壓力泄爆。轉爐吹煉階段的泄爆多數發生在開吹打火階段和二次下槍階段。據統計[9]，開吹泄爆占比31.8%，二次下槍泄爆占比68.2%。

2）開吹階段，鐵水溫度較低，吹煉前期需要脫出鐵水中的Si、Mn、P 等元素，脫碳速度低，煙道內存在大量空氣。本階段采取的主要措施是優化供氧模式，根據自身的設備配置和操作習慣，部分企業采用氧氣流量階梯控制模式[10]，部分企業采用氧氣流量斜坡控制模式[11]。主要操作目標是通過充分的二次燃燒將開吹產生的CO 轉換為CO2，使φ（CO）降到9%以下，利用CO2改質后的爐氣排空煙道及除塵系統中的O2，達到避免泄爆的目標。針對半鋼煉鋼開吹打火困難問題，某廠摸索出了氧氮復合點火技術[12]。

3）二次下槍與開吹下槍相比，鐵水溫度高、爐渣氧化性強，Si、Mn、P 等元素已經完成氧化，煙道內存有大量的CO，操作不好極易導致燃燒性泄爆。大多數廠家二次下槍采用彈幕技術，吹氧前，先使用氮氣對系統內爐氣進行置換；二次下槍時，采用比開吹階段更低的氧氣流量和更高的槍位，抑制C-O 反應，并將產生的CO 燃燒為CO2。國內某廠摸索出了二次下槍的七步處理法[13]，有效避免了二次下槍導致的泄爆。

4）吹煉中期，主要是維持吹煉平穩，避免冷卻劑尤其是鐵礦石或氧化鐵皮大量集中加入，防止C-O反應劇烈波動導致泄爆。

5）吹煉后期，控制拉碳速度，使終點w（C）≤0.15%[14]，防止點吹泄爆。

6）濺渣護爐階段發生泄爆概率較小，但也有鋼廠由于加入含碳濺渣料導致泄爆。根據某廠數據，濺渣時加入鎂球500 kg、焦末300 kg 以上的爐次，煙氣中CO 體積分數最高可達11.5%，具備泄爆條件。

3.2 加強設備檢查

在設備方面，冶煉前確保煙道、氧槍等設備完好，無漏水；加強對管路、泄爆閥等設備及設施的密封性檢查，避免冶煉過程中吸入空氣導致O2含量超標；定期檢查確認陽極板與陰極線間距離，減少高壓起弧次數。

4 結論及建議

1）干法除塵泄爆是目前鋼廠生產過程中普遍存在的問題。原料條件、操作手法以及設備狀況等多種因素均可導致泄爆發生。目前控制泄爆主要依賴操作和設備的磨合，通過操作優化可以大大降低泄爆的次數，將泄爆率降低到0.088‰。

2）各企業將控制泄爆的措施主要集中于優化槍位、氧流量、加料制度、氮氣稀釋等方面，對爐口微正壓操作重視不夠。建議強化爐口微差壓控制，使風機轉速與爐內煙氣發生速度相協調，避免從爐口吸入過多空氣導致煙氣中O2超標泄爆的發生。

3）現有干法除塵系統煤氣在線分析儀大都安裝在靜電除塵器后?？陀^上，成分檢測有一定的滯后性，為泄爆發生埋下隱患。建議在蒸發冷器出口管道上增加煙氣成分在線分析儀，便于提前發現煙氣濃度超標，為充氮稀釋提供反應時間，降低泄爆發生的可能性。

4）靜電除塵器內電場起弧打火是泄爆發生的必要條件之一，建議開展對電場起弧打火監測及預測手段的研究。如果能夠提前預測起弧打火的時間、位置、范圍大小，有針對性地采取措施進行干預，對預防泄爆有一定的實際意義。

5）目前取得的成績和經驗，是各廠操作人員根據自身操作經驗不斷試錯取得的成果，具有個性化、不穩定的特點，難以從根本上解決問題。實質原因在于目前轉爐和氧槍的控制系統與干法除塵控制系統獨立設計、獨立運行，轉爐氧槍的操作后果傳遞給干法除塵系統，干法除塵系統事故發生后，相關信號返回轉爐氧槍控制系統驅動提槍作業，這個過程屬于事后反饋。建議相關承包商開展研發工作，建立專門的預防泄爆二級模型，統一考慮原料條件、操作過程、設備狀態等因素，將基于煙氣分析的轉爐冶煉二級系統整合起來，通過大數據分析、人工智能技術，精準預測冶煉各階段煙氣流量、煙氣成分，匹配相應的操作，變后饋為前饋，減少人為操作因素導致的泄爆問題，穩定轉爐生產，直至徹底消除非設備原因導致的泄爆。