基本氧气炉气体回收和净化系统

氧气炉煤气回收净化系统

在碱性氧气转炉炼钢过程中，炉料中吹入氧气（O2），由于转炉容器内发生化学反应，产生大量高温气体，富含一氧化碳。氧化物 (CO) 通过转换器的口排出。在这个阶段，气体非常热（温度 950 摄氏度或更高）并且充满灰尘。这种气体称为 LD 气体、BOF 气体或转炉气体。转炉煤气的热值和沃泊指数通常被归类为贫气，但从燃烧特性（特别是燃烧温度）来看，属于富气。

在转炉炼钢的早期，从烟囱冒出的褐色烟雾表明转炉正在工作。如今，由于转炉气体回收和清洁系统，转炉的运行只能从火炬烟囱中检测到。

转炉气体的成分随所使用的工艺、回收方法，特别是 O2 体积而变化。气体的成分从转炉中的热量吹送开始到结束都在变化，并且是吹送时间的函数。转炉煤气的主要成分是 CO、CO2（二氧化碳）、O2 和 N2（氮气）。按体积计，转炉气体的典型成分为 CO – 55 % 至 60 %、CO2 – 12 % 至 18 %、O2 – 0.1 % 至 0.3 %，其余为 N2。

第一批转炉于 1952 年 11 月（林茨的 VOEST）和 1953 年 5 月（OAMG，多纳维茨）投入运行。在 LD 转炉工艺的早期，炉顶煤气通过敞篷在转炉口完全燃烧，然后在烟囱中间接用水或通过蒸发冷却系统冷却。当时每吨粗钢产生约300公斤蒸汽和250立方米（cum）烟气。

在 1950 年代工业化实施时，环境因素是转炉工艺面临的严峻挑战。转炉废气中粉尘的细度迫使工艺供应商开发新的除尘系统。 1 克 (g) 转炉粉尘的可见表面积在 300 平方米 (sqm) 到 500 平方米之间。为了通常避免“棕色烟雾”的光学效应，系统中的灰尘应清除至低于 100 毫克/立方米的水平。为此，使用了湿式和干式除尘系统。随着环境问题数量的增加，转炉工艺面临的挑战越来越成为机遇。这个机会有助于开发抑制燃烧的转炉煤气回收系统。如今，经济和环境要求对转炉煤气和含铁粉尘中的能量进行收集和有效回收。

通常，可以使用两个系统来处理转炉顶部气体和从转炉气体中回收能量。这些系统是（i）部分/完全燃烧，（ii）抑制燃烧。

在完全（或开放）燃烧系统（不再主要使用）中，来自转炉容器的工艺气体在烟道气管道中燃烧。转炉容器和初级（或转炉气体）通风之间的开口允许环境空气进入，因此允许转炉气体部分或完全燃烧。在这种情况下，工艺气体每吨钢水 (tLS) 含有约 15 kg 至 20 kg 的粉尘和约 7 kg CO 气体/tLS。通过使用废热锅炉中的显热来回收能量。 BOF气体在烟道内燃烧时，烟气排放，要求满足当地排放标准。在开放式燃烧​​系统中，由于将空气引入 BOF 气体管道，因此流量很大（大约 1,000 N cum/tLS 到 2,000 N cum/tLS）。

随着转炉体积的增加，废气处理设备变得越来越大。大型转炉采用非燃烧式系统有几个原因，例如系统整体尺寸相对较小，易于维护，除尘效率稳定。在 60 年代初期，开发了回收转炉高热值炉顶气的工艺，以便将其用作工厂内的气体燃料。这是通过抑制燃烧实现的。

抑制燃烧系统为热量和燃料回收提供了最佳机会。在吹氧期间，在 BOF 口上方降低了裙边，以减少空气渗透并抑制烟道中 CO 气体的燃烧。产生的富含 CO 的气体被收集、清洁和储存，以供随后在钢铁厂内用作燃料气体。产生高压蒸汽的余热锅炉可以在气体被清洁和储存之前回收气体的显热。这可以恢复总能量输出的 10% 到 30% (0.1 GJ/tLS –0.3 GJ/tLS)。另外 50% 到 70% 作为化学能 (CO) 从 BOF 气体中回收。使用转炉气体回收和废热锅炉应用抑制燃烧时的总能量回收率可高达 70 % 至 90 %。采用无泄漏系统，节能可达到 0.35 GJ/tLS 至 1.08 GJ/tLS。节能 0.92 GJ/t 钢，CO2 排放减少 46 kg/t 钢。能源回收可将使用化石燃料和电力产生的二氧化碳减少约 0.05 吨二氧化碳/吨钢。由于 CV 和 CO 含量低，转炉气体在吹炼开始和结束时通常不会被收集，而是被燃烧掉。因此不可避免地会排放二氧化碳。与开放式燃烧​​系统相比，抑制燃烧的一个优点是气体流量较小，因为不会发生燃烧并且不会引入额外的空气。冷却和气体净化系统因此更小。它还可以提高生产效率，因为可以提高吹氧速度并降低风扇的能耗。安装专家系统优化转炉煤气收集可节省约 30 MJ/tCS（吨粗钢）。

安装在转炉口上方的工艺设备具有冷却、净化和抑制燃烧回收转炉煤气的功能。通过抑制转炉煤气的燃烧，每吨粗钢可回收 70 至 100 立方米的转炉煤气，其热值范围为 1,600 kcal/N cum 至 2,000 kcal/N cum 的煤气。除80公斤/吨粗钢外，还生产蒸汽，以防改造炉顶气蒸发冷却系统。回收的转炉煤气与其他副产品煤气（焦炉煤气和高炉煤气）混合，用作钢铁厂的燃料。二次炼钢真空脱气装置主要使用蒸汽。

由于钢的精炼是在短时间内完成的，每次加热约 35 分钟，粉尘浓度非常高。在具有气体回收功能的非燃烧型转炉中，第一除尘装置入口处的粉尘浓度为70 g/N cum至80 g/N cum。非燃烧型转换器，不燃烧 CO 气体，管理从喉部吸入的空气量，并将浓度控制在爆炸极限以下，从而回收 CO 气体作为燃料。废气处理由废气冷却系统和净化系统组成。

BOF气体在回收用作燃料时，要满足一定的要求。如今，在大多数转炉车间，转炉煤气通过引入抑制燃烧系统作为燃料进行回收。由于受到抑制的燃烧系统，产生的废气量约为 50 N cum/tLS 至 100 N cum/tLS。这导致初级除尘设施的尺寸存在显着差异。以抑制燃烧方法为特征的废气流速降低导致原料气体质量浓度更高，因此，对于相同的清洁气体粉尘负荷，粉尘回收系统的效率将提高。因此，从粉尘回收的角度来看，抑制燃烧原理允许使用设计用于实现更高粉尘回收率所需的较小体积流量的除尘系统。初级除尘通常由文丘里式洗涤器（约 60% 的 BOF 车间）或干湿 ESP（静电除尘器）进行。在文丘里管或 ESP 之前，粗颗粒通常通过导流板等方式移动。转炉中的气体回收系统示意图如图 1 所示。

图1碱性氧气炉气体回收系统示意图

抑制燃烧系统可大致分为两种类型，即 (i) OG 型和 (ii) IC (IRSID-CAFL) 型。 OG型系统在喉部和罩裙之间基本没有空间，在封闭喉部控制压力。 IC型系统在喉部和罩裙（其直径比喉部的直径稍大）之间有数百毫米的间隙，并控制喉部开口处的压力。非燃烧型系统可保持较低的气体温度并关闭燃烧空气。因此，安装在系统中的冷却装置和除尘装置比安装在燃烧式系统中的要小。由于该系统处理主要由CO组成的气体，因此需要注意焊剂和冷却剂输入孔和喷枪孔的密封，以及设备外围的泄漏控制以及气体保留部分的净化。

OG型系统因其运行稳定性而被频繁使用。 OG型冷却系统不仅可以将废气的显热作为蒸汽回收，还可以通过使用冷却装置降低废气温度来提高IDF（引风机）效率。 OG 系统通常设计用于回收塔顶转炉气体的大部分潜热和显热。用于转炉煤气回收的OG抑制燃烧系统示意图如图2所示。

图2 OG抑制燃烧系统示意图

过程

在炼钢转炉的吹炼过程中，大气与转炉口的气体混合。在转炉口进入系统的大气量由罩压和活动裙板控制。在吹气期间，初始阶段是富氧阶段。在这个阶段，空气比 (λ) 为 1。在这个富氧阶段，主要气体完全燃烧，在此期间没有气体回收发生。之后，在 lambda 小于 1 时开始富 CO 气体阶段。在此阶段仅发生部分氧化，并形成含有 CO、CO2 和 N2 气体的可燃废气。在此之后，脱碳的主要阶段发生在吹炼期的中间部分。在此阶段，空气比 (lambda) 保持在最小值，约为 0.1。在此期间，最大量的气体被回收。吹气结束时，λ值再次保持为1，产生的气体完全燃烧，气体没有回收。

抑制燃烧系统回收转炉煤气的优点是系统结构比全燃烧系统结构紧凑得多，因此可以根据现场需要进行灵活调整。在此过程中，控制罩气体压力以防止气体从转炉口喷出，并控制空气比（λ）。系统控制很重要，因为它处理爆炸性废气（主要是 CO 气体）。系统需要以安全的方式运行。该系统需要具有较高的能量性能，并且需要回收废气的潜热和显热。

从转炉出来的富含 CO 的气体首先在转炉罩内通过冷却水或蒸发冷却系统 (ECS) 间接冷却，以将其标称温度从 1,600 到 1,700 摄氏度降低到 900 摄氏度左右。转炉车间采用ECS以低压蒸汽的形式回收部分废气的显热。必须将转炉气体冷却至 900 摄氏度，以避免在湿法清洁过程中形成水气 (CO + H2)。众所周知，水煤气具有极强的爆炸性。

该系统需要具有较高的除尘性能。回收的气体通过湿式或干式气体净化设备进行净化。目前世界上超过 90% 的除尘系统基于湿式气体净化工艺运行。这些系统能够满足小于 50 mg/N cum 粉尘的要求。在湿法系统中，回收的转炉气体在文丘里洗涤器中进行清洁，然后在除雾器中进行处理。然后将清洁后的气体储存在储气罐中，以便在 ESP 中进一步清洁后稳定地供应给气体分配系统，或者在燃烧后由 IDF 风扇通过火炬烟囱排出。湿法清洗产生的浆料通过浸封罐、流槽和碗耙分级机输送至浓缩机进行湿处理。添加化学物质用于凝聚和更好的分离。浓缩机溢流冷却后循环使用，污泥在真空过滤机或压滤机中进一步处理，用于烧结厂。

配备 ESP 的干式气体净化设备可实现低于 15 mg/N Cum 的粉尘含量。在干洗中，转炉煤气在余热锅炉冷却后的粗粉尘在蒸发室中分离出来，然后通过静电除尘器去除细粉尘。干式和湿式气体净化装置的比较见表 1。干式气体净化装置具有较低的能耗、更高的效率和更好的转炉煤气质量以及经济的回收方式，具有良好的前景。灰尘。