高炉煤气的清洗

高炉煤气清洗

在高炉 (BF) 中生产液态铁的过程会在炉顶产生气体，这是 BF 工艺的重要副产品。高炉炉顶煤气处于高炉炉顶存在的温度和压力下，通常被灰尘和水颗粒污染。这种炉顶气具有很高的热值，被称为原料 BF 气或受污染的 BF 气。这种炉顶煤气的成分和数量取决于高炉工艺过程的性质以及用于高炉炼铁的原材料的类型和质量。为了进一步利用高炉原料气，必须采用一定的工艺系统对其进行净化，降低其固体颗粒的含量。

炉顶煤气含有一氧化碳（CO），净化后称为高炉煤气。用作热风炉加热鼓风的燃料气，以及钢铁厂的补充燃料。为了将BF气体用作燃料气体，必须对原始BF气体进行清洁和冷却以减少气体体积和水分含量。提前冷却和减少气体量也是必要的，因为它可以在整个钢铁厂广泛的配送系统中显着节省运输成本。

表 1 给出了采用喷煤 (PCI) 运行的高炉的高炉煤气的典型分析。气体净化的工艺系统是湿气净化系统或干法净化系统。高效的气体净化系统对于高炉高温热风系统以及钢厂高炉气网的可靠运行和较长的使用寿命至关重要。湿法清洗系统是高炉煤气清洗较常用的系统。

高炉煤气净化系统的主要功能是从这种煤气中去除颗粒物。此外，该系统还对气体进行冷却以降低其水分含量，从而提高其热值。回收的污泥/粉尘含有较高量的铁和碳，因此可以通过烧结厂回收利用。

高炉工艺知识对于正确设计和操作气体净化系统是必要的。负载准备和矿石装载类型（球团或烧结矿）会影响粉尘的数量和粒度。此外，助熔剂材料的选择和制备也会影响洗涤器系统中的水化学性质。钙可以从用作助熔剂的石灰石中引入水系统。焦炭和燃料喷射剂会产生硫、氯化物、氨和氮氧化物。气体分析随装载材料和高炉操作（有或没有 PCI）的不同而不同。生产水平和风速会影响气体净化系统中的颗粒负载。

顶部压力和洗涤器压降（在湿系统的情况下）会影响除尘效率，以及洗涤器水中溶解气体的吸附。除了净化和冷却炉顶煤气的基本功能外，洗涤器和/或炉顶煤气能量回收涡轮机还控制高炉的炉顶压力。为了使炉子平稳稳定地运行，必须控制顶部压力并尽可能保持恒定。因此，气体净化系统的设计必须与高炉的运行充分结合。

在加料、出钢、均压、换炉等操作过程中，不可避免地会出现燃气流量和压力的变化。波动通常持续时间短，但幅度相当大，在高炉顶部以及整个燃气系统的下游都能感受到。高炉气体净化系统的设计必须能够处理和控制这种波动。

如果使用 PCI 运行的炉子从炉顶出来的 BF 气体每标准立方米气体含有大约 20-30 克烟尘，因此不能这样使用。这种粉尘含有焦炭、炉料和化学化合物的细小颗粒，这些颗粒是由于在高炉中发生的反应而形成的。表 2 给出了使用 PCI 的原始 BF 气体中的典型粒径分布。

由于净化高炉煤气的主要目的是生产无尘、冷却的煤气，用作钢厂高炉的燃料，因此煤气净化系统的设计就是为了满足这一目标。

从含尘量很大的气体中有效去除粗细粉尘混合物需要使用除尘器和多文丘里洗涤系统。有效的冷却需要在高炉气体排放到钢铁厂的高炉气体网络之前使用气体冷却塔。原始 BF 气体在气体净化装置中分两个阶段进行净化，即初级气体净化阶段和二级气体净化阶段。高炉煤气净化系统典型流程图如图1所示。

图1气体净化系统流程图

初级气体净化阶段

初级气体净化基于重力分离原理，用于去除大颗粒的灰尘。它是在湿法洗涤之前对高炉炉顶煤气中的粉尘颗粒进行干法分离，通常通过重力除尘器或最近通过大直径旋风分离器来完成。在这个阶段，所有较粗的颗粒都被去除。目的是在干燥条件下尽可能多地去除灰尘，以便重复使用和回收。回收的粉尘还必须是低锌和铅，以满足高炉锌平衡的限制。分离器的除尘效率取决于颗粒尺寸分布、分离机制（即重力或离心力）以及在较小程度上取决于入口粉尘负载。分离出来的粉尘一般大于10微米，收集在贮尘斗中，贮尘斗的尺寸通常为积尘一天半，并通过排尘系统排空。

除尘器为大型圆柱形结构，通常具有较大的直径和所需的高度。它通常有衬里以隔热并防止高炉气体中的水分凝结，使灰尘保持干燥，不会结球并自由流入底部除尘器的锥形部分，以便定期清除。

气体通过单个下降管送至除尘器，并通过垂直管道从顶部进入，该垂直管道将气体向下输送到除尘器内。该管道在其下端像倒置的漏斗一样张开，因此当气体向下通过时，其速度（因此其粉尘携带潜力）降低，大部分较粗的粉尘从气流中落下并沉积在锥体中除尘器的底部。由于除尘器的底部是封闭的，而出气口靠近顶部，因此气体的行进方向必须反转 180 度。这种流动方向的突然反转导致更多的灰尘沉淀下来。

传统重力除尘器的操作和效率受斯托克斯定律的约束。 1851 年，乔治·斯托克斯 (George Stokes) 通过求解小的流体质量限制，推导出了施加在具有非常小的雷诺 (Re) 数的球形物体上的摩擦力（也称为阻力）的表达式，例如，非常小的颗粒，在连续粘性流体中一般不可解的 Navier-Stokes 方程组。

然而，斯托克斯定律仅适用于具有非常小的 Re 数且在层流区域中具有沉降速度的球形物体。对于 Re 数高于 0.2 且高达 100,000 的粒子，湍流程度变得显着，导致额外的阻力。因此，沉降（或终端）速度通常低于斯托克斯定律预测的速度。对于这些颗粒尺寸，终端速度由颗粒 Re 数与其阻力系数之间的相关性确定，使用海伍德表中给出的值。或者，可以使用粒子 Re 与阿基米德 (Ar) 数（在 Re =0.2 和 20,000 之间有效）之间的相关性。

如果颗粒因自身重量而落入粘性流体中，则当该摩擦力与浮力相结合时，会达到最终速度，也称为沉降速度，从而与重力完全平衡。根据组合的斯托克斯定律和海伍德表，可以确定每组粒子的终端速度。从颗粒末端速度可以计算出去除效率，它取决于除尘器环内的上升气体速度，因此也取决于筒体直径。

在旋风除尘器的情况下，除尘器的操作和效率基于离心力。在旋风除尘器中，原始高炉气体通过一个或两个切向入口以一定速度将灰尘颗粒推向炉壁并将它们与气流分离。旋风除尘器可以有不同类型的内部结构。一种旋风分离器是完全排空的，而另一种则具有复杂的进气罩和可更换的导叶。

与除尘器技术相比，旋风分离器内部更高的灰尘分离与旋风分离器内部的离心力和高圆周速度有关。容器内部的较高速度需要对容器内部的表面进行特殊保护。由于气体速度低，除尘器的内表面经常在没有任何保护的情况下运行，但旋风技术需要保护这些表面以避免磨损。

旋风除尘器通常带有涡流器、顶点、流锥和带有双除尘出口的集尘斗。旋风分离器的收集效率很大程度上取决于粒度分布。 5 微米以下的颗粒由于质量小而无法去除； 5微米到30微米之间的颗粒在锥形除尘器中被部分分离，大于30微米的颗粒被完全分离。旋风除尘器的整体分离效率优于重力除尘器。去除的干粉尘含有很少的锌和铅浓度，可以很容易地回收利用。旋风除尘器可减少由湿气清洁组成的二级阶段的粉尘负荷。 

除尘器配备除尘系统，用于在接近大气压的压力下分批倾倒粉尘，以防止粉尘在除尘器中积聚并减少粉尘和气体排放。粉尘通常在排放到地面或直接排放到下方的自卸车/货车之前被润湿。灰斗内装有液位传感装置，用于液位指示。来自液位传感装置的信号用于监测粉尘堆积、启动粉尘倾倒循环并提供低液位和高液位警报。

二次气体净化阶段

在除尘器中进行初级清洁后的 BF 气体（大部分重颗粒被去除）移动到作为湿法清洁系统的二次气体清洁阶段（洗涤器）。在这个阶段，BF 气体与水接触被净化，几乎所有的悬浮颗粒都被分离（超过 99%）。在一些工厂中，这种气体被进一步带入静电除尘器。二次气体净化阶段处理后的气体进入工厂的高炉煤气管网，也用于高炉炉灶加热。来自系统的污染水同时含有 500-10,000 mg/l 范围内的高浓度悬浮颗粒，因此被送往沉淀池/澄清池-浓缩器，在那里灰尘沉淀下来，顶部的清水被泵送以供重复使用。洗涤器有多种设计、尺寸和性能可供选择。它们的设计主要是为了收集粒子。

无故障洗涤器操作，即使在粗炉运行条件下，也是高炉经济生产铁的先决条件。洗涤器的设计将进行优化，以提供高可靠性和卓越的性能。洗涤器所需的特性是（i）多种除尘机制，（ii）最低洗涤水要求，（iii）卓越的顶部压力控制，（iv）经过验证的性能和高效率，（v）低空间要求，（vi）低能耗，和 (vii) 低噪音排放。

粒径是影响洗涤器去除效率的最重要因素之一。较大的颗粒更容易去除，而亚微米颗粒最难去除。

关于湿式洗涤器中的除尘机制，从高炉煤气中分离粉尘颗粒需要施加一个力，使颗粒相对于气体产生差动，并有足够的停留时间使颗粒迁移到收集面。

用于高炉煤气净化的洗涤器根据基本的空气动力学原理运行。空气动力学原理的一个简单类比是，如果将非常大尺寸的水滴投射到与小得多的气流粒子碰撞，那么碰撞的统计机会非常小。随着水滴的尺寸减小到更接近气流颗粒的尺寸，碰撞的机会增加了。研究表明，围绕水滴的表面薄膜的厚度约为其直径的 1/ 200。如果气流粒子的直径小于水滴直径的 1/200，则气流粒子在飞行中流过水滴周围的流线膜而不会发生碰撞。但如果水滴直径小得多，就会发生碰撞。 10 微米的目标粒子需要小于 2000 微米 (200×10) 的水滴才能充分收集。因此，有效的洗涤需要将水雾化到与颗粒尺寸相关的细度，以提供与待捕获颗粒的最大接触。此外，水滴撞击灰尘颗粒的概率与灰尘浓度成正比。与一群尘埃相比，单个尘埃颗粒撞击单个液滴的可能性更小。为了平衡这些因素，洗涤器根据要洗涤的气体体积（通过气流的压降测量）和要喷洒的水量（通过喷嘴处的液压测量）进行调节。洗涤室的高度和直径也根据已知的气体特性进行调整。

高炉气体洗涤中的主要分离机制包括（i）惯性拦截，（ii）湍流（布朗）扩散，和（iii）流线拦截。当一个小颗粒悬浮在液体中时，它会受到液体分子的冲击。对于超细粒子（胶体），赋予粒子的瞬时动量随机变化，导致粒子在现在称为布朗运动的色情路径上移动。惯性拦截的特点是不同质量的不同惯性力。当含尘气体在收集的水滴周围流动时，较大质量的尘粒不遵循气流的流线。这些粒子在惯性力的推动下撞击并穿透水滴，从而从气流中去除。湍流扩散在从气流中去除较小的灰尘颗粒方面非常有效。小颗粒，特别是那些直径小于约 0.3 微米的颗粒，表现出相当大的布朗运动，并且不会沿着气体流线均匀移动。这些颗粒从气流扩散到水滴表面并被收集。这种收集机制只能在促进气液混合物湍流的洗涤器中起作用，以低速运行并提供足够的停留时间。只有当气体流线在收集水滴的一个粒子半径内通过时，流线拦截才起作用。沿该流线行进的尘粒接触水滴并在不受惯性或湍流扩散影响的情况下被收集。 BF气水洗除尘机理见图2。

图2除尘机制

除尘器只是一个沉降室，用于去除大颗粒并减少文丘里洗涤器的负载。气体通过一级文丘里管（带分离器）和二级文丘里管，以更有效地去除颗粒。然后气体通过夹带分离器/气体冷却塔组合。然后将清洁、冷却的气体输送到钢铁厂的 BF 气体网络。需要充分冷却以降低气体的水分含量，以避免高炉配气管线和熔炉出现问题。

从第一个文丘里管收集的含有大量颗粒物的循环水被直接送到澄清器-浓缩器。从分离器收集的循环水再循环到第一文丘里洗涤器。在澄清池中加入补充水，合并的溢流循环到二级文丘里。所以最干净的水接触到最干净的气体，然后回到第一个文丘里管，然后回到澄清器。水可以从增稠剂循环到洗涤器，也可以用于其他目的，例如淬渣。

传统的冷却塔通常用于从气体冷却塔水或洗涤器水中除去热量。塔的设计使冷却水和文丘里洗涤器水分开成为可能。洗涤器水通常含有来自高炉炉料中石灰细粉的相当大的硬度和碱度。因此，经常遇到规模问题。在许多系统中，氧化铁和未燃烧碳的沉积也是一个问题。沉积问题最常出现在主文丘里喷嘴和喉部区域，气体含有最高水平的颗粒物，以及进出浓缩器的管线和泵。

然而，沉积可能发生在文丘里洗涤器、分离器、气体冷却塔或洗涤器循环管线和泵中。澄清是另一个主要问题领域，因为液体/固体分离不充分会导致澄清池溢流水质较差。

最近，在新建和改建的高炉上，特别是在中华人民共和国，袋式除尘器对高炉煤气进行干法净化得到了广泛的应用。干气清洗与使用文丘里洗涤器的湿气清洗有以下区别。

• 清洗过程中的缺水消除或减少了一些高炉水厂设施，例如：气体清洗系统的污泥泵站、污泥沉淀池和絮凝器、浆液输送泵站、气体周转循环的循环泵站清洁等。
• 清洗后的气体温度在100℃到120℃的范围内，比湿气清洗后的气体温度高50℃到70℃。煤气的湿度也降低了50到-60克/立方米，加起来等于高炉煤气的热值增加了50到60大卡/立方米。
• 将高炉煤气中的粉尘含量降低到 2-3 毫克/立方米，从而提高热风炉的使用寿命，同时提高顶压回收涡轮机的性能。
• 由于更好​​地从气体中除尘并取消了污泥处理设施，钢铁厂的环境得到了改善。

基于干洗的二次气体净化系统组成如下。

• 袋式过滤器由多个部分组成，每个部分安装数十个过滤袋
• 氮气脉冲除尘系统
• 支撑和保护金属结构
• 带有阀门和热效应补偿器的气体管道系统
• 捕获的灰尘清洁和回收系统（气动或刮板输送机）
• 用于过滤器吹扫和气动粉尘输送的氮气供应系统
• 袋式过滤器减压系统
• 捕获的粉尘存储单位
• 自动化、检测和电气控制系统

袋式除尘器一般有8～16段，分两排排列，其中1段或2段备用，1段循环吹扫氮气清洗模式，其他段进行气体清洗模式。对于过滤材料，使用具有高耐火性、耐磨性和抗撕裂性等的织物。此外，经过化学处理的织物在清洗过程中很容易清除灰尘，因为它具有改进的防水和防油性能。该织物还可以防止静电电流的发生。最大过滤速度1.0～1.5 cum/min，气体温度50℃～280℃（系统在300℃气体温度下也能稳定（可靠）运行2小时）。

高炉煤气清洗后的正常含尘量通常不超过3毫克/立方米。布袋的使用寿命一般可达两年。