优化高炉煤气净化提升能源效率

高炉煤气净化

高炉(BF)炼铁过程炉顶产生煤气，是高炉工艺重要副产品。高炉顶煤气处于炉顶温度压力，通常夹带粉尘和水颗粒。此顶煤气具相当热值，称原始BF煤气或污染BF煤气。其成分和量取决于高炉工艺过程性质和炼铁原料类型质量。为进一步利用原始BF煤气，需用工艺系统净化降低固体颗粒含量。

顶煤气含一氧化碳(CO)，净化后称高炉煤气。用作热风炉加热风燃料气及钢厂补充燃料。为作燃料气，原始BF煤气须净化冷却降低气量和水分。预冷却和减量也必要，因能在钢厂庞大输配系统中大幅节省输送成本。

煤气成分与净化系统

喷吹煤粉(PCI)高炉煤气典型分析见表1。煤气净化工艺系统为湿法净化或干法净化。高效煤气净化系统对高温热风系统可靠运行和长周期寿命、钢厂BF煤气网络至关重要。湿法净化是BF煤气净化更常用系统。

表1 PCI高炉煤气典型分析
成分	单位	数值
CO	% Vol.	20-24
CO₂	% Vol.	18-23
H₂	% Vol.	1.5-4.5
N₂	% Vol.	52-57
SO₂	mg/m³	10-30
NH₃	mg/m³	5-21
氯化物	mg/m³	50-200
氮氧化物	mg/m³	3-12

高炉煤气净化系统主要功能除去气体颗粒物。此外系统冷却煤气降低水分含量，提高热值。回收泥/粉尘含较高铁和碳，可通过烧结厂回收利用。

了解高炉工艺对煤气净化系统合理设计运行必要。原料制备和矿料类型(球团或烧结)影响粉尘量和粒度。熔剂选择制备影响洗涤器系统水化学。石灰石作熔剂可引入钙入水系。焦炭和喷吹燃料贡献硫、氯、氨和氮氧化物。煤气成分随原料和有无PCI高炉操作变化。生产水平和风率影响净化系统粉尘负荷。

炉顶压力和洗涤器压降(湿法)影响除尘效率，及洗涤水溶解气体吸附。除顶煤气基本净化冷却功能外，洗涤器和/或顶煤气能量回收透平还控制高炉炉顶压力。为平稳稳定炉况运行，炉顶压力须控制尽可能恒定。煤气净化系统设计须与高炉运行完全集成。

装料、放铁、均压、换炉等操作中，煤气流量压力不可避免波动。波动通常持续短但幅度大，在高炉顶及下游整个煤气系统感受到。BF煤气净化系统设计须能处理控制此类波动。

PCI操作高炉炉顶排出BF煤气含约20-30g标准立方米粉尘，不能直接用。此粉尘含焦炭细粒、原料细粒及高炉反应生成化合物。PCI原始BF煤气典型粒度分布见表2。

表2 PCI原始BF煤气粒度典型分布
级别	粒径(μm)	平均粒径(μm)	%分布
1	0-10	5	9
2	11-30	20	8
3	31-60	45	12
4	61-100	80	17
5	101-200	150	17
6	201-400	300	17
7	401-600	500	10
8	601-800	700	10

因净化高炉煤气首要目标产生无尘冷却煤气作钢厂炉燃料，煤气净化系统设计须满足此目标。

从极粉尘气体有效去除粗细混合粉尘，需用粉尘捕集器和多文丘里洗涤系统。有效冷却需煤气冷却塔在BF煤气排入钢厂BF煤气网前使用。原始BF煤气在煤气净化厂两级净化：一级净化、二级净化。典型高炉煤气净化系统流程图1。

一级净化阶段

一级净化基于重力分离原理，去除大颗粒粉尘。即湿法洗涤前高炉顶煤气干法分离粉尘，常用重力粉尘捕集器或近期大直径旋风分离器。此阶段去除所有较粗颗粒。目标尽可能干式除尘以便再利用回收。回收粉尘锌铅含量也须低满足高炉锌平衡限制。分离器除尘效率依赖粒度分布、分离机制(重力或离心力)、较少程度依赖进口粉尘负荷。分离粉尘通常>10μm，收集于粉尘储料斗，通常按1.5天粉尘积累定尺，经粉尘排放系统定期排放。

粉尘捕集器为大圆筒结构，通常大直径和所需高度。通常衬里绝缘防BF煤气水分冷凝，使粉尘保持干燥不结团自由流入捕集器底部锥体定期排除。

煤气经单一下料管送入捕集器，从顶部垂直管进入，管将煤气向下输送捕集器内部。管下端呈倒漏斗状喇叭口，使煤气下行速度(及携尘能力)降低，大部分粗粉尘从气流分离沉积捕集器底部锥体。因捕集器底部封闭、气体出口近顶部，气流方向必须反转180°。流向突变致使更多粉尘沉降。

常规重力粉尘捕集器运行效率受斯托克斯定律支配。1851年George Stokes解纳维-斯托克斯方程小流体质量极限，推导极小雷诺数(Re)球体在连续粘性流体中受摩擦力(阻力)表达式。

但斯托克斯定律仅适用极小Re数、层流区沉降速度球体。颗粒Re数>0.2至100,000时湍流显著，导致额外阻力。故沉降(终端)速度通常低于斯托克斯定律预测。此粒径终端速度由颗粒Re数与阻力系数关联用Haywood表数值确定。或用颗粒Re数与阿基米德(Ar)数关联(Re=0.2-20,000有效)。

颗粒自重在粘性流体中沉降时，摩擦力与浮力合力平衡重力时达终端速度称沉降速度。基于斯托克斯定律和Haywood表可确定各颗粒组终端速度。由颗粒终端速度可算除尘效率，取决于捕集器环形空间上升气速，故取决于筒径。

旋风粉尘捕集器运行效率基于离心力。旋风捕集器中原始高炉煤气经一或两切向入口以速度进入，迫使粉尘颗粒向壁分离离开气流。旋风捕集器内部结构型式不同。一型完全空腔，另型有复杂进口导流罩和可换导叶。

旋风内更高粉尘分离与离心力和高圆周速度相关，比粉尘捕集器技术高。内部高速度要求容器内表面特殊保护防磨损。粉尘捕集器因低气速常无内表面保护运行，但旋风技术需保护这些表面避免磨损。

旋风粉尘捕集器通常带涡流查找器、顶点、流锥和双粉尘出口集尘斗。收集效率高度依赖粒度分布。<5μm颗粒因质量小不除；5-30μm颗粒部分分离；>30μm颗粒锥形捕集器完全分离。旋风粉尘捕集器总分离效率优于重力捕集器。除去干粉尘锌铅浓度极低可直接回收。旋风捕集器降低湿法净化二级粉尘负荷。

粉尘捕集器装粉尘排放系统，按批次近大气压下排放粉尘防捕集器积尘减少粉尘气体排放。粉尘排放前通常湿化，直接排地面或倾卸车/瓦贡。料斗装料位传感器指示料位。传感器信号监测积尘、启动排放周期、提供高低位报警。

二级净化阶段

BF煤气经粉尘捕集器一级净化去除大部分重颗粒后，进入二级净化阶段(洗涤器)即湿法净化系统。此阶段BF煤气与水接触净化，分离几乎所有悬浮颗粒(>99%)。部分厂此气进静电除尘器。二级净化后净化煤气入厂BF煤气网亦用于BF炉加热。系统污染水含高浓度悬浮颗粒500-10,000mg/L，送沉淀池/澄清浓缩器沉降粉尘，上清液泵回再用。洗涤器设计规格、尺寸、性能范围广。首要设计目标颗粒收集。

即使粗暴炉况驱动下洗涤器无故障运行是高炉经济炼铁前提。洗涤器设计须优化提供高可靠性优异性能。洗涤器需特征：(i) 多重除尘机制，(ii) 最小洗涤水需求，(iii) 优越炉顶压力控制，(iv) 验证性能高效率，(v) 低空间需求，(vi) 低能耗，(vii) 低噪音排放。

粒度是影响洗涤器除尘效率最重要因素之一。大颗粒极易去除，亚微米颗粒最难去除。

关于湿法洗涤器除尘机制，将粉尘颗粒从高炉煤气分离需施加产生颗粒相对气体差动运动的力，并有足够停留时间使颗粒迁移至收集表面。

高炉煤气洗涤器基于基本气动原理运行。简单类比：若极大水滴投射碰撞极小气流颗粒，统计碰撞几率极小。水滴尺寸减小至接近气流颗粒尺寸，碰撞几率改善。研究表明水滴周围表面膜厚度约直径1/200。飞行气流颗粒直径<水滴直径1/200时沿流线绕水滴流过无碰撞。但水滴直径远小于颗粒则碰撞发生。10μm目标颗粒需<2000μm(200×10)水滴充分捕集。高效洗涤故需将水雾化至与颗粒尺寸相关精度，提供最大接触捕集颗粒。水滴击中粉尘颗粒概率与粉尘浓度成正比。单粉尘颗粒击中单水滴几率低于蜂群。均衡这些因素，洗涤器按待洗气量(气流压降测)和喷水量(喷嘴水压测)调节。洗涤室高径按已知气体特性定制。

高炉煤气水洗主要分离机制：(i) 惯性拦截，(ii) 湍流(布朗)扩散，(iii) 流线拦截。流体中悬浮微小颗粒受液体分子撞击。超细颗粒(胶体)瞬时动量随机变化致颗粒作布朗运动。惯性拦截特征为不同质量惯性力差异。含尘气流绕收集水滴流动时，大质量粉尘颗粒不随气流流线流动。这些颗粒受惯性力推动撞击穿透水滴，从而从气流去除。湍流扩散高效去除气流小粉尘。特别是<0.3μm颗粒表现显著布朗运动，不沿气流流线均匀运动。这些颗粒从气流扩散至水滴表面被捕集。此收集机制仅在促进气液混合湍流、低速、足够停留时间洗涤器功能。流线拦截仅当气流线通过收集水滴一颗粒半径内功能。沿此流线运动粉尘颗粒触碰水滴被收集，无惯性或湍流扩散影响。图2示BF煤气水洗除尘机制。

粉尘捕集器仅为沉降室去除大颗粒减轻文丘里洗涤器负荷。气体经一级文丘里(带分离器)和二级文丘里进一步有效除颗粒。然后气体经除雾器/煤气冷却塔组合。净化冷却煤气送入钢厂BF煤气网。需充分冷却降低气体水分避免BF煤气输配管线和炉子问题。

一级文丘里收集含高颗粒物回收水直接送澄清浓缩器。分离器收集回收水循环一级文丘里洗涤器。补水加澄清器，合并溢流水回收二级文丘里。故最清洁水接触最清洁气，再回一级文丘里再至澄清器。水可从浓缩器回收洗涤器或用他途如渣淬火。

常规冷却塔通常用于煤气冷却塔水或洗涤器水除热。塔设计可保持冷却水和文丘里洗涤水分离。洗涤水通常含高炉原料石灰细粉带来相当硬度和碱度。结垢常遇。氧化铁沉积和未燃碳沉积许多系统关注。沉积问题最常遇一级文丘里喷嘴喉部(气体最高颗粒物)及通往浓缩器管线泵。但沉积可发生任一文丘里洗涤器、分离器、煤气冷却塔、洗涤回收管线泵。澄清另一主要问题区，因液固分离不充分导致澄清器溢流水质差。

近期新建和改造高炉，特别是中国，干法袋式除尘器净化高炉煤气获广泛应用。干法净化较湿法文丘里洗涤有以下差异：

• 净化过程无水消除或减少多高炉水处理设施：煤气净化污泥泵站、污泥沉淀池絮凝器、浆液输送泵站、煤气净化循环泵站等。
• 净化后煤气温度100-120℃，比湿法净化后煤气高50-70℃。湿度降低50-60g/m³，合计使高炉煤气热值增加50-60kcal/m³。
• 高炉煤气粉尘含量降至2-3mg/m³，提高热风炉寿命，增强顶压回收透平性能。
• 钢厂环境改善：煤气除尘更好、消除污泥处理设施。

基于干法二级净化系统含：

• 袋式除尘器单元多段，每段装数十滤袋
• 氮气脉冲清灰系统
• 支撑保护金属结构
• 带阀门热补偿器煤气管道系统
• 捕集粉尘清理回收系统(气力或刮板输送机)
• 滤袋吹扫及气力输灰氮气供应系统
• 袋式除尘器泄压系统
• 捕集粉尘储存单元
• 自动化、检查、电气控制系统

袋式除尘器通常8-16段，两排布置，1-2段备用，1段循环氮气吹扫清灰模式，其余段净化模式。滤料用高耐火、耐磨损等织物。经化学处理后织物易吹扫清灰，因具改善疏水疏油性。织物也防静电。最大过滤速率1.0-1.5m³/min，气温50-280℃(系统也能在300℃煤气温度稳定可靠运行2小时)。

净化后高炉煤气正常粉尘含量通常≤3mg/m³。滤袋寿命一般达两年。