1  概述

1.1  高爐煤氣是一種有回收價值的能源

高爐煤氣(簡稱BFG)是高爐冶煉過程中產(chǎn)生的一種副產(chǎn)品。正常冶煉時，噸鐵發(fā)生量約為1400-2000Nm3，壓力0.05-0.25MPa，溫度150-300度，BFG中CO占20-30%，H2占2-5%，熱值3000-3800kJ/Nm3。含有豐富的物理能、化學(xué)能，_具回收價值。

按2006年統(tǒng)計，我國現(xiàn)有高爐1250座，年產(chǎn)生鐵約4億噸，其中1000m3以上為120座，產(chǎn)量占40%，可見中小型高爐仍占較大份額。

1.2  高爐煤氣的回收利用

我國現(xiàn)役高爐煤氣的發(fā)生總量約計7.0X1010Nm3/a，大都設(shè)有處理回收裝置，但回收利用率差異較大，如寶鋼等新建大高爐大于99%，包鋼等大部分中型高爐大于90%，仍有不少中小型高爐只達到70-80%。

先期建設(shè)的高爐，大都采用文氏管濕法流程將爐頂荒煤氣處理為凈煤氣，用于熱風爐等加熱設(shè)備，繼后對1000m3以上高爐開發(fā)應(yīng)用爐頂煤氣余壓回收透平發(fā)電裝置(TOP GAS Pressure Recovery Turbine，簡稱TRT)，利用BFG的壓力能及熱能經(jīng)透平膨脹做功，帶動發(fā)電機發(fā)電，噸鐵發(fā)電量可達20-40kwh。截至2004年底我國1000m3以上高爐共97座，配置TRT的有66套。“十五”期間我國發(fā)改委<節(jié)能長期專項規(guī)劃>規(guī)定，爐頂余壓大于0.1MPa的大中型高爐均應(yīng)配置TRT裝置。上世紀九十年代瑞士BBC公司研制成功高爐煤氣燃氣輪機和燃氣蒸發(fā)聯(lián)合發(fā)電機組(CCPP)，進一步提高BFG的利用熱效率。2003年寶鋼建成世界上首臺燃燒低熱值高爐煤氣的大型燃氣——蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，熱電轉(zhuǎn)換效率達到45.5%。同期首套國產(chǎn)高爐煤氣燃氣輪機發(fā)電機組在通鋼投入運行，聯(lián)合循環(huán)熱效率達到40%。

1.3  高爐煤氣凈化的技術(shù)進步

傳統(tǒng)的BFG濕法凈化流程存在占地大、能耗高、凈煤氣質(zhì)量差等問題。1912年德國_BFG袋式干法除塵技術(shù)(簡稱BDC)，50年代在歐美發(fā)達_推廣應(yīng)用。70年代日本住友金屬引進德國_，與日立造船聯(lián)合進行二次開發(fā)，于1982年在小倉鋼廠1850m3高爐建成以化纖針刺氈濾袋和凈煤氣加壓反吹清灰為特征的BDC裝置，投入生產(chǎn)性運行，并獲得迅速推廣。據(jù)日本鋼聯(lián)對58座大中型現(xiàn)役高爐調(diào)查，采用全干法袋除塵的有11座，干濕兩用的有29座，兩項合計約占70%。其中不乏5000m3級的大高爐。

與以二文為特征的濕法流程相比，BDC具有多種_性：

(1)具有_而穩(wěn)定的凈化效能，凈煤氣含塵量低于5mg/Nm3，提高BFG的品質(zhì)和熱值；

(2)充分利用BFG的壓力能、熱能，提高TRT發(fā)電量30-50%；

(3)從根本上免除了瓦斯泥和污水處理的龐大設(shè)施及其對環(huán)境的污染；

(4)節(jié)地40-50%，節(jié)水80-90%，節(jié)省投資30-40%，節(jié)省運行能耗70-80%，通常在項目投運1-2年內(nèi)即可回收全部投資，環(huán)境經(jīng)濟效益_顯著。

1.4  我國BDC已走上快速發(fā)展道路

我國于1974年首先在河北涉縣鐵廠13m3小高爐上嘗試應(yīng)用玻纖濾袋反吹風除塵技術(shù)，并逐步在300 m3以下小高爐上推廣。1984年作為_重點節(jié)能項目，由太鋼引進日本住友技術(shù)，在1200m3高爐實施BFG袋式干法除塵技術(shù)的研究攻關(guān)，從1987年8月建成投入試運行，歷時十多年不懈探索、不斷改進，于1998年7月實現(xiàn)全干法正常運行，為我國BFG—BDC向中型高爐發(fā)展積累了有益的經(jīng)驗。

1990年我國自行研制開發(fā)的化纖濾袋脈沖袋式除塵器應(yīng)用在淮南鋼廠75m3小高爐上獲得成功。用高壓氮氣脈沖清灰代替凈煤氣加壓反吹清灰，克服了BDC引進技術(shù)的清灰不足和缺陷，是我國BDC技術(shù)的一大進步，并迅速在一大批中小型高爐推廣運用。2004年8月鋼鐵協(xié)會在濟南召開_高爐煤氣全干法除塵技術(shù)推廣研討會，積_推動“新型干法”由小高爐向中大型高爐發(fā)展，在本年度_有重鋼、天管750、首鋼、阜寧1260、萊鋼1880等高爐的全干法除塵系統(tǒng)投入運行。

進入新世紀我國政府把“發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、保護生態(tài)環(huán)境、加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展”作為指導(dǎo)方針。中國鋼協(xié)把高爐煤氣干法除塵列為冶金工業(yè)“三干一電”工藝技術(shù)首推項目。這股強勁的東風，推動了我國高爐煤氣袋式干法除塵的快速發(fā)展，先后涌現(xiàn)了通鋼、承鋼、韶鋼、萊鋼、包鋼等一批高爐煤氣全部實現(xiàn)BDC的_企業(yè)。繼2004年萊鋼1880、韶鋼2500高爐改造成功，2006年包鋼與有關(guān)單位合作開發(fā)應(yīng)用大筒體及氣力輸灰等新技術(shù)，將六座高爐(1800-2500m3)全部改為BDC，在規(guī)模和技術(shù)上取得雙突破。2007年唐鋼、武鋼、漣鋼等一批3200高爐正在實施BFG-BDC，并且首鋼曹妃甸新建5500高爐，寶鋼一號高爐(5000m3)大修工程都已確認采用BDC技術(shù)方案。

2  BDC核心技術(shù)

BFG是高溫、高壓、可燃、易爆、有毒氣體，并且其參數(shù)是隨冶煉工況而波動的。BFG除塵裝置本身作為高爐冶煉工藝的有機組成部分，講究運行的可靠性、穩(wěn)定性。因此與環(huán)境除塵設(shè)備相比，在其設(shè)計、制造、配件選用及運行控制環(huán)節(jié)有其特殊要求。整個BDC工藝可拆解為參數(shù)調(diào)制、除塵凈化、卸灰輸灰、安全監(jiān)控等項核心技術(shù)。

2.1  荒煤氣參數(shù)調(diào)制

2.1.1荒煤氣降溫處理

高爐正常冶煉時，爐頂出口煤氣溫度150-250度，按此進行除塵器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及濾料選配。但在高爐非正常工況，尤其在發(fā)生崩料、坐料時，短時間可上升到400-500度，甚至600度，需要進行降溫及控溫處理。

降溫方法有間接換熱冷卻和直接噴霧冷卻兩大類。間接冷卻又由殼管式水冷、熱管及機力空冷等形式。間接水冷方式存在熱惰性大、易腐蝕損漏、耗水量大等缺點。而直接噴霧冷卻具有反應(yīng)迅速、控制方便、節(jié)水節(jié)能等特點。經(jīng)過十多年工程實踐，隨著噴霧技術(shù)的不斷提高與完善，逐步形成了以直接噴霧冷卻為主、以間接機力空冷為輔的技術(shù)方針。對300-500度的高溫工況采用一次噴霧冷卻，將荒煤氣溫度直接降到260度；對450-600度的_高溫工況，為防止煤氣含濕量過大，在噴霧冷卻同時輔以機力空冷。

    噴霧冷卻技術(shù)的關(guān)鍵是霧化與控制，要求霧滴微細分布均布。早先開發(fā)的是單相高壓回流噴嘴，供水壓力3-4MPa，依靠高壓及小孔實現(xiàn)霧滴微細化，依靠回流水調(diào)節(jié)實現(xiàn)溫度控制，這種噴嘴存在能耗大、噴孔易磨易堵等問題。繼后開發(fā)兩相噴嘴，利用氣體動力霧化水，實現(xiàn)霧滴_微細化，供氣、供水壓力只需0.4-0.6MPa，結(jié)構(gòu)形式多種多樣。在高爐煤氣冷卻領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛而成功的是斯普瑞公司的FloMax-FM型噴嘴及其AutoJet控制器，如圖1所示。

兩相噴霧冷卻裝置

這套裝置具有以下特點：

(1)噴嘴采用_的導(dǎo)流環(huán)、靶釘和空氣帽的三級霧化技術(shù)，達到_細霧化(d32<100um，dmax<200um)，有利于快速汽化蒸發(fā)(<5S)；

(2)單個噴嘴霧化量及可調(diào)范圍大(0.1-15t/h)，射程長(4-12m),霧滴覆蓋范圍大(直徑1-3.8m)，有利于減少噴嘴量；

(3)可以在較低氣壓(0.2-0.3MPa)和較低水壓(0.2-0.5MPa)條件下實現(xiàn)微細霧化，同時大幅度減少煤氣體積，具有顯著的節(jié)水(90%)、節(jié)電(20-30%)和綜合節(jié)能效果；

(4)可確保在煤氣溫度降至140-150度時不濕底(即不凝析機械水)，同時具有降低比電阻，促使細粒塵凝聚沉降的功能；

(5)噴嘴選用_耐磨料精密制造，孔徑大(5-10um)，并實行自動定期吹掃，確保噴嘴不易磨損、結(jié)垢堵塞，并且對噴霧水沒有特殊水質(zhì)要求(用一般工業(yè)水，甚至江河水即可)。

(6)配有專有控制系統(tǒng)，布設(shè)多個測溫探頭(熱電偶)，噴嘴分組控制，確保安全、可靠穩(wěn)定運行。

      FM2_霧化噴嘴性能曲線 (壓氣4.14bar)

荒煤氣的蒸發(fā)冷卻又有爐頂噴霧、重力除塵器噴霧和專用噴霧塔等形式。工程實踐表明：爐頂噴霧冷卻是一種_為合理而有效的冷卻方式，用兩相噴嘴微細噴霧代替常規(guī)的爐頂打水，在同樣達到保護爐頂設(shè)備的同時，將荒煤氣溫度降至300度左右，顯著減少煤氣中的機械水，滿足袋式除塵要求，同時大量節(jié)省爐頂冷卻水，有利于高爐安全生產(chǎn)。當爐頂噴霧難以實施，或者尚不能滿足降溫要求時，可在重力除塵器筒體內(nèi)增設(shè)霧化噴嘴。重力除塵器內(nèi)噴霧，同時可以促進細粒塵凝聚，提高重力除塵效率。當上述兩種方式都難以實施時，可以設(shè)計專用的噴霧冷卻塔。

    機力空冷器是在自然空冷器的基礎(chǔ)上進化而成，分為管式與板式兩種基本結(jié)構(gòu)形式。板式機力空冷器結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，綜合性能優(yōu)良，應(yīng)用日趨廣泛，具有以下特點(板式機力空冷凝結(jié)構(gòu)如圖3所示)。

  板式機力空冷器

(1)用δ3鉬鋼板組合隔縱橫通道，縱向走熱煙氣，橫向走冷空氣，與管式相比，_了換熱邊界條件，并具自振清灰功能；

(2)用空氣作為冷卻介質(zhì)，借助多臺風扇的組合鼓風效應(yīng)，提高換熱性能，傳熱系數(shù)可達16-25W/m2.K，并便于控制煙氣終態(tài)溫度；

(3)空冷器頂部配設(shè)聲波清灰器，實現(xiàn)定周期自動清灰，確?？绽淦鞣€(wěn)定低阻運行(△H<=1000Pa)；

(4)機力空冷器不會增加煙氣含濕量，適宜用作袋式除塵器入口高溫煙氣(450-300度)的末端冷卻裝置。

2.1.2荒煤氣低溫對策

高爐在點火開爐時有個升溫過程，爐氣溫度低于100度，且含濕量較大，在休風時爐氣溫度也會降至100度以下。在這類非正常冶煉工況條件下，可能會使袋式除塵器引起低溫結(jié)露，須采取相應(yīng)對策。

(1)采用直接摻混高溫氣體或換熱器間接加熱方式，使爐氣溫度升至100度以上，斯普端公司正在開發(fā)利用爐頂噴霧冷卻噴嘴作為燒嘴直接燃燒升溫的技術(shù)，一套裝置即可降溫，又可升溫，是比較合理的；

(2)除塵器選用耐水解性纖維(PPS、PTFE、GL等)制織的濾料，表面再進行拒水防油處理，用以裝備若干個箱體，專門用于非正常低溫高溫工況；

(3)在開爐或休風時，在濾袋表面預(yù)噴干燥滑爽塵(煤粉、焦粉等)加以保護，避免出現(xiàn)糊袋；

為安全穩(wěn)妥起見，對于原已建有濕法凈化裝置的改造項目，在干法除塵改造方案中，可以暫時保留濕法流程，經(jīng)過一段時間摸索，積累運行經(jīng)驗后，再切除濕法裝置。

2.1.3荒煤氣預(yù)除塵措施

高爐荒煤氣初始含塵量可達30g/Nm3，并攜帶灼熱的鐵、渣塵粒，宜采取預(yù)除塵措施。

通常先設(shè)一道重力除塵，除去灼熱的粗粒塵(>=20-30um)。出口含塵濃度降至6-12g/Nm3，避免下_袋式除塵器燒灼濾袋，并減輕除塵負荷，這是_合理的配置。有些工程在重力除塵器后再加_旋風除塵，意在進一步減輕濾袋負荷和閥門磨損，事實證明收效不大，沒有推廣價值。

2.2  袋式除塵凈化技術(shù)

針對高爐的冶煉工藝和煤氣特性，我國已經(jīng)開發(fā)成功適用于高爐煤氣干法除塵的袋式除塵成套技術(shù)及其系列產(chǎn)品。

2.2.1脈沖清灰袋式除塵技術(shù)

德國早期開發(fā)，以后日本移植并推廣應(yīng)用的BFG袋式除塵器都屬于內(nèi)濾反吹清灰型。我國_早在小高爐上使用，包括1984年太鋼從日本引進的也是這種類型。反吹風型袋式除塵器存在清灰能力弱、運行阻力高、體積龐大、故障因素多、運行能耗高等弱點。1990年我國首先在淮鋼75m3高爐煤氣干法除塵項目使用外濾脈沖清灰型袋式除塵器獲得成功。除了從根本上克服了內(nèi)濾反吹風除塵器存在的諸多問題外，還有利于提高過濾速度(從0.5m/min提到0.8m/min)，開創(chuàng)了高爐煤氣干法除塵的新局面，之后沿襲這一技術(shù)路線，不斷地改進完善，在大中型高爐推廣應(yīng)用。

    隨著高爐的大型化，帶來除塵器筒體的大型化(從φ3.2m到φ6.0m)和濾袋規(guī)格的長袋化(從4.8m到8.0m)，并催生了導(dǎo)流噴嘴、雙向脈沖噴吹、分節(jié)袋籠、無障礙換袋等多項_技術(shù)，使之能夠_適應(yīng)大型高爐煤氣袋式干法除塵的要求。脈沖袋式除塵器單元筒體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.荒煤氣出口主管;2.煤氣蝶閥;3.盲板閥;4.箱體煤氣放散系統(tǒng);5.中間灰斗放散系統(tǒng);6.泄爆閥;7.噴吹系統(tǒng);

8.花板;9.濾袋組件;10.箱體;11.蒸汽加熱系統(tǒng);12.卸灰閥組;13.中間灰斗;14.輸灰系統(tǒng).

圖4  脈沖袋式除塵器單元筒體

2.2.2混合纖維型特種功能濾料

高爐煤氣對除塵濾料的基本要求：在正常工況條件下要求耐溫性好(250-300度)；在非正常工況條件下還要求耐濕性好(在<100度時不發(fā)生糊袋水解)。對濾料材質(zhì)的選用經(jīng)歷了玻璃纖維、芳族聚酰胺(Nomex)、聚酰亞胺(P84)、聚四氟乙烯(PTFE)及其混合纖維的進化過程。工程應(yīng)用表明：以聚酰亞胺和_細玻纖為原料采用特殊工藝制成的混合針刺氈是當前高爐煤氣袋式干法除塵的_濾料。我國的商品名為萊氟RZMS-Ⅱ型、FMS?9806、PUNATE?CPD002。這種混合纖維針刺氈的基布為玻纖，絮棉層為兩種纖維混合料，表面用PTFE滲膜處理，兩種材質(zhì)揚長避短，具有_的綜合性能。

(1)利用P84纖維斷面異形(葉瓣形)，表現(xiàn)面積大的特點與圓形斷面的光滑玻纖抱合良好，具有_低阻過濾性能，出口含塵濃度可達5mg/Nm3以下；

(2)P84和玻纖均有良好的耐熱性能，混合針刺氈的連續(xù)使用溫度可達260度，瞬間耐溫300度；

(3)利用玻纖基布高強低伸以及P84纖維耐磨抗折的綜合特性，混合針刺氈具有優(yōu)良的機械力學(xué)性能，正常使用壽命可達3-4年；

(4)P84纖維是至今_進口的高價原料，而_細玻纖可立足國產(chǎn)，價格低廉，兩種纖維按適量比例混合可以大幅度降低原料成本，成為性價比優(yōu)良的特種功能除塵濾料。

2.3  卸灰輸灰技術(shù)

高爐煤氣袋式除塵器各筒體灰斗收集的粉塵，由卸灰、輸灰裝置轉(zhuǎn)運到貯灰倉，集中外排，基本要求是定時定量確保密封。

2.3.1零泄漏串級卸灰裝置

各除塵筒體灰斗出口的卸灰裝置由上球閥、偏置式鐘形罩、下球閥以及破拱裝置、料位計等組成，通過自控程序動作，實現(xiàn)定量、定料位、無泄漏卸灰。

2.3.2正壓式氣力輸灰裝置

我國早期實施的中小型高爐煤氣除塵系統(tǒng)大都采用常規(guī)的機械輸灰方式(由刮板輸送機、斗式提升機等組成)，隨著煤氣除塵系統(tǒng)的大型化，逐漸暴露機械輸灰裝置體積龐大、故障率高、氣密性差、輸送距離及提升高度受限的弊端。近期開發(fā)成功正壓氣力輸灰技術(shù)，與傳統(tǒng)機械輸灰方式相比具有較多_性：

(1)擁有常規(guī)氣力輸灰方式固有的優(yōu)點，裝置體積小、氣密性好、輸送路徑不受限制；

(2)按正壓中相輸灰原理設(shè)計，輸灰量大、耗氣量小、輸送距離長、輸灰管路不易磨損；

(3)利用除塵器出口凈煤氣余壓作為輸灰動力，輸灰尾氣經(jīng)二次過濾后重返凈煤氣管，入柜回收，_為_；

(4)輸灰管路及防磨措施設(shè)計、輸灰參數(shù)及程序的調(diào)控操作是高爐煤氣除塵氣力輸灰裝置得以正常運行的關(guān)鍵。

2.3.3密閉輸灰罐車

怎樣避免貯灰倉收下塵外運過程中產(chǎn)生二次污染？自從寶鋼工程引進日本吸引壓送罐車密閉輸灰技術(shù)，經(jīng)過二十年實踐，一致認為這是一種_適宜的粉料外運方式。至今我國已實現(xiàn)輸灰罐車國產(chǎn)化，并大量推廣應(yīng)用。在具體用于高爐煤氣干法除塵輸灰的實踐中又有創(chuàng)新和發(fā)展。

(1)為避免罐車直接從貯灰倉外排灰時煤氣隨之溢出，而在大貯灰倉下設(shè)容量約15m3的轉(zhuǎn)運小灰罐，外排灰作業(yè)時先打開大灰倉卸灰閥，待裝滿小灰罐后，關(guān)閉大灰倉卸灰閥，再打開小灰罐卸灰閥開始外排灰，裝入罐車。采用這一技術(shù)同樣可以實現(xiàn)對重力除塵器收下塵采用罐車“外排灰”作業(yè)。

(2)將罐車常規(guī)使用的吸入壓出方式，改為雙壓送方式，有利于加快罐車受料速度(可提高一倍)，減緩軟管磨損、節(jié)省能耗和資材。同時雙壓送罐車因省卻了真空泵和發(fā)動機等動力設(shè)備，體積和車價大幅度減少。圖5為雙壓送罐車受料作業(yè)系統(tǒng)圖。

    (3)當高爐煤氣除塵灰中含有鈉、鉀等輕金屬元素時，遇空氣會自燃，曾發(fā)生罐車及管路密封件燒毀等事故。此時可采用工廠氮氣源替代罐車空壓機實現(xiàn)壓送受料，或在罐車采用自備氣源壓送的同時，在始端接入工廠氮氣助推防燃。 

2.4  安全防范及監(jiān)控技術(shù)

高爐煤氣袋式干法除塵裝置_充分考慮高爐煤氣高壓、有毒、可燃、易爆等特性，采取妥善的安全防范及監(jiān)控措施。

2.4.1除塵箱體設(shè)計

采用鋼制圓筒形箱體，按GB150<鋼制壓力容器>標準設(shè)計。上端橢圓形封頭壓制成形，下端圓錐形灰斗傾角大于65度，接口采用自動埋焊焊接，并進行探傷檢測，整體做耐壓氣密性試驗。

2.4.2導(dǎo)流均布裝置

高爐煤氣從下部進入筒體，要求斷面氣流均勻平穩(wěn)，成層流狀，切忌形成偏流、渦流。為此宜配設(shè)合理的導(dǎo)流均布裝置：

(1)入口做擴散管，降低進口流速，并設(shè)導(dǎo)流擋板，改變?nèi)肟跉饬鞣较颍?/font>