李博¹ 赵京¹ 周晴¹ 王凤钰¹ 刘晨^1，2                       

（1.中国科学院力学研究所；2.斯普瑞喷雾系统（上海）有限公司）

摘要 针对转炉煤气传统干法、湿法的能耗高、碳排高、水耗高、易结垢维修量大等问题，我们开发了转炉煤气全干法除尘工艺与装备，可以在实现超低排放的同时，并回收余热附产蒸汽60kg/t、节电50%，不耗新水并能处理废水，设备维修量少，本文介绍转炉煤气全干法的工艺及装备的开发实践。

关键词：转炉煤气；全干法；显热回收

1  概述

自从1952年纯氧转炉炼钢投入工业应用以来，到如今世界上共有1000多座转炉，绝大多数在中国。转炉一次除尘一直多用湿法、也有用干法、半干法，这些除尘方法都存在各自的问题，湿法的问题是循环水处设施理庞大、浪费严重，水质很难保证；干法的干式静电除尘器卸爆、粘灰一直难以彻底解决，只能靠加强维修来维持。主要针对湿法改造的半干法，设计初衷是兼收湿法、干法的优点、克服各自不足，但一直改得不彻底，没能淘汰湿法的水处理系统。转炉煤气除尘现有共同的问题是余热都没有回收利用，并且还需要耗水耗能冷却。

2  转炉煤气全干法除尘工艺及装备的开发

中科院力学所研发团队承担了国家863、国家重点研发计划及中科院战略先导等项目，形成了一支20余人的科研队伍，针对转炉炼钢的节能降碳问题，一直从事节能新技术研发，取得了显著的成绩，获得国家发明专利50多项。

l  在国家863课题支持下建成转炉煤气爆燃实验平台，得到煤气浓度、温度等参数与火焰速度和压力波峰值相互关系，总结出一套煤气爆燃遏制方法；

l  在中国科学院战略性先导科技专项(A类)课题支持下，建成转炉煤气全干法中试平台，完成炼钢转炉煤气显热回收关键技术研究；

l  在国家863课题支持下，在广东珠钢建成国内首台套 10 MW电炉余热回收发电装置，成功实现年节约标准煤1.9万吨，减排CO₂ 5万吨；

l  在唐山春兴特钢建成国内首座转炉余热蒸汽拖动2.24MW二次除尘风机示范工程，成功实现年节约标准煤0.59万吨，减排CO₂ 1.56万吨；

l  合作单位苏州海陆重工长期从事废热余热利用和环境保护相结合的新技术和开发，为余热锅炉行业龙头企业，余热锅炉产品吨数行业第二，台数第一；主导产品干熄焦余热锅炉市场占有率达85%以上、氧气转炉余热锅炉达90%、有色冶金余热锅炉达85%；产品主要技术性能指标达国内领先水平和国际先进水平。

3  转炉煤气全干法工艺

项目团队在前期研究工作的基础上攻克了转炉煤气爆炸性、多尘粘结性以及间歇性导致的余热资源回收难题，开发了转炉煤气全干法，工艺流程见图1。全干工艺的核心包括两部分，一个是粗除尘换热一体化装置，二是精除尘装置。

图2 转炉煤气全干法除尘工艺流程

2021年在包钢建成并成功试运行了首台套转炉煤气全干法新工艺工业装置，汽化尾部烟道出口的高温烟气，通过三通切换装置，进入粗除尘换热一体化装置，去除回收70%的干灰，经过余热锅炉回收饱和蒸汽后，烟气温度冷却到200°C以下，进入干静电除尘器，原蒸发冷却器完整保留备用，与新系统切换使用，干式静电除尘器及后部设备均直接利用。转炉煤气全干法工艺适合现有干法、半干法改造，用于湿法改造的效益更显著。既可以完整采用，也可以分步采用，可以采用在线改造，采用旁路布置方式更灵活安全，改造施工和维修对正常生产几乎没有影响。转炉煤气全干法与干法、湿法的比较参考表1、2。

表1 转炉煤气全干法与现有干法的主要对比

表2 转炉煤气全干法与湿法的对比

转炉炼钢工序超低排放改造的重点和难点是一次除尘，节能减碳潜力大的是二次和岗位除尘，虽然政府还没要求全部超低排放，但对一些重污染区域有要求，也有越来越多企业自主要求。转炉一次除尘市场上已经有几种超低排放改造方案，比如湿法旁路增加湿电、声波，干法前移煤冷、放散侧增加喷淋除尘、金属滤袋除尘器等，比较混乱，还没有一个统一的工艺。这些技术共同存在的致命问题，一是企业只有投入、没有经济回报，二是能耗和二氧化碳排放都增加，不符合国家双碳目标要求。转炉煤气全干法除尘技术的开发为转炉炼钢超低排放同时有效益、低碳提供了一个新的选择方案。初步估算，一座100吨转炉现有干法改造为全干法，每年预期有1200万元的效益，年节能量1万吨标准煤、年减排二氧化碳2.65万吨，湿法改造效益会更好。

4  转炉煤气显热回收技术的开发回顾

转炉一次烟气余热的节能潜力和传统喷水冷却、除尘的巨大浪费是众所周知的，几十年来国内外很多企业和研究人员一直在尝试淘汰喷水冷却、除尘、回收余热，国内外的相关专利有几十项。由于转炉冶炼工艺的特殊性，转炉煤气回收利用余热回收利用，一直面临三个难点：

l 急冷急热

l 爆炸隐患

l 粘灰结垢

转炉炼钢工艺是间隙性的，烟气温度和炉气量频繁大幅波动，能耐得住长期、频繁、大幅急冷急热的材料、设备和方法选择就是一大难题。转炉炼钢过程中，空气-烟气-煤气之间的变换每炉都在周期性发生，含CO煤气与含氧烟气混合爆炸的条件随时都具备，爆炸隐患很难彻底消除。转炉粉尘中含有10%生石灰粉，就是不喷水，遇到空气中的水分都会活化为熟石灰粉，再遇烟气中的CO₂就会反应形成石灰石，曾有在高温下收集的粉尘在送试验室的途中就结壳的记录^[2]，这种结垢采用一般的清灰方法是难以除净的。实践证明，这三个难点是转炉一次烟气冷却和余热回收工艺和设备选型和设计、操作维护的关键。

国内外进行了一些转炉煤气余热回收试验项目，简要回顾如下：

l 太钢引进50吨转炉：转炉煤气采用全燃烧法，配套余热锅炉回收蒸汽，锅炉出口烟气温度250°C，运行了一段时间后拆除。目前一些独联体国家仍然在用，吨钢回收蒸汽可达180kg/t，但不回收煤气，煤气全部在系统内燃烧，跟电炉烟气除尘类似。在线原设计。

l 德国一钢厂：将汽化冷却烟道延长，出口温度500°C，吨钢增加蒸汽回收量20kg/t，不经济不彻底。在线原设计。

l 河北承钢40吨转炉：汽化烟道出口烟气通过130米耐高温烟道引出车间外，进入热管余热锅炉，锅炉出口烟气进入耐高温布袋除尘器，运行了几十炉，余热锅炉运行正常，但布袋除尘器被烧出孔洞，导致排放超标，主要因为担心安全隐患，停止试验。原湿法三通旁路改造。

l 内蒙古包钢80吨转炉：开始将汽化烟道出口烟气引导车间外，通过余热锅炉回收余热降温后，返回收一文，通过OG湿法除尘，因为除尘超标被停止试验。后来又将锅炉出口烟气引进干法电除尘器入口前烟道，锅炉回收余热正常运行5000多炉，存在问题：锅炉底部、高温烟道、电除尘入口都频繁快速严重，影响正常生产，停止试验。原湿法、干法三通旁路改造。

这些前期努力尝试虽然没能最后成功，但获得了的宝贵经验和教训。针对积灰问题，我们在余热锅炉前增加了耐高温粗除尘器，粗除尘效率70%。

5  升级提高

转炉煤气全干法除尘工艺和装备的开发，主要是为企业同步满足国家超低和碳达峰、最终碳中和提供可选择方案，需要在以下方面进行升级提高：

5.1  精除尘工艺和设备开发

转炉煤气原始含颗粒物浓度最高可达200g/Nm³，实现超低排放必须采用多级除尘，粗除尘和降温采用粗除尘换热一体化是可行性的、合理的，精除尘工艺和设备还需要开发。综合国内近几年的转炉煤气精除尘改造的实践，至少已经有以下几种方法：

l 干法放切换站前增加喷淋水洗除尘和冷却塔（煤冷潜移）

l 干法放散侧增加喷淋洗涤塔、金属滤袋除尘器

l 干法静电除尘器并联旁路增加金属滤袋除尘器

l 湿法风机前、或放散侧旁路增加湿式静电除尘器

l 湿法风机前增加声波除尘系统

   这些技术应该都可以实现超低排放，需要进一步研究比较，是否能稳定超低？更主要的比较投入、运行成本和碳排放是增还是减。由于国家还没有强制要求，企业在自主开发还在摸索之中，哪种方法和装备既能稳定实现超低排放，同步还能实现低碳，并且要求投资省、运行能耗成本低，还需要继续研究和实践验证，我们比较看好湿式静电除尘技术的升级改进。

5.2  转炉煤气余热的极限回收利用

目前汽化烟道出口煤气温度700-1000°C，通过余热锅炉可以回收到200°C，一方面转炉煤气还含有一定量潜热，另一方面，转炉煤气进煤气柜要求的温度是70°C，还需要冷却，需要开发转炉煤气余热极限回收到25°C的工艺和设备。转炉煤气余热极限回收可以低成本有效益实现排放脱白和提高煤气热值。另外，转炉煤气余热目前主要都是回收饱和蒸汽，饱和蒸汽输送过程凝结损失20%，发电汽耗高，需要结合行业、企业实际，开发更多余热回收和利用方式，比如：

l 回收过热蒸汽：输送凝结损失少，用于发电相同蒸汽量可增加发电量60%以上，效益好。采用蓄热、补热产生更高参数的蒸汽，发电量更多

l 回收热风：用于废钢、渣料等原料的预热，余热就近回用于本工序是投入最少、效率最大。

l 处理废水：转炉煤气余热最简单高效的一种可选择利用方式，就是利用蒸发冷却器，处理利用难处理、处理成本高的废水、污泥，比如焦化废水、污水处理厂浓盐水、污泥等，不仅不耗水，还相当废水处理厂，与成熟可靠的其它水处理技术结合，将废水变新水、软水、饮用水。

5.3  转炉炼钢碳中和

转炉煤气全干法极限回收余热和节电的同时，研究转炉一次除尘二氧化碳的回收和循环利用，提前实现转炉炼钢碳中和。

6  结论与建议

1. 转炉煤气粗除尘和换热一体化设备，可以替代传统干法、半干法的蒸发冷却器、湿法一文和洗涤塔，不仅回收余热附产蒸汽，还节省了降温的蒸汽、新水、循环水处理费用，具有显著节能低碳效益；

2. 转炉煤气全干法除尘为转炉炼钢同步实现超低排放和低碳改造提供的一个可选择方案，特别是采用并联旁路方式使改造项目实施和运行都灵活；

3. 转炉炼钢通过回收余热、节电和碳循环利用，具备提前低成本实现碳中和条件。

参考文献

[1] 王新东 干勇 苍大强，钢铁工业绿色制造节能减排技术进展:P174:转炉煤气除尘与煤气回收利用技术，P176：转炉余热蒸汽利用技术，P171：顶底复吹CO₂技术

[2] 郦秀萍等，钢铁制造过程中碳素流运行与碳减排途径，P53：转炉炼钢工序能量流碳素流分析，P196：煤气资源化利用实现碳减排案例

[3] 张永杰 黄军，钢铁低碳高能效共性难题技术研发与应用，P35：转炉显热回收技术,P225：转炉烟气除尘与显热回收

[4] Kenneth C. Schifftner, Air Polution Control Equipment Selection Guide(Second Edition):Chapter 11: Mechanically Aided Scrubbers, Chapter 19: Venturi Scrubbers

[5] 陶有志，韩渝京，李鹏，曹勇杰，转炉烟气超低排放复合技术的研究与应用, 冶金动力 ，2018年第11期

[6] 蔡九菊，东北大学，钢铁工业的空气消耗与废气排放，钢铁工业绿色制造发展高端论坛，2019年9月济南

[7] 朱荣等，CO2在冶金流程中的利用现状与展望，全国二氧化碳减排与利用工业创新技术论坛，2018年8月北京

[8] 张凡，中国环境科学研究院，钢铁公司行业污染源减排技术，2019年9月，全国工业节能暨除尘系统技术研讨会演讲