國內外噴嘴噴霧技術在冶金環(huán)保中的應用

1、國內外噴嘴噴霧技術在冶金環(huán)保中的應用劉晨 裴麗苗（斯普瑞噴霧系統(tǒng)上海有限公司）概述根據(jù)美國噴霧公司的資料，用在各種工業(yè)和農業(yè)兩大類的噴嘴共計八萬多個品種規(guī)格，僅用在鋼鐵工業(yè)的噴嘴也有兩千多。我國已經(jīng)是世界第一鋼鐵大國，并逐漸成為鋼鐵強國。近幾年鋼鐵噴嘴噴霧技術的應用也在相應地迅速提高。但問題是發(fā)展很不均衡，有些鋼廠的一些應用已經(jīng)趕上、甚至超過國外的先進水平，但有的鋼廠、甚至個別大鋼廠/設計院仍在沿用非常陳舊落后的噴嘴，比如轉爐除塵仍用碗型、反濺式噴嘴；高爐爐頂打水仍用普通的水噴嘴；焦碳熄火仍用管子上開孔噴水等，落后的噴嘴必然影響技術經(jīng)濟指標的提高：我國目前的煙氣排放粉塵含量控制標準是100毫克

2、/標立米，是世界先進水平的10倍以上，但仍有相當多的企業(yè)實際上在超標排放；少數(shù)鋼廠已經(jīng)達到世界先進水平，但除塵水、電平均消耗是發(fā)達國家的4倍。本文簡單介紹噴嘴在國內外冶金環(huán)保中常見應用，重點介紹一些新應用，尤其是適合我國鋼廠環(huán)保技術進步的新技術。1 噴嘴在冶金環(huán)保中的常見應用噴嘴在冶金環(huán)保中的應用貫穿了從礦山到鋼材的整個生產(chǎn)過程的各工序，常見應用見附表1。從表中可見：噴嘴在冶金環(huán)保中有較多的應用，歸納起來，最常見的是高溫煙氣的冷卻和噴霧除塵，也恰是在這兩方面的應用上國內鋼廠之間、與國外鋼廠間存在較大差距。2 高溫煙氣冷卻高溫煙氣通常是指130以上的煙氣。冶金工業(yè)（鋼鐵和有色金屬）涉及的煙氣大多

3、屬于高溫煙氣，像轉爐爐口、電爐爐口、直接還原系統(tǒng)的最高溫度可大1400-1600?？紤]高溫煙氣冷卻方案時，首先要考慮到高溫煙氣的顯熱是一種余熱能源，按照節(jié)能的要求應該回收利用。國內外的研究單位都在努力多年，力爭將高溫煙氣余熱利用的目標達到400，但目前的技術水平一般是能利用到800-1000。余熱利用的方式一般是用余熱鍋爐或煙道生產(chǎn)中高壓蒸汽，用于發(fā)電或并網(wǎng)利用。1000（或將來400）以下的高溫煙氣的冷卻通常采用直接冷卻或間接冷卻兩種方式，詳見附圖1。附圖1 高溫煙氣的冷卻不同方式從國內外的發(fā)展趨勢看，在回收余熱或不需要、沒條件回收余熱的場合，傾向于采用不飽和的蒸發(fā)冷卻替代所有的其它冷卻方式

4、，采用蒸發(fā)冷卻可以將煙氣溫度冷卻到飽和溫度（最低達50）；而對于采用布袋或電除塵的干法除塵系統(tǒng)，由于除塵器對煙氣濕度的要求（相對濕度30-80%）限制，通常是采用蒸發(fā)冷卻到某一溫度（如電爐除塵冷卻到240-280），然后再通過參二次冷風、其它低溫煙氣的方式冷卻到除塵器要求的溫度，同時滿足濕度要求。在采用直接蒸發(fā)冷卻方面，國內外近幾年在成功應用、節(jié)省投資、節(jié)能環(huán)保和降低運行費用多方面，都取得長足的發(fā)展，并逐步趨向推廣，比如轉爐干法、半干法除塵；高爐全干法除塵；電爐除塵系統(tǒng)改造等。這里簡要介紹國內幾個成功示例。21 轉爐干法除塵我國繼寶鋼成功引進兩套250噸轉爐干法除塵系統(tǒng)（目前在建第三套）后，2

5、004年萊鋼以分交方式成功采用了三套120噸轉爐的干法除塵系統(tǒng)。由于采用分交國產(chǎn)化比例提高和沒有上粉塵壓塊系統(tǒng)，總造價大幅降低。萊鋼、包鋼、天鐵都在建設或設計新的轉爐干法除塵系統(tǒng)。轉爐除塵推廣采用干法目前仍然存在的問題：一是總造價仍然偏高；二是自動控制程度高，運行過程中存在蒸發(fā)冷卻塔內壁粘灰等問題，許多鋼廠因操作和維修人員水平限制而不敢采用；三是該系統(tǒng)電除塵器后的煤氣冷卻還用飽和冷卻，因此該工藝不是真正意義上的全干法。隨著提高國產(chǎn)化比例，相信這些問題都會相應解決?？梢灶A期，那時轉爐干法一定會得到迅速推廣，我國轉爐除塵的水平就可以達到世界先進水平。22 轉爐半干法除塵從轉爐投入工業(yè)應用以來的幾十

6、年來，轉爐除塵的工藝一直濕法為主，少數(shù)干法。據(jù)介紹，全球供有46套干法。濕法問題多、干法一時不能推廣，半干法就是針對這一局面提出的一個特別適合中國國情的解決方案：投入少、改造基本不占用生產(chǎn)時間、自動控制要求不高。按照環(huán)保、節(jié)能、節(jié)水、提高轉爐作用率、減少維修量多方面考慮，我國已經(jīng)將轉爐采用干法除塵做為清潔生產(chǎn)開發(fā)項目；寶鋼還將此列進博士后研究項目，可以預期最終干法一定會得到推廣；提出半干法的最終目的也是要推廣干法。但從我國國情、廠情實際出發(fā)，應該或不得不分步走。所謂半干法，簡單地說就是利用了干法的蒸發(fā)冷卻和電除塵，但不同是用水沖灰和濕式電除塵。實施上也可以分以下兩步走：一、將一文和其下部的脫水

7、器拆除，改造為一半干式冷卻塔：由于采用蒸發(fā)冷卻，降溫所需的水只有文氏管飽和冷卻的1/10；保留水沖灰，減少了改造量和時間，同時更多的噴水使冷卻塔的除塵效率可以達到95%；更主要的是沒有一文的收縮段，系統(tǒng)阻力從3000帕以上降低到300帕以下。這樣就為我國許多鋼廠因轉爐不斷擴容、擴裝、提高吹氧強度但除塵系統(tǒng)沒及時改造引起的循環(huán)水能力和風機能力不足的問題。只要空間夠，半干式冷卻塔可以隨時改造為干式蒸發(fā)冷卻塔。我國河北承鋼已經(jīng)在兩座100噸轉爐上成功采用了這一技術；河北宣鋼、四川攀鋼也決定采用；更多鋼廠在進行可行性研究。二、在上述改造的基礎上（同時或以后），建設一獨立的濕式電除塵器和風機系統(tǒng)，煙氣來

8、自半干式冷卻塔，凈化后的煤氣（煙氣）再送到原風機后、切換站前，與原來的二文、風機系統(tǒng)切換使用。這樣改造的主要優(yōu)點：煙氣（煤氣）粉塵含量和電耗可以達到干法的水平；自動控制要求不高；改造和電除塵器維修時不影響生產(chǎn)。目前國內有兩家公司可以提供這種特殊的電除塵器，有幾家鋼廠也在進行前期論證中，相信不久就會投入轉爐改造中。23轉爐濕法除塵脫水器的改進轉爐采用濕法除塵時煙氣進風機前是否充分脫水，對整個系統(tǒng)的運行具有決定性的影響：因為煙氣帶水多增加了煙氣的重度，首先就直接降低風機的有效功率；另一方面煙氣中水份多也是風機粘灰的間接原因。國內鋼廠、設計院在脫水器的改進上也做了大量工作，有的鋼廠甚至在二文后加兩級

9、脫水。目前較多使用的濕旋脫水器，也有用絲網(wǎng)（塔式、臥式）脫水器。一個顯著的改進就是簡化了脫水器的結構為一空心塔，既不要絲網(wǎng)，也不需要旋流板，只需在脫水器出口增加氮氣霧化噴槍，就不僅能很好地脫水，且具有精除塵作用(見附圖3)。國內有30多家鋼廠、有些設計院都選用的該技術：某鋼廠在40噸轉爐的濕旋脫水器中增加一只噴槍，8毫米厚的旋流板很快粘灰到40毫米后脫落；煙囪排放煙氣中的蒸汽量明顯減少；風機電流降低；維修周期延長了4倍；還有一鋼廠在120噸轉爐中采用本技術，在相同的冶煉爐數(shù)后測定風機葉輪的粘灰量，采用噴槍的轉爐恰好減少了50%。這一改進簡單易行，效果顯著，目前正在不斷推廣。但有些鋼廠在使用不同

10、的噴槍，或噴槍不及時維修更換時，使用效果發(fā)生波動，甚至惡化。從理論上分析：對這種應用，必須通過選擇正確的噴嘴、噴嘴參數(shù)，并進行適當?shù)目刂普{節(jié)，保證噴嘴的噴霧顆粒足夠細，并有盡可能高的顆粒速度。否則噴霧不僅不脫水，還會增加煙氣中的水量。附圖3 轉爐濕法除塵脫水器24高爐爐頂打水和煤氣冷卻高爐爐頂打水的目的主要是在高爐冶煉不正常期、爐頂溫度高時保護爐頂設備。傳統(tǒng)的高爐爐頂打水是用鋼管或普通的水噴嘴，降溫沒問題，問題是打水時間長、耗水量多、打水時煤氣濕度大；高爐采用干法除塵時，為了保護布袋安全，被迫采用并聯(lián)的金屬管式換熱器間接冷卻煤氣。近幾年國內開始采用氮氣霧化噴槍蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)改進爐頂打水，主要效果

11、是煤氣冷卻特別快，僅幾秒（原來10-30分）、節(jié)水90%、煤氣無需其它冷卻就可以直接進布袋。這種噴槍還可以兼做燒嘴使系統(tǒng)具有升溫功能，在高爐煤氣低時可以進行燃燒升溫后進布袋，從而避免荒煤氣的放散污染環(huán)鏡、浪費能源。我國高爐在逐步推廣干法冷卻。采用布袋除塵器干法除塵時，出口煤氣的溫度已經(jīng)所選布袋的不同，波動在110-200。較高溫度的煤氣可以直接利用，而如果要進煤氣柜儲存，就必須進一步冷卻到70（或50），以適應煤氣柜密封的要求。近年來國內從萊鋼開始，成功采用了蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)替代原來的飽和冷卻，使高爐煤氣可以實現(xiàn)真正意義上的全干法。目前已經(jīng)有多家鋼廠采用。其優(yōu)點是冷卻可靠、節(jié)水、煤氣含濕量低、熱值

12、高，不再用循環(huán)冷卻系統(tǒng)。2.5電爐除塵國內外傳統(tǒng)的電爐除塵幾乎都是采用布袋除塵器干法除塵；煙氣冷卻則以間接冷卻（水冷、風冷）為主，輔以直接混風冷卻。近年來主要的改進主要是在冷卻方式上，采用直接噴霧蒸發(fā)冷卻替代傳統(tǒng)的間接水冷和風冷。雖然水蒸發(fā)后會增加煙氣量，但由于減少了混風量，系統(tǒng)處理的煙氣量通常只要傳統(tǒng)工藝的50%，加之系統(tǒng)阻力大幅減少，比采用傳統(tǒng)工藝還是可以節(jié)省投資、運行和維修費用。采用蒸發(fā)冷卻的另外一個優(yōu)點是可以控制白煙和二惡英等強致癌物質。電爐煉鋼原料中有含聚氯乙烯（PVC）塑料和氯化油、溶劑和鹽的廢鋼，在冶煉過程中會導致產(chǎn)生白煙或二惡英。尤其是二惡英，盡管只是微量，但很難被一般的除塵設

13、備去除，穩(wěn)定性強，親脂性高，不能生物降解，因而具有很高的環(huán)境滯留性，無論在空氣、水，還是土壤中，它都能強烈的吸附在顆粒上，一旦攝入不易排出，隨著時間累積逐漸增多，最終導致致命的危害。采用蒸發(fā)冷卻可以在數(shù)秒內將電爐煙氣從800冷卻到300，阻止了二惡英的再生成。目前已經(jīng)引起發(fā)達國家的高度重視；我國目前雖然還沒有相關的控制標準，但國內有關研究單位正在進行檢測方法和控制標準的研究。而做為鋼廠和設計、環(huán)保公司，應該從我們自身和子孫后代健康出發(fā)，推廣應用能有效控制二惡英、又簡單易行的蒸發(fā)冷卻技術。25 煙氣SO2/NOx控制與廢水處理在燃煤電廠鍋爐煙氣、燒結/球團煙氣和焦爐煤氣；以及大部分的有色冶煉過程

14、中都涉及到SO2、NOx的控制問題。國內外在這方面都進行了大量研究，應用技術也日趨成熟。與噴嘴應用有關的很有意義的技術是把他們與廢水處理相結合，實現(xiàn)以廢治廢。實際上由于噴嘴設計制造和應用技術的進步，目前上述用于蒸發(fā)冷卻的噴嘴都有防堵塞的功能，都可以用廢水（僅需要粗過濾）。如前所述，我國鋼鐵工業(yè)的平均新水消耗量達到發(fā)達國家的4倍，成功采用以廢治廢就為許多鋼廠實現(xiàn)污水的零排放提供的一個可選擇的途徑：處理廢水的同時節(jié)省了新水。3 低水熄焦我國近幾年來一直在引進推廣干熄焦技術，因為它環(huán)保、節(jié)能。同時也需要注意的是：干熄焦系統(tǒng)由于每年要有較長的設備檢修時間要求、而焦爐又不能停，所以都需要配備備用的濕熄焦

15、系統(tǒng)（除非有備用的整套干熄焦系統(tǒng)）；另一方面，根據(jù)德國的經(jīng)驗：干熄焦的主要效益在發(fā)電，在電力供應緊張、電價高時，會有明顯的效益；而當水電、核電大量發(fā)展、電價降低時，干熄焦由于運行和維修費用高，就會發(fā)生虧損。而且干熄焦的投資也高，在我國推廣還需要很長時間，因此必須仍然在低水濕熄焦技術給以足夠關注。德國應用較多、我國太鋼等廠已經(jīng)和準備引進的穩(wěn)定熄焦(CSQ)法取得了很好的效果，在焦碳水份降低、強度提高和穩(wěn)定的同時，總粉塵量、細粉塵量、SO2、CO和廢水處理方面都取得了良好的效果。近幾年，杭鋼、上海焦化、三鋼、湘潭等國內30多家焦化廠則采用了美國噴霧公司的大流量噴嘴低水熄焦技術用于改造現(xiàn)有的濕熄焦，

16、取得了焦碳水份低、穩(wěn)定；強度有所提高的同時，排放的粉塵和蒸汽量顯著減少，具有明顯的環(huán)保和節(jié)水效果。該技術的最大特點是投入特別少、改造過程不影響生產(chǎn)。4 無水噴霧除塵傳統(tǒng)的除塵多是捕集、管道、布袋除塵器（電除塵器）、風機、煙囪，只要設計、制造和維護得好， 除塵效果是沒問題的。主要存在的問題：一是有些場合比如大型原料場、渣處理場、火車卸料等，由于空間大或粉塵發(fā)生點不固定，無法有效地采用傳統(tǒng)的除塵工藝；二是對于多個皮袋轉運站、轉爐/電爐二次煙塵、高爐出鐵場除塵等，除塵風機功率小了捕捉率低，有的廠僅60%；風機功率高則運行費用太高，因此很多廠沒治理或不連續(xù)使用。近年來，國外開始陸續(xù)采用無水噴霧除塵技術

17、。所謂無水是指沒有機械水，但噴的仍然是水，形成的是霧。很多用戶剛一聽噴水霧除塵馬上會擔心弄濕原料、設備，引起安全問題，而無水恰好是噴霧除塵的關鍵，也是很多用戶采用這一技術失敗的原因：根據(jù)美國和巴西有關單位的研究結果：噴嘴的噴霧顆粒必須足夠細，與要去除的粉塵顆粒達到一臨近比例，噴水才有除塵效果，也就不會有機械水；否則就會有機械水，同時沒有任何除塵效果。國外在這方面已經(jīng)取得了較普遍的應用。國內在港口、燒結、焦化、轉爐、混鐵爐、鋼渣處理方面也有成功的應用示例。對于高溫應用場合，噴水霧要首先降溫后才有除塵效果；除必須特別主要噴霧顆粒（包括噴嘴類型、操作參數(shù)選擇）外，還必須注意噴嘴合理布置、水量要足夠、

18、適當。5蒸汽消音和冷凝蒸汽在放散時會產(chǎn)生很大的超標噪音。在控制噪音方面也有許多可選擇的技術。我國技術人員成功采用了噴嘴消音法，將蒸汽通過一種特殊的噴嘴伸入到一定深度的水面下，通過噴嘴和水均勻吸收蒸汽的能量，可以很簡單容易地解決放散產(chǎn)生的躁音，同時可以將蒸汽100%吸收為水，具有節(jié)水效果。 眾所周知，水蒸發(fā)成蒸汽要大量吸熱（2257KJ/kg）、體積要膨脹約1200倍。連鑄二次冷卻、高爐水沖渣都會產(chǎn)量大量蒸汽，有時還夾帶粉塵。所謂蒸汽冷凝，就是利用噴水霧蒸發(fā)吸收蒸汽中的熱，使蒸汽冷凝成水。這樣不僅有節(jié)水、除塵效果，對西、北方鋼廠冬季二冷蒸汽量大排不凈時，可以很容易地解決蒸汽影響操作問題。6. 轉

19、爐氧槍口氮封改進轉爐吹氧時，一次煙氣會從不能封閉的氧槍口大量外溢，傳統(tǒng)的多是采用氮封的方法，通常密封效果還是可以的。問題是氮氣消耗量很大，比如某廠50噸轉爐氮封用氮氣量達1500Nm3/h，能耗高；有的廠沒有氮封或密封效果不好。福建三鋼成功開發(fā)了蒸汽密封，設計、控制得當，密封效果應該是沒問題的。但據(jù)有的鋼廠反映：如果蒸汽量控制不當，過多的蒸汽就會變成水順著氧槍往下流，使操作人員不容易判斷是否是氧槍漏水。目前正在進行的改進是用氮氣或蒸汽霧化水霧密封，可以大幅減少氮氣量或利用蒸汽，而且水霧在密封的同時可以直接起到除塵作用。結束語綜上所述有關國內外噴嘴噴霧技術在冶金環(huán)保中的應用，可否得出以下結論：1） 我國環(huán)保煙氣粉塵排放控制標準是世界先進水平的10倍，而且還有許多廠達不到；噸鋼新水、能源平均消耗是世界先進水平的4倍，要做鋼鐵強國就必須迅速縮小