国内外喷嘴喷雾关键技术在冶金环保中应用
时间：2020-09-07 16:13:42 来源：勤学考试网 本文已影响 人 
中国外喷嘴喷雾技术在冶金环境保护中应用
刘晨 裴丽苗
（斯普瑞喷雾系统上海）
概述
依据美国喷雾企业资料，用在多种工业和农业两大类喷嘴累计八万多个品种规格，仅用在钢铁工业喷嘴也有两千多。
中国已经是世界第一钢铁大国，并逐步成为钢铁强国。近几年钢铁喷嘴喷雾技术应用也在对应地快速提升。但问题是发展很不均衡，有些钢厂部分应用已经赶上、甚至超出国外优异水平，但有钢厂、甚至部分大钢厂/设计院仍在沿用很陈旧落后喷嘴，比如转炉除尘仍用碗型、反溅式喷嘴；高炉炉顶打水仍用一般水喷嘴；焦碳熄火仍用管子上开孔喷水等，落后喷嘴肯定影响技术经济指标提升：中国现在烟气排放粉尘含量控制标准是100毫克/标立米，是世界优异水平10倍以上，但仍有相当多企业实际上在超标排放；少数钢厂已经达成世界优异水平，但除尘水、电平均消耗是发达国家4倍。
本文简单介绍喷嘴在中国外冶金环境保护中常见应用，关键介绍部分新应用，尤其是适合中国钢厂环境保护技术进步新技术。
喷嘴在冶金环境保护中常见应用
喷嘴在冶金环境保护中应用贯穿了从矿山到钢材整个生产过程各工序，常见应用见附表1。从表中可见：喷嘴在冶金环境保护中有较多应用，归纳起来，最常见是高温烟气冷却和喷雾除尘，也恰是在这两方面应用上中国钢厂之间、和国外钢厂间存在较大差距。
高温烟气冷却
高温烟气通常是指130℃以上烟气。冶金工业（钢铁和有色金属）包含烟气大多属于高温烟气，像转炉炉口、电炉炉口、直接还原系统最高温度可大1400-1600℃。考虑高温烟气冷却方案时，首先要考虑到高温烟气显热是一个余热能源，根据节能要求应该回收利用。中国外研究单位全部在努力多年，努力争取将高温烟气余热利用目标达成400℃，但现在技术水平通常是能利用到800-1000℃。余热利用方法通常是用余热锅炉或烟道生产中高压蒸汽，用于发电或并网利用。
1000℃（或未来400℃）以下高温烟气冷却通常采取直接冷却或间接冷却两种方法，详见附图1。
附图1 高温烟气冷却不一样方法
从中国外发展趋势看，在回收余热或不需要、没条件回收余热场所，倾向于采取不饱和蒸发冷却替换全部其它冷却方法，采取蒸发冷却能够将烟气温度冷却到饱和温度（最低达50℃）；而对于采取布袋或电除尘干法除尘系统，因为除尘器对烟气湿度要求（相对湿度30-80%）限制，通常是采取蒸发冷却到某一温度（如电炉除尘冷却到240-280℃），然后再经过参二次冷风、其它低温烟气方法冷却到除尘器要求温度，同时满足湿度要求。
在采取直接蒸发冷却方面，中国外近几年在成功应用、节省投资、节能环境保护和降低运行费用多方面，全部取得长足发展，并逐步趋向推广，比如转炉干法、半干法除尘；高炉全干法除尘；电炉除尘系统改造等。这里简明介绍中国多个成功示例。
2．1 转炉干法除尘
中国继宝钢成功引进两套250吨转炉干法除尘系统（现在在建第三套）后，20XX年莱钢以分交方法成功采取了三套120吨转炉干法除尘系统。因为采取分交国产化百分比提升和没有上粉尘压块系统，总造价大幅降低。莱钢、包钢、天铁全部在建设或设计新转炉干法除尘系统。转炉除尘推广采取干法现在仍然存在问题：
一是总造价仍然偏高；
二是自动控制程度高，运行过程中存在蒸发冷却塔内壁粘灰等问题，很多钢厂因操作和维修人员水平限制而不敢采取；
三是该系统电除尘器后煤气冷却还用饱和冷却，所以该工艺不是真正意义上全干法。
伴随提升国产化百分比，相信这些问题全部会对应处理。能够预期，那时转炉干法一定会得到快速推广，中国转炉除尘水平就能够达成世界优异水平。
2．2 转炉半干法除尘
从转炉投入工业应用以来几十年来，转炉除尘工艺一直湿法为主，少数干法。据介绍，全球供有46套干法。湿法问题多、干法一时不能推广，半干法就是针对这一局面提出一个尤其适合中国国情处理方案：投入少、改造基础不占用生产时间、自动控制要求不高。根据环境保护、节能、节水、提升转炉作用率、降低维修量多方面考虑，中国已经将转炉采取干法除尘做为清洁生产开发项目；宝钢还将此列进博士后研究项目，能够预期最终干法一定会得到推广；提出半干法最终目标也是要推广干法。但从中国国情、厂情实际出发，应该或不得不分步走。
所谓半干法，简单地说就是利用了干法蒸发冷却和电除尘，但不一样是用水冲灰和湿式电除尘。实施上也能够分以下两步走：
一、将一文和其下部脱水器拆除，改造为二分之一干式冷却塔：因为采取蒸发冷却，降温所需水只有文氏管饱和冷却1/10；保留水冲灰，降低了改造量和时间，同时更多喷水使冷却塔除尘效率能够达成95%；更关键是没有一文收缩段，系统阻力从3000帕以上降低到300帕以下。这么就为中国很多钢厂因转炉不停扩容、扩装、提升吹氧强度但除尘系统没立即改造引发循环水能力和风机能力不足问题。只要空间够，半干式冷却塔能够随时改造为干式蒸发冷却塔。中国河北承钢已经在两座100吨转炉上成功采取了这一技术；河北宣钢、四川攀钢也决定采取；更多钢厂在进行可行性研究。
二、在上述改造基础上（同时或以后），建设一独立湿式电除尘器和风机系统，烟气来自半干式冷却塔，净化后煤气（烟气）再送到原风机后、切换站前，和原来二文、风机系统切换使用。这么改造关键优点：烟气（煤气）粉尘含量和电耗能够达成干法水平；自动控制要求不高；改造和电除尘器维修时不影响生产。现在中国有两家企业能够提供这种特殊电除尘器，有几家钢厂也在进行前期论证中，相信很快就会投入转炉改造中。
2．3转炉湿法除尘脱水器改善
转炉采取湿法除尘时烟气进风机前是否充足脱水，对整个系统运行含有决定性影响：因为烟气带水多增加了烟气重度，首先就直接降低风机有效功率；其次烟气中水份多也是风机粘灰间接原因。中国钢厂、设计院在脱水器改善上也做了大量工作，有钢厂甚至在二文后加两级脱水。
现在较多使用湿旋脱水器，也有用丝网（塔式、卧式）脱水器。一个显著改善就是简化了脱水器结构为一空心塔，既不要丝网，也不需要旋流板，只需在脱水器出口增加氮气雾化喷枪，就不仅能很好地脱水，且含有精除尘作用(见附图3)。中国有30多家钢厂、有些设计院全部选择该技术：某钢厂在40吨转炉湿旋脱水器中增加一只喷枪，8毫米厚旋流板很快粘灰到40毫米后脱落；烟囱排放烟气中蒸汽量显著降低；风机电流降低；维修周期延长了4倍；还有一钢厂在120吨转炉中采取本技术，在相同冶炼炉数后测定风机叶轮粘灰量，采取喷枪转炉恰好降低了50%。
这一改善简单易行，效果显著，现在正在不停推广。但有些钢厂在使用不一样喷枪，或喷枪不立即维修更换时，使用效果发生波动，甚至恶化。从理论上分析：对这种应用，必需经过选择正确喷嘴、喷嘴参数，并进行合适控制调整，确保喷嘴喷雾颗粒足够细，并有尽可能高颗粒速度。不然喷雾不仅不脱水，还会增加烟气中水量。
附图3 转炉湿法除尘脱水器
2．4高炉炉顶打水和煤气冷却
高炉炉顶打水目标关键是在高炉冶炼不正常期、炉顶温度高时保护炉顶设备。传统高炉炉顶打水是用钢管或一般水喷嘴，降温没问题，问题是打水时间长、耗水量多、打水时煤气湿度大；高炉采取干法除尘时，为了保护布袋安全，被迫采取并联金属管式换热器间接冷却煤气。近几年中国开始采取氮气雾化喷枪蒸发冷却系统改善炉顶打水，关键效果是煤气冷却尤其快，仅几秒（原来10-30分）、节水90%、煤气无需其它冷却就能够直接进布袋。这种喷枪还能够兼做烧嘴使系统含有升温功效，在高炉煤气低时能够进行燃烧升温后进布袋，从而避免荒煤气放散污染环镜、浪费能源。
中国高炉在逐步推广干法冷却。采取布袋除尘器干法除尘时，出口煤气温度已经所选布袋不一样，波动在110-200℃。较高温度煤气能够直接利用，而假如要进煤气柜储存，就必需深入冷却到70（或50）℃，以适应煤气柜密封要求。多年来中国从莱钢开始，成功采取了蒸发冷却系统替换原来饱和冷却，使高炉煤气能够实现真正意义上全干法。现在已经有多家钢厂采取。其优点是冷却可靠、节水、煤气含湿量低、热值高，不再用循环冷却系统。
2.5电炉除尘
中国外传统电炉除尘几乎全部是采取布袋除尘器干法除尘；烟气冷却则以间接冷却（水冷、风冷）为主，辅以直接混风冷却。多年来关键改善关键是在冷却方法上，采取直接喷雾蒸发冷却替换传统间接水冷和风冷。即使水蒸发后会增加烟气量，但因为降低了混风量，系统处理烟气量通常只要传统工艺50%，加之系统阻力大幅降低，比采取传统工艺还是能够节省投资、运行和维修费用。
采取蒸发冷却另外一个优点是能够控制白烟和二恶英等强致癌物质。电炉炼钢原料中有含聚氯乙烯（PVC）塑料和氯化油、溶剂和盐废钢，在冶炼过程中会造成产生白烟或二恶英。尤其是二恶英，尽管只是微量，但极难被通常除尘设备去除，稳定性强，亲脂性高，不能生物降解，所以含有很高环境滞留性，不管在空气、水，还是土壤中，它全部能强烈吸附在颗粒上，一旦摄入不易排出，伴随时间累积逐步增多，最终造成致命危害。采取蒸发冷却能够在数秒内将电炉烟气从800冷却到300℃，阻止了二恶英再生成。现在已经引发发达国家高度重视；中国现在即使还没有相关控制标准，但中国相关研究单位正在进行检测方法和控制标准研究。而做为钢厂和设计、环境保护企业，应该从我们本身和子孙后代健康出发，推广应用能有效控制二恶英、又简单易行蒸发冷却技术。
2．5 烟气SO2/NOx控制和废水处理
在燃煤电厂锅炉烟气、烧结/球团烟气和焦炉煤气；和大部分有色冶炼过程中全部包含到SO2、NOx控制问题。中国外在这方面全部进行了大量研究，应用技术也日趋成熟。和喷嘴应用相关很有意义技术是把她们和废水处理相结合，实现以废治废。实际上因为喷嘴设计制造和应用技术进步，现在上述用于蒸发冷却喷嘴全部有防堵塞功效，全部能够用废水（仅需要粗过滤）。如前所述，中国钢铁工业平均新水消耗量达成发达国家4倍，成功采取以废治废就为很多钢厂实现污水零排放提供一个可选择路径：处理废水同时节省了新水。
低水熄焦
中国近几年来一直在引进推广干熄焦技术，因为它环境保护、节能。同时也需要注意是：干熄焦系统因为每十二个月要有较长设备检修时间要求、而焦炉又不能停，所以全部需要配置备用湿熄焦系统（除非有备用整套干熄焦系统）；其次，依据德国经验：干熄焦关键效益在发电，在电力供给担心、电价高时，会有显著效益；而当水电、核电大量发展、电价降低时，干熄焦因为运行和维修费用高，就会发生亏损。而且干熄焦投资也高，在中国推广还需要很长时间，所以必需仍然在低水湿熄焦技术给以足够关注。
德国应用较多、中国太钢等厂已经和准备引进稳定熄焦(CSQ)法取得了很好效果，在焦碳水份降低、强度提升和稳定同时，总粉尘量、细粉尘量、SO2、CO和废水处理方面全部取得了良好效果。
近几年，杭钢、上海焦化、三钢、湘潭等中国30多家焦化厂则采取了美国喷雾企业大流量喷嘴低水熄焦技术用于改造现有湿熄焦，取得了焦碳水份低、稳定；强度有所提升同时，排放粉尘和蒸汽量显著降低，含有显著环境保护和节水效果。该技术最大特点是投入尤其少、改造过程不影响生产。
无水喷雾除尘
传统除尘多是捕集、管道、布袋除尘器（电除尘器）、风机、烟囱，只要设计、制造和维护得好， 除尘效果是没问题。关键存在问题：一是有些场所比如大型原料场、渣处理场、火车卸料等，因为空间大或粉尘发生点不固定，无法有效地采取传统除尘工艺；二是对于多个皮袋转运站、转炉/电炉二次烟尘、高炉出铁场除尘等，除尘风机功率小了捕捉率低，有厂仅60%；风机功率高则运行费用太高，所以很多厂没治理或不连续使用。
多年来，国外开始陆续采取无水喷雾除尘技术。所谓无水是指没有机械水，但喷仍然是水，形成是雾。很多用户刚一听喷水雾除尘立即会担心弄湿原料、设备，引发安全问题，而无水恰好是喷雾除尘关键，也是很多用户采取这一技术失败原因：依据美国和巴西相关单位研究结果：喷嘴喷雾颗粒必需足够细，和要去除粉尘颗粒达成一临近百分比，喷水才有除尘效果，也就不会有机械水；不然就会有机械水，同时没有任何除尘效果。国外在这方面已经取得了较普遍应用。中国在港口、烧结、焦化、转炉、混铁炉、钢渣处理方面也有成功应用示例。对于高温应用场所，喷水雾要首先降温后才有除尘效果；除必需尤其关键喷雾颗粒（包含喷嘴类型、操作参数选择）外，还必需注意喷嘴合理部署、水量要足够、合适。
5．蒸汽消音和冷凝
蒸汽在放散时会产生很大超标噪音。在控制噪音方面也有很多可选择技术。中国技术人员成功采取了喷嘴消音法，将蒸汽经过一个特殊喷嘴伸入到一定深度水面下，经过喷嘴和水均匀吸收蒸汽能量，能够很简单轻易地处理放散产生躁音，同时能够将蒸汽100%吸收为水，含有节水效果。
众所周知，水蒸发成蒸汽要大量吸热（2257KJ/kg）、体积要膨胀约1200倍。连铸二次冷却、高炉水冲渣全部会产量大量蒸汽，有时还夹带粉尘。所谓蒸汽冷凝，就是利用喷水雾蒸发吸收蒸汽中热，使蒸汽冷凝成水。这么不仅有节水、除尘效果，对西、北方钢厂冬季二冷蒸汽量大排不净时，能够很轻易地处理蒸汽影响操作问题。
转炉氧枪口氮封改善
转炉吹氧时，一次烟气会从不能封闭氧枪口大量外溢，传统多是采取氮封方法，通常密封效果还是能够。问题是氮气消耗量很大，比如某厂50吨转炉氮封用氮气量达1500Nm3/h，能耗高；有厂没有氮封或密封效果不好。福建三钢成功开发了蒸汽密封，设计、控制适当，密封效果应该是没问题。但据有钢厂反应：假如蒸汽量控制不妥，过多蒸汽就会变成水顺着氧枪往下流，使操作人员不轻易判定是否是氧枪漏水。
现在正在进行改善是用氮气或蒸汽雾化水雾密封，能够大幅降低氮气量或利用蒸汽，而且水雾在密封同时能够直接起到除尘作用。
结束语
总而言之相关中国外喷嘴喷雾技术在冶金环境保护中应用，可否得出以下结论：
中国环境保护烟气粉尘排放控制标准是世界优异水平10倍，而且还有很多厂达不到；吨钢新水、能源平均消耗是世界优异水平4倍，要做钢铁强国就必需快速缩小这些差距。
喷嘴喷雾技术对缩小这些差距含有显著影响，所以我们在主体工艺设备现代化同时必需对此给足够重视，采取有效方法干超世界优异水平，以免因小失大。
附表1 喷嘴在冶金环境保护中常见应用
序号
项目名称
应用类型
备注
炼铁高炉
1
高炉煤气柜前蒸发冷却系统
冷却
从110-200℃冷却到50℃
2
炉顶打水冷却（可带升温功效）
冷却
从350℃以上冷却到250℃
3
重力除尘器内煤气冷却系统
冷却
替换金属管式换热器
4
出铁沟喷雾除尘系统
除尘
无水喷雾除尘
6
皮带转运点喷雾除尘
除尘
无水喷雾除尘
7
大型料场喷雾加湿抑尘
除尘
无水喷雾除尘
8
水冲渣蒸汽喷雾冷凝
冷凝
无水喷雾除尘和节水
焦化
1
窒息式低水熄焦系统
其它
熄焦
2
煤气冷却和调质
其它
用焦化废水
3
喷雾除尘
除尘
无水喷雾除尘
炼钢转炉
1
湿法除尘脱水、精除尘系统
其它
湿法脱水器改造，脱水、精除尘
2
一文、二文、脱水器喷嘴
冷却
OG系统喷嘴更新换代和改善
2
半干式喷雾冷却系统
冷却
一次除尘改造
3
干式蒸发冷却系统
冷却
一次除尘改造
4
二次烟气喷雾除尘系统
除尘
无水喷雾除尘
5
混铁炉烟气喷雾除尘系统
除尘
无水喷雾除尘
6
拆钢包中间包喷雾除尘系统
除尘
无水喷雾除尘
7
渣场粉尘喷雾系统
除尘
无水喷雾除尘
8
放散蒸汽冷凝回收和消音
其它
消音和节水
9
氧枪口、下料口氮封系统
其它
节省氮气
炼钢电炉
1
削峰补充蒸发冷却系统
冷却
现有系统改善、确保冷却
2
干式蒸发冷却系统
冷却
替换水冷烟道、风冷器和混风
3
二次烟气喷雾除尘系统
除尘
无水喷雾除尘
轧钢
1
热轧机喷雾除尘系统
除尘
无水喷雾除尘
2
冷轧酸洗、碱洗再生系统
冷却
酸、碱废水处理和回收
