噴嘴噴霧系統(tǒng)在煉鐵和原料準(zhǔn)備中的應(yīng)用

摘要：本文介紹噴嘴噴霧系統(tǒng)技術(shù)及其在煉鐵和原料中高爐煉鐵、燒結(jié)、焦化、原料系統(tǒng)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：FloMax ^®噴槍、高爐煤氣凈化、脫氯、燒結(jié)礦冷卻、噴霧低水熄焦

The applications of Spraying System Technology

in Iron Making and Material Treatment

Abstract: Spraying system technology and itsapplications in BF iron making, sintering, coking, material treatment are introduced inthis paper.

Key words: FloMax ^®, BF gas cleaning,dechlorinating, sinter cooling, coke quenching;

1 前言

噴嘴噴霧系統(tǒng)通常有冷卻、清洗、噴涂和特殊應(yīng)用四類，廣泛應(yīng)用于煉鐵和原料系統(tǒng)中，主要有高爐煤氣全干法凈化中的爐頂打水、高爐煤氣柜前凈煤氣管道煤氣冷卻和脫氯離子、燒結(jié)礦冷卻、燒結(jié)煙氣凈化（除塵、脫硫、脫硝、脫酸、除二惡英/重金屬等）、噴霧低水熄焦、原料場(chǎng)粉塵控制等等。本文將綜合介紹以上應(yīng)用情況。

2 噴嘴及噴霧技術(shù)

噴嘴是設(shè)計(jì)用于完成特定功能的精密開孔部件，必須與相關(guān)設(shè)備配套使用，構(gòu)成噴霧系統(tǒng)，如圖1所示。

3 高爐煉鐵應(yīng)用

中國煉鐵產(chǎn)業(yè)集中度低，高爐座數(shù)多(約有1300多座)，大于1000 m³以上高爐卻只有約160多座。高爐煉鐵過程產(chǎn)生的大量爐氣中含有一定量的一氧化碳?xì)怏w(CO>20%)，故稱高爐煤氣。高爐煤氣凈化后作為能源加以利用，既是煉鐵生產(chǎn)工藝本身的要求，也是保護(hù)環(huán)境的要求。高爐煤氣凈化技術(shù)可分為濕法和干法兩大類。目前中小高爐凈化多采用布袋除塵器，大高爐也趨向采用干法凈化。在高爐煤氣系統(tǒng)中，噴嘴噴霧系統(tǒng)主要有高爐爐頂/重力除塵器煤氣冷卻、煤氣柜前煤氣管道內(nèi)煤氣冷卻和煤氣管道防腐蝕等應(yīng)用；在各種濕法凈化系統(tǒng)中，噴嘴也是最重要的核心部件。

3.1 高爐煤氣全干法凈化中的爐頂打水

高爐爐頂?shù)恼囟仍?/span>150-250°C。但有時(shí)在非正常情況下，爐頂煤氣溫度會(huì)偏高，最高可達(dá)700°C，必須快速進(jìn)行冷卻。采用普通的爐吼灑水可以滿足保護(hù)爐頂設(shè)備；但易引起布袋粘結(jié)，有時(shí)就被迫放散荒煤氣、或粘結(jié)布袋，既浪費(fèi)、又污染。采用美國專利產(chǎn)品雙流體噴槍FloMax ®型（如圖2所示）氮?dú)忪F化噴嘴成功解決了這一矛盾，可以實(shí)現(xiàn)快速干冷卻，打水時(shí)高爐煤氣無須放散，仍然可以進(jìn)布袋。該系統(tǒng)最好設(shè)在爐頂，可以起到保護(hù)爐頂機(jī)械設(shè)備和布袋的雙重功能。也有的高爐布置在重力除塵器中，僅為了保護(hù)布袋。采用氮?dú)忪F化噴嘴后，可以不必建設(shè)、或不再需要切換使用金屬管換熱器，可以顯著減少投資、維修量和TRT發(fā)電效率。本技術(shù)進(jìn)一步升級(jí)改進(jìn)的方向是在煤氣溫度偏低（85°C以下）時(shí)，具有快速升溫到150°C的功能。如圖3所示。

該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)：

1）冷卻速度特別快，理論上，從檢測(cè)到溫度超設(shè)定值到冷卻到正常范圍不超過5秒。噴槍噴霧顆粒的蒸發(fā)時(shí)間通常在0.1秒，這樣就可以在保護(hù)爐頂設(shè)備的同時(shí)，確保布袋除塵器的安全：既不燒也不粘灰，這是老式打水所不能做到的；

2）與單一的水噴嘴不同，采用氮?dú)忪F化噴槍的噴霧顆粒速度可以達(dá)到40m/s，噴射長度可達(dá)2—10m，可以在高爐頂煤氣正壓力較高的情況下，實(shí)現(xiàn)煤氣的均勻冷卻；

3）噴嘴的最小孔徑超過6mm，且暢通，因此不堵塞，可以用各種水源、甚至外排廢水；在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，還考慮了防堵設(shè)計(jì)和堵塞自動(dòng)檢測(cè)功能；

4）操作壓力低，氣、水均在低壓范圍，因此噴嘴耐磨損，可以長期使用；

5）系統(tǒng)有條件增加升溫功能，完全取代調(diào)溫系統(tǒng)，節(jié)省投資和減少系統(tǒng)阻力；

6）因?yàn)閲婌F完全蒸發(fā)，爐料不會(huì)被打濕，這樣可以節(jié)省燃料和熱風(fēng)，從而提高產(chǎn)量，還可以防止產(chǎn)生冷爐、或打水突然蒸發(fā)引起爆炸隱患

7）因?yàn)樵O(shè)計(jì)合理的噴霧角度和位置，噴霧不會(huì)打濕高爐的內(nèi)壁，不會(huì)產(chǎn)生耐火材料因?yàn)槭艹泵撀涞默F(xiàn)象，延長耐火材料的使用壽命；

8、系統(tǒng)全自動(dòng)控制，無須人員操作和維護(hù)。

3.2 煤氣柜前凈煤氣管道內(nèi)的煤氣冷卻

采用布袋除塵器，出口煤氣溫度可達(dá)200°C，如果需要進(jìn)入煤氣柜就必須冷卻到50°C以保護(hù)煤氣柜的密封材料。常采用飽和冷卻塔、或間接水冷換熱器冷卻，存在冷卻水量大、換熱器結(jié)垢等問題。我們?cè)诿簹夤艿纼?nèi)成功采用了氮?dú)忪F化噴嘴部分蒸發(fā)冷卻技術(shù)，取得了顯著的效果，國內(nèi)某廠的實(shí)際比較見表1。我國已經(jīng)有幾十座高爐成功采用，并且已經(jīng)出口多套。

表1 高爐凈煤氣不同冷卻方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

3.3 凈煤氣管道噴堿液防腐蝕

高爐冶煉中，由于爐料中氯元素的存在，高爐煤氣中也存在氯元素。在干法除塵中，隨著煤氣溫度的降低，煤氣中的水份會(huì)冷凝出來，氯離子會(huì)冷凝為酸水，對(duì)凈煤氣管道、補(bǔ)償器、閥等設(shè)備存在嚴(yán)重威脅：有的廠系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間不長就發(fā)生管道被腐蝕漏氣；采用防腐蝕管道則造價(jià)很高；還腐蝕后步的閥門、不銹鋼補(bǔ)償器、管道泄爆板（鋁板）等設(shè)備；在管道上結(jié)垢，結(jié)垢脫落后又堵塞管道和熱風(fēng)爐格子磚，因此必須采取措施去除氯離子。去氯離子常用稀釋法，也就是向煤氣中大量噴水，利用噴水吸收氯離子，減輕對(duì)設(shè)備的腐蝕作用。噴水循環(huán)使用一定濃度后進(jìn)行更換。這種方法簡(jiǎn)單、可靠，設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用、維修量都高；特別是會(huì)抵消干法除塵提高發(fā)電和節(jié)水的效果。我們?cè)O(shè)計(jì)了噴堿液去氯離子的方法，也就是用氮?dú)忪F化噴槍噴堿液，實(shí)現(xiàn)部分蒸發(fā)冷卻，同時(shí)起到冷卻和去氯離子作用；還可以利用堿性廢水，實(shí)現(xiàn)以廢治廢，降低設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用。

采用氮?dú)忪F化噴槍，合理利用煤氣顯熱，提高煤氣熱效率，同時(shí)解決了二次水污染及污泥的處理問題，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益。

3.4 高爐煤氣濕法除塵節(jié)水節(jié)能

我國還有部分高爐仍然采用兩文、或蒸噴塔濕法除塵，噴水量和水處理量大、系統(tǒng)阻力高引起能源和運(yùn)行費(fèi)用浪費(fèi)多。采用我們的部分蒸發(fā)半干法冷卻技術(shù)，輔助進(jìn)行噴嘴類型、布置和供水系統(tǒng)改進(jìn)，可以降低30-50%的水量，徹底解決噴嘴堵塞，并減少系統(tǒng)阻力。主要的技術(shù)措施是采用上下噴的雙出口噴嘴；采用大孔徑噴嘴；采用現(xiàn)場(chǎng)小循環(huán)串聯(lián)供水等。

3.5出鐵場(chǎng)除塵

我國1300多座高爐，出鐵場(chǎng)除塵多采用通風(fēng)除塵系統(tǒng)，以采用布袋除塵器為主：雖然排放解決了，但普遍存在能耗、成本高；浪費(fèi)嚴(yán)重的問題。近幾年，我國一些高爐嘗試采用噴霧技術(shù)，解決出鐵場(chǎng)除塵問題：有的小高爐干脆直接采用噴霧除塵，而不用通風(fēng)除塵?；蛘咴诂F(xiàn)除塵能力不足時(shí)，輔助采用噴霧技術(shù)，主要作用：

1）  一是直接噴霧蒸發(fā)冷卻，蒸發(fā)冷卻水變?yōu)樗羝粫?huì)增加煙氣量約30%；而煙氣瞬間收縮總體積會(huì)顯著減少；而通過混風(fēng)冷卻，工況煙氣量會(huì)增加10倍以上，這樣系統(tǒng)處理的煙氣量就會(huì)大幅減少，捕捉率提高；

2）  噴霧通常能100%去除10µm以上的粉塵、對(duì)1-10µm的粉塵也能去除一大部分，這樣就會(huì)減少除塵器入口的粉塵濃度，減少除塵器的負(fù)荷，降低出口排放濃度；

3）  有利于減少積灰：布袋除塵器入口煙氣的最佳濕度為40-70%，濕度大了當(dāng)煙氣溫度降低時(shí)就灰積灰；濕度低于40%、比如在東北、華北和西部秋冬季節(jié)濕度會(huì)低于40%，也會(huì)出現(xiàn)清灰困難。

4）  對(duì)于電除塵器使用時(shí)間一長，極板、極線一旦積灰，除塵效率就會(huì)顯著降低。通過人工清理不僅危險(xiǎn)、人員很辛苦，更主要的很難清洗干凈。采用檢修期自動(dòng)噴水清洗裝置，可以保證極板、極線清潔，確保高除塵效率。

實(shí)踐表明：出鐵場(chǎng)除塵噴嘴或系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，噴霧會(huì)沒有除塵效果、或除塵效率很低；做得好可以達(dá)到很好的效果，并且平臺(tái)不會(huì)有積水。實(shí)際上，從發(fā)展方向看，把噴霧與通風(fēng)除塵選擇使用：噴霧除塵為首選：噴霧能達(dá)標(biāo)的，就通過噴霧除塵，然后通過單獨(dú)的直排煙囪排放，此時(shí)風(fēng)機(jī)停開、或低速運(yùn)行；在噴霧不能達(dá)標(biāo)時(shí)才通過通風(fēng)除塵系統(tǒng)，對(duì)于1µm以下的粉塵噴霧除塵效率低，這樣能減少能源消耗和提高設(shè)備壽命。

4 燒結(jié)、焦化、原料等應(yīng)用

4.1斯普瑞的燒結(jié)礦噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

采用空氣和微霧來冷卻燒結(jié)礦。能大幅度提升環(huán)冷機(jī)的冷卻效率，從而節(jié)約鼓風(fēng)機(jī)的電耗。

創(chuàng)新點(diǎn)在于該系統(tǒng)是與安裝在冷卻機(jī)風(fēng)機(jī)房里的風(fēng)機(jī)結(jié)合作業(yè)。專業(yè)設(shè)計(jì)的高壓霧化噴嘴將微霧混合到空氣中對(duì)燒結(jié)礦進(jìn)行蒸發(fā)冷卻。因此冷卻不會(huì)明顯增加燒結(jié)礦的水分含量。

4.2 燒結(jié)煙氣除塵

燒結(jié)煙氣一般采用電除塵器，但是由于燒結(jié)煙氣成分的特殊性，其比電阻和煙氣的含濕量需要在合理的范圍內(nèi)，才能在電除塵器內(nèi)獲得高的除塵效率 。這樣燒結(jié)煙氣在進(jìn)入電除塵前需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，本技術(shù)的關(guān)鍵包括：

1）  對(duì)燒結(jié)煙氣的含濕量進(jìn)行精確控制，使其在最佳的范圍內(nèi)，使電除塵器的除塵效率得到保證；

2）  對(duì)燒結(jié)煙氣的溫度進(jìn)行控制，保證電除塵正常工作；

3）  粗出塵的作用，降低電除塵的負(fù)荷。

4.3 燒結(jié)煙氣脫硫、脫硝

燒結(jié)煙氣脫硫、脫硝在中國才處于剛剛起步的階段，照搬各種在電力行業(yè)的應(yīng)用成熟技術(shù)，在燒結(jié)煙氣中都還存在各種問題；

　　由于鐵礦石的質(zhì)量不同，燒結(jié)煙氣中硫的含量具有很大的一個(gè)變化范圍，同時(shí)由于燒結(jié)工藝本身的特點(diǎn)，燒結(jié)煙氣量的變化很大，成分變化也很大，這給燒結(jié)煙氣脫硫帶來很大困難。其中，濕法脫硫是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，現(xiàn)在還有一些其他的技術(shù)也處于試驗(yàn)階段，但都還存在一定的問題，比如半干法脫硫、干法脫硫。采用先進(jìn)的噴霧技術(shù)，可以提高和穩(wěn)定這些系統(tǒng)的效率和運(yùn)行費(fèi)用，并可以利用外排廢水替代石灰等脫硫劑，從而大幅度降低一次投資和運(yùn)行費(fèi)用。充分發(fā)揮噴霧冷卻、調(diào)質(zhì)、吸收等作用，可以開發(fā)出更適合中國國情的燒結(jié)煙氣脫硫技術(shù)。

4.4 噴霧低水熄焦

焦炭出爐后，必須在幾分鐘時(shí)間內(nèi)將其溫度從1400·C迅速冷卻到常溫。采用低壓、大流量噴嘴進(jìn)行窒息式低水熄焦，替代落后的原管子上開孔噴淋濕熄焦系統(tǒng)，改造量特別少、投資少，改造過程不影響生產(chǎn)。此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)迅速被大部分仍采用濕熄焦的焦化廠采用。
    此項(xiàng)技術(shù)取得的主要效果包括：

1）  降低成本：在沒有亮焦的前提下，焦炭含水量可以穩(wěn)定在3—4%。據(jù)有關(guān)鑒定結(jié)論：焦炭含水量每降低1%，煉鐵焦比可降低約2%，噸鐵成本可將低約6元，減少入爐焦炭含水量具有顯著的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益。

2）  減少熄火時(shí)間：可以減少到約90s，僅為傳統(tǒng)熄焦時(shí)間的一半。

3）  環(huán)保：由于噴水均勻、有利且將焦車全覆蓋，因此蒸汽中所加帶的焦粉顯著減少，既減少了資源浪費(fèi)，有控制了粉塵污染。

4）  節(jié)水：熄火放散的水蒸氣明顯減少，相應(yīng)減少了補(bǔ)充新水量。

5）  噴嘴不堵塞，不像原有系統(tǒng)需要經(jīng)常堵塞或管子端頭不封閉來排出焦炭顆粒。

6）  由于沒有焦車底部進(jìn)水引起的高溫焦炭劇烈攪動(dòng)，焦炭機(jī)械損壞少，也沒有焦炭蹦出焦車問題。

4.5 原料廠/皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)的粉塵控制

鋼鐵企業(yè)的原料存放場(chǎng)，還有港口、碼頭等散狀原料場(chǎng)，要存放原煤、鐵精礦、石灰粉等原料，同時(shí)有火車、汽車卸車和皮帶取料等作業(yè)，在干燥、風(fēng)大的季節(jié)，散狀料很容易被風(fēng)刮起引起揚(yáng)塵，既污染環(huán)境，又浪費(fèi)寶貴的原料。國外的鋼鐵企業(yè)、礦山、碼頭比較普遍采用原料場(chǎng)噴霧抑塵系統(tǒng)，也就是在原料場(chǎng)四周、或頂部布置多個(gè)大噴嘴，通過噴嘴噴水、人工造雨的方式來抑治原料場(chǎng)的揚(yáng)塵，如圖5所示。與防風(fēng)抑塵墻相比，其主要特點(diǎn)、或優(yōu)點(diǎn)有：

1）  可以覆蓋整個(gè)原料場(chǎng)任何位置都不產(chǎn)生揚(yáng)塵，沒有死角；

2）  投資節(jié)省得很多；

3）  可以利用和處理外排廢水，幫助實(shí)現(xiàn)零排放；

4）  可以同時(shí)對(duì)火車、汽車卸車、皮帶取料、汽車輪胎/底盤進(jìn)行除塵和自動(dòng)清洗，從而不僅控制揚(yáng)塵，還可以保持廠區(qū)和臨近區(qū)域的道路干凈；

5） 整個(gè)除塵和揚(yáng)塵可以采用全自動(dòng)控制。

來源：泰科鋼鐵