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氣體(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。但有時在非正常情況下，爐頂煤氣溫度會偏高，最高可達700°C，必須快速進行冷卻。采用普通的爐吼灑水可以滿足保護爐頂設(shè)備；但易引起布袋粘結(jié)，有時就被迫放散荒煤氣、或粘結(jié)布袋，既浪費、又污染。采用美國專利產(chǎn)品雙流體噴槍FloMax ®型（如圖2所示）氮氣霧化噴嘴成功解決了這一矛盾，可以實現(xiàn)快速干冷卻，打水時高爐煤氣無須放散，仍然可以進布袋。該系統(tǒng)最好設(shè)在爐頂，可以起到保護爐頂機械設(shè)備和布袋的雙重功能。也有的高爐布置在重力除塵器中，僅為了保護布袋。采用氮氣霧化噴嘴后，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)進一步升級改進的方向是在煤氣溫度偏低（85°C以下）時，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：

1）冷卻速度特別快，理論上，從檢測到溫度超設(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)時間通常在0.1秒，這樣就可以在保護爐頂設(shè)備的同時，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，采用氮氣霧化噴槍的噴霧顆粒速度可以達到40m/s，噴射長度可達2—10m，可以在高爐頂煤氣正壓力較高的情況下，實現(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)計上，還考慮了防堵設(shè)計和堵塞自動檢測功能；

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）因為噴霧完全蒸發(fā)，爐料不會被打濕，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）因為設(shè)計合理的噴霧角度和位置，噴霧不會打濕高爐的內(nèi)壁，不會產(chǎn)生耐火材料因為受潮脫落的現(xiàn)象，延長耐火材料的使用壽命；

8、系統(tǒng)全自動控制，無須人員操作和維護。

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200°C，如果需要進入煤氣柜就必須冷卻到50°C以保護煤氣柜的密封材料。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。我們在煤氣管道內(nèi)成功采用了氮氣霧化噴嘴部分蒸發(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，煤氣中的水份會冷凝出來，氯離子會冷凝為酸水，對凈煤氣管道、補償器、閥等設(shè)備存在嚴重威脅：有的廠系統(tǒng)運行時間不長就發(fā)生管道被腐蝕漏氣；采用防腐蝕管道則造價很高；還腐蝕后步的閥門、不銹鋼補償器、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，減輕對設(shè)備的腐蝕作用。噴水循環(huán)使用一定濃度后進行更換。這種方法簡單、可靠，設(shè)備投資和運行費用、維修量都高；特別是會抵消干法除塵提高發(fā)電和節(jié)水的效果。我們設(shè)計了噴堿液去氯離子的方法，也就是用氮氣霧化噴槍噴堿液，實現(xiàn)部分蒸發(fā)冷卻，同時起到冷卻和去氯離子作用；還可以利用堿性廢水，實現(xiàn)以廢治廢，降低設(shè)備投資和運行費用。

采用氮氣霧化噴槍，合理利用煤氣顯熱，提高煤氣熱效率，同時解決了二次水污染及污泥的處理問題，具有顯著的經(jīng)濟、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行費用浪費多。采用我們的部分蒸發(fā)半干法冷卻技術(shù)，輔助進行噴嘴類型、布置和供水系統(tǒng)改進，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)場小循環(huán)串聯(lián)供水等。

3.5出鐵場除塵

我國1300多座高爐，出鐵場除塵多采用通風(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；浪費嚴重的問題。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，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黾訜煔饬考s30%；而煙氣瞬間收縮總體積會顯著減少；而通過混風(fēng)冷卻，工況煙氣量會增加10倍以上，這樣系統(tǒng)處理的煙氣量就會大幅減少，捕捉率提高；

2）  噴霧通常能100%去除10µm以上的粉塵、對1-10µm的粉塵也能去除一大部分，這樣就會減少除塵器入口的粉塵濃度，減少除塵器的負荷，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)濕度會低于40%，也會出現(xiàn)清灰困難。

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

實踐表明：出鐵場除塵噴嘴或系統(tǒng)設(shè)計不當(dāng)，噴霧會沒有除塵效果、或除塵效率很低；做得好可以達到很好的效果，并且平臺不會有積水。實際上，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：噴霧能達標(biāo)的，就通過噴霧除塵，然后通過單獨的直排煙囪排放，此時風(fēng)機停開、或低速運行；在噴霧不能達標(biāo)時才通過通風(fēng)除塵系統(tǒng)，對于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)冷機的冷卻效率，從而節(jié)約鼓風(fēng)機的電耗。

創(chuàng)新點在于該系統(tǒng)是與安裝在冷卻機風(fēng)機房里的風(fēng)機結(jié)合作業(yè)。專業(yè)設(shè)計的高壓霧化噴嘴將微霧混合到空氣中對燒結(jié)礦進行蒸發(fā)冷卻。因此冷卻不會明顯增加燒結(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)煙氣在進入電除塵前需要對其進行調(diào)質(zhì)處理，本技術(shù)的關(guān)鍵包括：

1）  對燒結(jié)煙氣的含濕量進行精確控制，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）  對燒結(jié)煙氣的溫度進行控制，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變化范圍，同時由于燒結(jié)工藝本身的特點，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。采用先進的噴霧技術(shù)，可以提高和穩(wěn)定這些系統(tǒng)的效率和運行費用，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行費用。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)濟效益。

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

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，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水引起的高溫焦炭劇烈攪動，焦炭機械損壞少，也沒有焦炭蹦出焦車問題。

4.5 原料廠/皮帶轉(zhuǎn)運點的粉塵控制

鋼鐵企業(yè)的原料存放場，還有港口、碼頭等散狀原料場，要存放原煤、鐵精礦、石灰粉等原料，同時有火車、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)刮起引起揚塵，既污染環(huán)境，又浪費寶貴的原料。國外的鋼鐵企業(yè)、礦山、碼頭比較普遍采用原料場噴霧抑塵系統(tǒng)，也就是在原料場四周、或頂部布置多個大噴嘴，通過噴嘴噴水、人工造雨的方式來抑治原料場的揚塵，如圖5所示。與防風(fēng)抑塵墻相比，其主要特點、或優(yōu)點有：

1）  可以覆蓋整個原料場任何位置都不產(chǎn)生揚塵，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，幫助實現(xiàn)零排放；

4）  可以同時對火車、汽車卸車、皮帶取料、汽車輪胎/底盤進行除塵和自動清洗，從而不僅控制揚塵，還可以保持廠區(qū)和臨近區(qū)域的道路干凈；

5） 整個除塵和揚塵可以采用全自動控制。

來源：泰科鋼鐵