湯清華，王寶海，張洪宇，王再義
（鞍鋼股份公司，遼寧鞍山 114021）
摘 要：筆者根據煉鐵生產多年的實踐，開發了幾項節能減排的工藝技術：爐頂裝料過程中均壓放散的煤氣回收；加壓熱風爐煙道廢氣作為高爐煤粉噴吹用惰性氣體；高爐煤氣干法除塵系統煤氣回收時的溫度撐控；高爐干法除塵的防腐技術；新型旋風除塵器；高爐低噪音煤氣壓力調節閥；高爐大中修停爐降料面煤氣全回收操作技術。試圖從原理和實際應用上加以介紹，以引起同仁們的討論和應用，想起到拋磚的作用。
關鍵詞：均壓放散煤氣回收，煙道廢氣，新型旋風除，惰性氣體，壓力調節
1 爐頂裝料過程中均壓放散的煤氣回收
高爐生產中要不斷從爐頂裝進鐵礦石與焦炭固體爐料，高爐內是高溫高壓冶煉的容器，而礦石和焦炭是在常溫常壓狀態下由膠帶機或料車提升運至爐頂后再裝入高爐，裝入過程中的裝料罐（稱量罐或大鐘斗）有一個泄壓放散后受料和充壓均壓后再往爐內布料的過程。這泄壓放散至空中的是高爐煤氣，這部分煤氣進入爐頂消音器，經消音除塵后排進大氣，有極毒和含塵，而且是含有約3000kJ/m3 熱值的二次能源，不想辦法回收利用既浪費能源又污染環境，損害人類。
根據高爐裝料工藝、冶煉強度、頂壓、料罐大小等，生產中表明，裝料均壓放散過程，排入大氣的工況煤氣量為10~20m3/t.Fe，雖只占噸鐵煤氣量的1%左右，但基數大了其排放量是十分驚人的。年產鐵水200萬噸的2500m3 高爐年放散量2500~3000 萬m3，以全國高爐年產生鐵7 億多噸計，僅此項排放量是100 億m3，這些煤氣中含CO：23%~24%，CO2：16%~23%，人在含有CO 濃度500mg/m3 的環境中只要20min 就有中毒死亡危險，有劇毒的高爐煤氣是毒害人類的重武器，這些CO 排入大氣中雖得到稀釋但仍危害人類健康，比CO2 溫室氣體要嚴重得多。同時其能源損耗也十分驚人，1000m3 高爐煤氣約相當100kg 標準煤。全人類都在減排溫室氣體，煉鐵同仁更應迅速行動起來回收這部分煤氣并加以利用。企業是技術創新和開發的主體，有為者建議大膽償試，放眼社會資源利用和降低污染。如果搞好了在世界上應當首創。
我們曾開發設計了一個處理回收工藝及設備（專利號zl201020236770.3），見圖1，這種方式又可分燃燒排放方式和回收進企業管網方式。燃燒排放方式排進大氣的是CO2，能源沒得到應用，不宜應用，進管網方式為企業增加新的能源、減少排毒，建議采用。
高爐爐頂壓力一般為200~300kPa，煤氣管網中的煤氣有約12kPa 的壓力，巨大的壓力差為回收料罐的煤氣提供了動力源，既回收不用另增動力。高爐稱料罐內煤氣放不凈，也可設定下料罐與大氣之間某一低壓差條件下開上料閥進行受料（或再開一次原有均壓放散閥），此時煤氣回收率可達90%左右。若再開發一個抽負壓裝置則可100%回收。此外從裝料均壓放散煤氣回收時間程序上是可滿足要求的。
某公司2015 年1 號高爐（1280m3）大修中增設裝料均壓放散煤氣回收裝置，開爐后即投入煤氣回收生產。（1）運行18 個月以來從未間斷過，實踐結果是每裝一罐料，均壓回收稱量罐中的煤氣只需8~14s，并不影響裝料速度，而且對煤氣管網壓力無沖擊。（2）頂壓160~190kPa 條件下回收煤氣7~8 m3/t.Fe（見圖2）。
（3）根據企業煤氣價格，當年可回收投資，環保效益更可觀，回收過程的粉塵與高爐布袋除塵一并回收。
（4）按時間或壓力控制回收過程，其回收量是85%以上。
在1 號高爐此煤氣回收獲得成功后，廠里3200 高爐裝料均壓放散煤氣回收項目正緊張施工，很快就會投入運行。
2 加壓熱風爐煙道廢氣作為高爐煤粉噴吹用惰性氣體
高爐熱風爐煙道廢氣在高爐噴吹煤粉的制粉系統，做為干燥劑和降低制粉系統O2 含量起憜化作用，在我國己近50 年歷史了，為保證高爐噴煤的安全和節約能源起到的巨大的作用，技術上已日臻成熟。當前存在的問題是高爐煉鐵工藝中N2 用量不斷攀升，N2 資源和壓N2 能力受限，出現高爐用N2 和噴煤用N2 不平衡，相互爭用。
（1）高爐用N2 不斷增加，有十幾處需用N2，僅爐頂無料鐘用N2 原設計500~800m3/h，而現在2500m3以上的高爐實際用N2 都大于2000m3/h。一座高爐在裝料一均都采用半凈煤氣的條件下的耗N2 量大至在5000m3/h 以上。
（2）高爐噴煤的煤粉多為煙煤與無煙煤混合噴吹，為保證安全，噴吹罐組的加壓、倒罐、噴吹、二次補氣等多用N2，加之多屬稀相噴吹，沒能真正實現濃相噴吹，因此耗N2 量同樣居高。
介于這種局面，鞍鋼的同志們共同開發出利用熱風爐煙道廢氣加壓后代替現有的N2 和壓縮空氣用于噴煤，發明專利號：ZL200610135140.5。其專利如下簡圖3。
熱風爐煙道廢氣完全可做為噴吹煤粉的惰性氣體和載氣，其成分見表1，它是兩種惰性氣體的混合氣。
改當前加壓空氣或N2 作為噴煤載氣，為加壓熱風爐煙道廢氣作為噴煤載氣，吸入口稍增加簡單除塵和脫水設施即可應用，其惰化效果應比純N2 還好。
由表1 中可看出煙氣中含CO2 近30%，比用壓縮的N2 多了30%CO2，進入高爐后與爐內C 發生反應：
CO2+C=CO
CO 是很好的還原劑，富化了還原劑成分，同時帶入的C原子節約了能源，某種程度上減少了CO2 的排放量。此外它優先與煤粉中的C 發生氣化，某種程度減少焦炭的氣化反應，進而保護了焦炭的強度。為減排做貢獻，一舉三得。
同時也使高爐冶煉行程發生了一定的變化，CO2 在風口前發生氣化反應是吸熱的，而在高爐中上部參加間接還原又放出熱量，有利間接還原的發展。這對進一步使用高風溫和發展間接還原都有利，又因噴煤帶入氣體量很限，不會給高爐冶煉行程帶來大的影響。
3 高爐煤氣干法除塵系統煤氣回收引氣時的溫度撐控
高爐大修或新建高爐開爐，對于濕法煤氣回收系統，煤氣回收條件是高爐點火后送風風口全部著火，爐頂煤氣檢驗合格即可回收并網。 新的問題是，近年來多采用布袋干法煤氣回收系統，要求爐頂煤氣溫度達到一定時才能回收，且各企業操作規程中規定布袋除塵器接收煤氣條件是爐頂溫度在100~250℃范圍。低溫限制是防止結露粘布袋，高溫限制是防止燒布袋。而新開高爐爐頂煤氣溫度提高較慢，多在著火后15h 以上，尤其濕料開爐，造成煤氣長時間不能回收，有的長達20h 以上，大量高爐煤氣放散入空中，產生浪費和污染環境，每小時數十萬有毒的高爐煤氣放入大氣，比排CO2 危害更大。
實際上只要送風風口全部著火，料柱內游離氧全部趕盡就可回收煤氣，不必擔心布袋結露而粘結。這里有個認識問題：有些布袋煤氣除塵系統操作規程中要求爐頂溫度在100~250℃時才能回收煤氣，有甚者把下限溫度提到120℃，筆者認為這是江南幾十年前干式布袋除塵剛開發應用時的做法，沒有足夠理論根據，值得商討，不宜照搬。規程也有不正確的時候。造成布袋結露掛臘的充分必要條件是：煤氣中水蒸汽濃度和溫度同時具備結露條件時，才能結露。缺一條件就不會結露。
20 世紀70 年代成蘭伯先生主編的《高爐煉鐵工藝及計算》中關于大氣濕度與結露溫度的關系就有介紹，將其制成圖4。可將爐頂煤氣中含濕量算出與對應的露點溫度查表得出，此時的露點溫度就是允許煤氣回收溫度，筆者簡易計算表明，爐頂溫度大于30℃可回收煤氣，且有多次實踐：
（1）2006 年12 月鞍鋼新4 高爐（2580m3）開爐，且冬季，采用濕熄焦和全人造富礦開爐，包括大氣濕度在內計算的的爐頂煤氣含濕是在16g/m3 左右，對應的結露溫度是19℃，此時爐頂溫度達30℃即可回收煤氣，實際當時60℃回收了煤氣，結果很好。
（2）2011 年8 月16 日江南一座1780m3 高爐新建開爐，采用布袋除塵回收煤氣系統，同樣用廢舊枕木填充爐缸，16 個風口送風點火，風口著火到煤氣回收完不到30 分鐘，當時爐頂溫度37~38℃，幾乎是盛夏的大氣溫度，予計要堵塞2~3 個布袋箱體，但結果一條布袋都沒掛粉和堵塞，安全順利開爐。
（3）再有各企業高爐噴煤的制粉系統，其磨煤收煤布袋系統都控制≤70℃，再高怕布袋著火，磨的煤含水都在12%以上，其磨煤的干燥劑或載氣中含H2O 遠高于高爐煤氣中的H2O，其含粉濃放多在500g/m3（高爐煤氣含塵30g/m3 左右），制粉系統均正常運行。20 世紀60 年代鞍鋼同志在建制粉噴煤車間時，計算鞍山
地區磨制煤粉布袋結露溫度是54℃，收煤粉布袋箱溫度一直控制在≤70℃，己運行了近60 年，掛蠟堵袋幾乎沒有。當前仍有一些同志糾結，尤其是在制定操作規程上。
（4）由此還可說明，燒結生產主抽風機前的除塵方式，也可改傳統的電除塵為布袋除塵以提高效率和易于脫S，己有很多用布袋除塵代替電除塵實例了。
4 高爐干法除塵的防腐技術
高爐煤氣采用干法除塵凈化，給企業帶來節水、TRT 多發電、提高風溫、減少污染等諸多好處。筆者曾根據實際核算這項技術可降低噸鐵成本12~15 元，近年多為采用。但同時出現管道被腐蝕的現象，如某2002 年才有高爐煉鐵的企業，至2013 年因煤氣管網腐蝕嚴重被迫在管道外部采用全線包裹防漏措施。究其原因是高爐煤氣含有Cl–和SO2 – ，同時煤氣中含有H2O 蒸氣，結合后生成鹽酸和次硫酸，對鋼管道產生腐蝕，尤其是進口礦量增加，Cl–更高，這一現象越來越嚴重，有的甚至影響后道工序的生產。現在辦法：
（1）有的企業采用煤氣布袋除塵出口處霧化噴灑石灰水使其生成CaCl 和CaSO3，（在水中沉淀），其后端增設旋流脫水裝置，水循環使用，建個小型沉淀池，固體物沉淀回收。以解決后部高爐煤氣管網腐蝕問題。
（2）重力除塵器（或旋風除塵器）出口至布袋除塵器入口的半凈煤氣管道上采用噴涂50mm 的耐材，防止點蝕。
5 新型旋風除塵器優于進口設備
在高爐粗煤氣和半凈煤氣處理上，干法凈化上大量購買國外的旋風除塵器，濕法上大量購買比肖夫和戴維鐘水洗凈化設備，這些設備運行成本高，維護費用高，難于調節，耐磨塊掉落堵塞御灰系統。鞍鋼在高爐改造中，采用濕法的高爐共引進了5 臺比肖夫塔，燃氣廠在使用時吃了不少苦頭，主要是重力除塵效率低，比肖夫旋流塔磨損嚴重。而在后來改造中則采用干法除塵，也不再引進旋風除塵，而是與鞍山享通公司合作開發了新型旋流除塵器（螺旋筒式旋風除塵工藝設備，專利號：ZL200510073304.1），從2006 年第一臺旋流除塵器用在4 高爐（2580m3）至今，國內己有幾十臺投用，爐容在1000~4860m3 不同級別的高爐上。與傳統的重力除塵器比，其直徑縮小了一半，除塵效率提高到75%~85%。眾知的重力除塵器最好的效率最好的是50%，其提高率是50%以上。從鞍鋼4 高爐運行12 年實踐表明，完全克服了引進的設備蔽端，效率提高后帶來布袋壽命的延長，設計一年更換的布袋已延至3 年以上。12 年來也沒有維修過。
6 高爐低噪聲煤氣壓力調節閥
高爐煉鐵自20 世紀50 年代初就改為高壓操作，是3 高理論之一，都是在高爐凈煤氣出口與企業煤氣管網處設置調壓閥組組（有的叫傍通閥組，鞍鋼習慣叫高壓閥組），是在一根煤氣總管上并聯安裝3~4 臺不同直徑的閥門，根據高爐頂壓的要求，開、關、調節不同通徑的閥門來達到目的，同時這些閥門必須同時配置電動和氣、液動傳動裝置，以滿足反應速度要求，傳統的調壓閥組還帶有DN200mm 常通管以保護鼓風機，這對TRT 出力受到制約。2009 年鞍鋼新5 高爐（2580m3）改造中新開發了一種由一個鐘型閥組成，液壓驅動無級可調的調壓閥（煉鐵高爐用的低噪聲煤氣壓力調節閥，專利號ZL200820011354.6）。使用至今效果良好，由傳統的調壓閥組調節的高爐頂壓在5kPa 范圍內波動，新型閥門調節的高爐頂壓在1kPa 范圍內波動。已運行8 年效果甚好，也建議擴廣應用。
7 高爐大修降料線停爐過程的煤氣零排放
高爐大中修要停爐降料面，大修還要出殘鐵，怎么進行爐頂打水、回收煤氣、將料面降到風口水平面，其操作是同時進行的，安全難度大，怎么做到煤氣100%回收。近三年幾座爐子降料面的成功作法供參考。
（1）蓋面焦，過去加得較多，一般按正常焦批的3 批即為合適，多了即浪費資源也延長了降料面時間。
（2）液面控制和出最后一次鐵時間掌握，其要求是開始降料面時盡量減少出鐵次數，算好鐵口至風口下沿的渣鐵安全賭量，利用渣鐵液面來抬高焦炭料柱，在風口前多燃燒掉一些，待最后一次鐵出得多則料面下得多。
（3）滴落帶以下焦炭中基本上不含渣鐵，正常生產時爐腰中下部就是滴落帶，當煤氣中H2 含量達到10%~12%水平，（料面也降到爐腹中部），此時可停止回收煤氣并休風。待出完最后一次鐵，再出殘鐵后，料面必能風口水面以下。這樣就做到了零放散煤氣。
（4）中修不出殘鐵怎么做到煤氣零排放，此時最關健的也是控制好渣鐵液面和出鐵次數盡量少，H2 達到規定值就可休風，帶壓出最后一次鐵，最后即使風口水平面上稍有點焦炭也極易從風口扒出，焦炭還可重新使用。這樣也做到高爐煤氣的零排放。
參 考 文 獻
[1] 成蘭佰, 高爐煉鐵工藝及計算. 冶金工業出版社, 1991: 504-505.
[2] 湯清華, 王寶海, 張洪宇, 王再義. 高爐煉鐵工藝節能減排新技術[J]. 煉鐵, 2015, 34(4): 1-4.