摘  要  針對低壓氮氣脈沖反吹高爐煤氣干法除塵工藝存在的不足，通過對含塵氣體在管道內(nèi)流動原理、布袋清灰機理和粉塵輸送原理的分析研究，并結(jié)合生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，采用箱體過濾負荷“均布”技術(shù)、凈煤氣箱式自反吹清灰技術(shù)、機械式壓力卸輸灰技術(shù)等多項技術(shù)對傳統(tǒng)的低壓氮氣脈沖反吹高爐煤氣干法除塵工藝進行了開創(chuàng)性改進，形成了超潔凈高爐煤氣干法除塵技術(shù)。該技術(shù)具有運行可靠成本低，設(shè)備壽命長，維護費用低，過濾效果好等諸多優(yōu)點，實現(xiàn)了節(jié)能、降耗、環(huán)保的目的，取得了良好的經(jīng)濟效益，可為高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的設(shè)計和改造提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞  高爐煤氣  干法除塵  過濾負荷  反吹清灰  卸輸灰

1   前言

目前低壓氮氣脈沖反吹高爐煤氣干法除塵工藝基本配置為半凈煤氣分配采用等流速變截面管道，清灰系統(tǒng)采用低壓氮氣脈沖反吹清灰技術(shù)，卸輸灰系統(tǒng)采用機械式卸輸灰或氣力卸輸灰技術(shù)。通過對柳鋼和國內(nèi)部分鋼廠使用情況了解后分析發(fā)現(xiàn)，該工藝存在以下不足：

（1）半凈煤氣采用等流速變截面管道進行等流量分配進入各箱體，但實際情況是進入各箱體的半凈煤氣粉塵含量及粒度分配不均，造成箱體負荷不均，過濾效果不均衡，部分箱體濾袋壽命短。

（2）清灰系統(tǒng)采用低壓氮氣脈沖反吹清灰技術(shù)，需配置大量的電磁脈沖閥，其在運行過程中經(jīng)常被含Cl-的冷凝水腐蝕，維護工作量大，除塵箱體作業(yè)率較低。

（3）傳統(tǒng)的機械式卸輸灰工藝卸灰速度慢，效率低，粉塵易外漏；氣力卸輸灰工藝在排灰前期和后期不可避免存在稀相輸送，易造成閥門、管道彎頭等設(shè)備磨損；卸灰球閥易磨損。

通過對現(xiàn)有問題進行理論分析和生產(chǎn)實踐的不斷摸索，在柳鋼已運行多年的高爐煤氣干法除塵凈煤氣箱式自反吹技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了半凈煤氣粉塵量及粒度均配技術(shù)、除塵箱體塵氣室氣流均布技術(shù)、機械式壓力輸灰技術(shù)、長壽偏置自鎖卸灰鐘閥代替卸灰球閥等多項技術(shù)對該技術(shù)進行了系統(tǒng)性優(yōu)化，成功研發(fā)了超潔凈高爐煤氣干法除塵技術(shù)，在實踐中取得了較好的效果。

2   超潔凈高爐煤氣干法除塵技術(shù)研發(fā)

高爐煤氣干法除塵是高爐半凈煤氣通過布袋過濾實現(xiàn)精除塵的必要工序，其效果好壞關(guān)鍵在于三個方面：煤氣過濾、布袋清灰、箱體卸灰。煤氣過濾是基于在箱體負荷均布的前提下才可能滿足最初的設(shè)計要求，而布袋過濾的高效性必須是通過布袋清灰和箱體卸灰兩大主動手段來維護。

2.1   箱體過濾負荷“均布”技術(shù)

布袋除塵機理是含塵氣流流過清潔濾料時，比濾布空隙大的微粒，由于重力作用沉降或因慣性力作用被纖維擋住，比濾布空隙小的微粒在與濾布纖維發(fā)生碰撞后或經(jīng)過時被纖維鉤附在濾布表面，由分子間的布朗運動留在濾布的表面和空隙中，最微小的粒子則可能隨氣流一起經(jīng)濾布后流出。隨著濾布上捕集的粉塵不斷增加，一部分粉塵嵌入到濾料內(nèi)部，一部分附著在表面，在濾布表面形成灰膜，灰膜又成為濾膜。高爐煤氣通過濾料和灰膜達到除塵凈化目的，灰膜起著比濾料更重要的過濾作用。高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)一般由多個除塵箱體組成，為達到較好的除塵效果，需讓每個箱體的濾袋表面形成穩(wěn)定均勻的灰膜，進而必須使進入每個箱體的半凈煤氣量及含塵量和粉塵粒度組成大致相當。

目前，國內(nèi)高爐干法除塵系統(tǒng)半凈煤氣分配一般采用等流速變截面管道，半凈煤氣壓力為0.1～0.3MPa，屬高壓流體，理論上進入各箱體的半凈煤氣流量相差不大。但實際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)部分箱體的布袋容易破損，并呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。通過對各箱體單位時間除塵灰進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)各箱體除塵灰量和粉塵粒度組成均相差較大，這說明進入各箱體的半凈煤氣含塵量和粉塵粒度不均。半凈煤氣管道一般為圓管，煤氣流速在15m/s以上，雷諾數(shù)在106以上，大大超過臨界雷諾數(shù)，處于紊流狀態(tài)，但近管壁區(qū)存在層流支流層。完全淹沒在層流支流層中的細粉塵，粒徑愈小愈容易沉積，但邊界層剪切流對顆粒的懸浮力又可能使顆粒浮升起來，當粉塵沉降率超過70%時，易出現(xiàn)沉積現(xiàn)象。[1]通過在半凈煤氣管道上增設(shè)半凈煤氣粉塵量及粒度均配裝置破壞層流支流層使進入各箱體的含塵量和粉塵粒度組成趨于均勻。

現(xiàn)有高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的半凈煤氣支管一般為直接進入干法除塵箱體的塵氣室，易使進氣口對側(cè)布袋在氣流的作用下產(chǎn)生晃動、激烈的碰撞而造成布袋下部破損。為避免上述不足和使進入除塵箱體內(nèi)的含塵氣體能更均勻分布，在半凈煤氣支管入口處增設(shè)帶交錯布置導流孔的環(huán)形氣流分布器。

通過以上手段實現(xiàn)箱體過濾負荷“均布”的前提下，布袋的過濾負荷達到“均布”，從而才能更好的實施統(tǒng)一的清灰制度。

2.2   凈煤氣箱式自反吹清灰技術(shù)

布袋過濾中，灰膜會逐漸增厚，過濾阻力也會逐漸增大，當增大到一定程度時，需進行清灰處理，去掉大部分灰膜使阻力減小到一定值，再恢復(fù)正常過濾。高爐煤氣袋式除塵中，同一種濾料在不同狀態(tài)下的除塵效率如圖1所示，清潔濾料的捕集效率最低，積塵后最高，清灰后有所降低。袋式除塵器的捕集效率高，主要是靠濾料上形成的粉塵層的作用，濾布則主要起形成和支撐粉塵層的作用，清灰時應(yīng)保留粉塵初層，過度清灰會引起除塵效率顯著下降，并加快濾袋損壞。由此可見，選擇合適的清灰技術(shù)將對除塵效率和濾袋壽命起著決定性作用。

當前國內(nèi)高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)基本采用外濾式布袋除塵，其濾袋清灰反吹方式也多采用氮氣脈沖反吹，氮氣脈沖反吹具有反吹效果好、系統(tǒng)簡單、控制技術(shù)成熟等優(yōu)點，但也存在以下問題。

（1）消耗能源

低壓氮氣脈沖反吹以氮氣作為工作介質(zhì)，故需耗用0.4～0.6MPa的氮氣。

（2）設(shè)計和安裝精度要求高

低壓氮氣脈沖反吹系統(tǒng)對脈沖閥、噴吹管道、噴口的設(shè)計和安裝要求極為嚴苛，稍有不當極易出現(xiàn)噴吹氣流偏離中心的現(xiàn)象，如圖2所示。很多氮氣脈沖反吹清灰系統(tǒng)都會在布袋籠口設(shè)置文氏管引射器來增大清灰強度，但文氏管氣流阻力大，且二次氣流的流量難以有效控制，這對脈沖噴吹清灰并無益處，為防止噴吹氣流偏離中心而損壞布袋籠口，可在布袋籠口安裝一節(jié)150～200mm長的導流直筒管。

（3）設(shè)備多、維護量大

在濾袋不反吹時，熱煤氣會從脈沖閥膜片滲漏進氮氣儲氣罐冷卻析出帶Cl-的冷凝水腐蝕脈沖閥和金屬軟管。干法除塵箱體中每列濾袋需對應(yīng)1個脈沖閥和1根反吹管，1個箱體大概有16～24列濾袋，1個干法除塵系統(tǒng)大約有8～16個箱體，這么多的脈沖閥、電磁閥和其他零部件需要經(jīng)常進行檢查和維護，否則極易出現(xiàn)“一個脈沖閥故障影響到一個箱體，進而影響整個系統(tǒng)”的情況。

針對氮氣脈沖反吹清灰存在的諸多問題，結(jié)合對布袋清灰機理的研究，提出了采用凈煤氣箱式自反吹清灰工藝方案。凈煤氣箱式自反吹清灰工藝屬于離線反吹，首先將需要反吹的箱體從過濾系統(tǒng)中脫離出來，切斷其進、出口密封蝶閥；再將箱體內(nèi)部分壓力煤氣排放至調(diào)壓閥組后的低壓凈煤氣總管內(nèi)，排放后關(guān)閉切斷閥；打開反吹箱體的凈煤氣出口蝶閥讓大量的高壓凈煤氣高速逆噴回箱體，氣流引射至每條布袋，使布袋膨脹振動，起反吹清灰作用；至此箱體反吹完畢，打開該箱體的半凈煤氣進口密封蝶閥，恢復(fù)箱體至正常過濾狀態(tài)。[3]凈煤氣箱式自反吹清灰工藝無煤氣加壓系統(tǒng)，相比目前行業(yè)內(nèi)普遍采用的低壓氮氣脈沖反吹清灰工藝，操作過程無外加能源消耗，無氮氣脈沖清灰系統(tǒng)設(shè)備消耗，原氮氣脈沖反吹清灰故障引伸的所有問題得到有效解決，提高了除塵效果。

凈煤氣箱式自反吹清灰技術(shù)其顯著特點：首先是布袋清灰強度可以有效控制，從而保護過濾灰膜；其次是采用凈煤氣反吹的布袋長度可以大幅增加（采用國產(chǎn)脈沖閥的氮氣脈沖反吹清灰布袋經(jīng)驗極限長度為6m），設(shè)計布袋長度每加1m可節(jié)省投資約15%；再次花格板開孔可為梅花形布置，比現(xiàn)有的矩陣開孔增加布袋量約10%。

2.3   機械式壓力卸輸灰技術(shù)

現(xiàn)有高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)卸輸灰工藝主要采用機械式卸輸灰和氣力卸輸灰兩種工藝。

機械式卸輸灰工藝采用普通埋刮板機鏈條刮板的機械運動進行卸灰，除塵器箱體與埋刮板輸送機間設(shè)有中間灰倉，箱體和中間灰塵中的集灰依靠重力和倉壁振動方式排出，卸灰速度相對較慢，效率較低。進行卸灰操作的箱體處于臨時停用過濾煤氣狀態(tài)，卸灰操作時間長，箱體的過濾生產(chǎn)運行率降低，從而影響到系統(tǒng)箱體布袋負荷增加，各箱體間卸灰操作切換時布袋負荷變化頻繁，影響布袋使用壽命。同時，普通埋刮板機鏈條刮板不能將除塵灰全部刮出，容易積灰，積灰易冷卻板結(jié)，造成刮板機鏈條起拱甚至破壞。卸灰過程中灰流的切斷一般采用卸灰球閥，但卸灰球閥極易被磨損，壽命一般不超過半年。開發(fā)了一種偏置自鎖卸灰鐘閥代替卸灰球閥，取得了較好效果，閥體無損壞，只需在密封膠圈磨損或老化后進行事后維修更換，柳鋼高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)98臺卸灰鐘閥目前有70%還是原裝閥門，最長使用壽命已超過13年。

氣力卸輸灰工藝對除塵灰溫度及輸送氣體的壓力、流速、氣固比要達到嚴格的設(shè)計參數(shù)，且配套檢測及自動化程度要求高，投資成本較高，操作過程需要輔助氣源。實際操作中，由于單個箱體的排灰是個間隔且短暫的過程，在排灰的前期和后期不可避免存在氣固比達不到合理參數(shù)，會造成閥門、管道彎頭等設(shè)備磨損或造成輸灰系統(tǒng)水平管道及彎頭等部位堵塞。

通過對兩種卸輸灰方式的原理和效果進行分析，參照現(xiàn)有高爐煤氣重力除塵器的卸灰方式，提出了機械式壓力卸輸灰工藝。該工藝是一種采用機械動力的同時利用系統(tǒng)煤氣壓力進行卸輸灰，用于壓力卸輸灰的煤氣通過煤氣泄壓管并經(jīng)布袋過濾后回收至調(diào)壓閥組后低壓凈煤氣總管。機械式壓力卸輸灰工藝需配置耐壓埋刮板機或耐壓斗式提升機，無需中間灰倉，其在輸送物料的流速、氣固比的調(diào)節(jié)范圍寬，以箱體集灰量確定卸灰間隔周期大幅延長，卸灰效率高，并解決了設(shè)備磨損或管道堵塞等問題。同時利用帶壓煤氣流對偏置自鎖卸灰鐘閥的密封副及卸灰通道進行自清潔，能有效保證閥門密封效果并延長使用壽命。

3   超潔凈高爐煤氣干法除塵技術(shù)應(yīng)用

高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)的運行受制于上道工序，且要受約于后道工序，后道工序TRT的運行情況也是衡量干法除塵系統(tǒng)優(yōu)劣的一項重要指標，干法除塵系統(tǒng)過濾后凈煤氣含塵量與后道工序TRT葉片運行情況見表1。

目前，超潔凈高爐煤氣干法除塵技術(shù)已成功運用于柳鋼的7座高爐和粵鋼1號高爐，基本配置情況及凈煤氣含塵量見表2。柳鋼7座高爐煤氣干法除塵布袋材質(zhì)選用價格低廉的玻璃纖維針刺氈，壽命可達2～3年，凈煤氣含塵量常年維持在1mg/m3以下，后道工序TRT透平葉片已有超12年無維修成果?；涗?號高爐于2017年5月大修擴容后投產(chǎn)，投產(chǎn)初期因操作不當造成布袋大面積板結(jié)，運行效果不理想，反吹前荒凈煤氣壓差大（△P＞10kPa），反吹頻率高（1～2小時1次）；于8月對其中板結(jié)嚴重的4個箱體進行了布袋更換，運行效果明顯好轉(zhuǎn)，凈煤氣含塵量維持在2mg/m3左右，反吹前荒凈煤氣壓差控制在8kPa以內(nèi)，反吹頻率為4～5小時1次；于2018年3月累計已對8個箱體的布袋進行了更換，現(xiàn)運行效果已非常好，凈煤氣含塵量維持在1mg/m3左右，反吹前荒凈煤氣壓差控制在4kPa以內(nèi)，反吹頻率為6～8小時1次。隨著操作人員對工藝流程逐漸深入的了解，再逐步將開爐時已板結(jié)的布袋進行更換，粵鋼1號高爐干法除塵系統(tǒng)將會達到非常理想的效果。

4   結(jié)論

    超潔凈高爐煤氣干法除塵技術(shù)已在各類高爐上均取得了非常好的效果，新建一次性投資少，凈煤氣含塵量低且穩(wěn)定，系統(tǒng)維護量少，并經(jīng)過了多年的運行檢驗，說明該項技術(shù)是一項成熟、高效、可靠的技術(shù)，值得推廣，同時也為其他高爐煤氣干法除塵系統(tǒng)改造提供了參考。

5   參考文獻

[1]杜雅蘭，姜立升，馬麒，等.粉塵在通風管道內(nèi)沉降規(guī)律的研究[J].鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保，2005,32（6）：275-278.

[2]《化學工程手冊》編輯委員會.化學工程手冊，第20篇，流態(tài)化[M].北京：化學工業(yè)出版社，1987,12.

[3]趙澤文，劉志剛，張洪波.柳鋼高爐凈煤氣反吹清灰工藝改造實踐[J].鞍鋼技術(shù)，2011,1：52-55.