噴嘴噴霧系統在煉鐵和原料準備中的應用

摘要：本文介紹噴嘴噴霧系統技術及其在煉鐵和原料中高爐煉鐵、燒結、焦化、原料系統的應用。

關鍵詞：FloMax ^®噴槍、高爐煤氣凈化、脫氯、燒結礦冷卻、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

噴嘴噴霧系統通常有冷卻、清洗、噴涂和特殊應用四類，廣泛應用于煉鐵和原料系統中，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、燒結礦冷卻、燒結煙氣凈化（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用情況。

2 噴嘴及噴霧技術

噴嘴是設計用于完成特定功能的精密開孔部件，必須與相關設備配套使用，構成噴霧系統，如圖1所示。

3 高爐煉鐵應用

中國煉鐵產業集中度低，高爐座數多(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，既是煉鐵生產工藝本身的要求，也是保護環境的要求。高爐煤氣凈化技術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。在高爐煤氣系統中，噴嘴噴霧系統主要有高爐爐頂/重力除塵器煤氣冷卻、煤氣柜前煤氣管道內煤氣冷卻和煤氣管道防腐蝕等應用；在各種濕法凈化系統中，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

高爐爐頂的正常溫度在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備；但易引起布袋粘結，有時就被迫放散荒煤氣、或粘結布袋，既浪費、又污染。采用美國專利產品雙流體噴槍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。該系統最好設在爐頂，可以起到保護爐頂機械設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、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發電效率。本技術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。

該系統的主要優點：

1）冷卻速度特別快，理論上，從檢測到溫度超設定值到冷卻到正常范圍不超過5秒。噴槍噴霧顆粒的蒸發時間通常在0.1秒，這樣就可以在保護爐頂設備的同時，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；在系統設計上，還考慮了防堵設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）系統有條件增加升溫功能，完全取代調溫系統，節省投資和減少系統阻力；

6）因為噴霧完全蒸發，爐料不會被打濕，這樣可以節省燃料和熱風，從而提高產量，還可以防止產生冷爐、或打水突然蒸發引起爆炸隱患

7）因為設計合理的噴霧角度和位置，噴霧不會打濕高爐的內壁，不會產生耐火材料因為受潮脫落的現象，延長耐火材料的使用壽命；

8、系統全自動控制，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、換熱器結垢等問題。我們在煤氣管道內成功采用了氮氣霧化噴嘴部分蒸發冷卻技術，取得了顯著的效果，國內某廠的實際比較見表1。我國已經有幾十座高爐成功采用，并且已經出口多套。

表1 高爐凈煤氣不同冷卻方法的技術經濟比較

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、閥等設備存在嚴重威脅：有的廠系統運行時間不長就發生管道被腐蝕漏氣；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）等設備；在管道上結垢，結垢脫落后又堵塞管道和熱風爐格子磚，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，減輕對設備的腐蝕作用。噴水循環使用一定濃度后進行更換。這種方法簡單、可靠，設備投資和運行費用、維修量都高；特別是會抵消干法除塵提高發電和節水的效果。我們設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，實現部分蒸發冷卻，同時起到冷卻和去氯離子作用；還可以利用堿性廢水，實現以廢治廢，降低設備投資和運行費用。

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，具有顯著的經濟、環保效益。

3.4 高爐煤氣濕法除塵節水節能

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、系統阻力高引起能源和運行費用浪費多。采用我們的部分蒸發半干法冷卻技術，輔助進行噴嘴類型、布置和供水系統改進，可以降低30-50%的水量，徹底解決噴嘴堵塞，并減少系統阻力。主要的技術措施是采用上下噴的雙出口噴嘴；采用大孔徑噴嘴；采用現場小循環串聯供水等。

3.5出鐵場除塵

我國1300多座高爐，出鐵場除塵多采用通風除塵系統，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，解決出鐵場除塵問題：有的小高爐干脆直接采用噴霧除塵，而不用通風除塵?；蛘咴诂F除塵能力不足時，輔助采用噴霧技術，主要作用：

1）  一是直接噴霧蒸發冷卻，蒸發冷卻水變為水蒸汽只會增加煙氣量約30%；而煙氣瞬間收縮總體積會顯著減少；而通過混風冷卻，工況煙氣量會增加10倍以上，這樣系統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濕度會低于40%，也會出現清灰困難。

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設計不當，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，從發展方向看，把噴霧與通風除塵選擇使用：噴霧除塵為首選：噴霧能達標的，就通過噴霧除塵，然后通過單獨的直排煙囪排放，此時風機停開、或低速運行；在噴霧不能達標時才通過通風除塵系統，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備壽命。

4 燒結、焦化、原料等應用

4.1斯普瑞的燒結礦噴霧蒸發冷卻系統

采用空氣和微霧來冷卻燒結礦。能大幅度提升環冷機的冷卻效率，從而節約鼓風機的電耗。

創新點在于該系統是與安裝在冷卻機風機房里的風機結合作業。專業設計的高壓霧化噴嘴將微霧混合到空氣中對燒結礦進行蒸發冷卻。因此冷卻不會明顯增加燒結礦的水分含量。

4.2 燒結煙氣除塵

燒結煙氣一般采用電除塵器，但是由于燒結煙氣成分的特殊性，其比電阻和煙氣的含濕量需要在合理的范圍內，才能在電除塵器內獲得高的除塵效率 。這樣燒結煙氣在進入電除塵前需要對其進行調質處理，本技術的關鍵包括：

1）  對燒結煙氣的含濕量進行精確控制，使其在最佳的范圍內，使電除塵器的除塵效率得到保證；

2）  對燒結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 燒結煙氣脫硫、脫硝

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

　　由于鐵礦石的質量不同，燒結煙氣中硫的含量具有很大的一個變化范圍，同時由于燒結工藝本身的特點，燒結煙氣量的變化很大，成分變化也很大，這給燒結煙氣脫硫帶來很大困難。其中，濕法脫硫是應用最廣泛的技術，現在還有一些其他的技術也處于試驗階段，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，可以提高和穩定這些系統的效率和運行費用，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。充分發揮噴霧冷卻、調質、吸收等作用，可以開發出更適合中國國情的燒結煙氣脫硫技術。

4.4 噴霧低水熄焦

焦炭出爐后，必須在幾分鐘時間內將其溫度從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，改造量特別少、投資少，改造過程不影響生產。此項技術已經迅速被大部分仍采用濕熄焦的焦化廠采用。
    此項技術取得的主要效果包括：

1）  降低成本：在沒有亮焦的前提下，焦炭含水量可以穩定在3—4%。據有關鑒定結論：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能和經濟效益。

2）  減少熄火時間：可以減少到約90s，僅為傳統熄焦時間的一半。

3）  環保：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）  節水：熄火放散的水蒸氣明顯減少，相應減少了補充新水量。

5）  噴嘴不堵塞，不像原有系統需要經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/皮帶轉運點的粉塵控制

鋼鐵企業的原料存放場，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，在干燥、風大的季節，散狀料很容易被風刮起引起揚塵，既污染環境，又浪費寶貴的原料。國外的鋼鐵企業、礦山、碼頭比較普遍采用原料場噴霧抑塵系統，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。與防風抑塵墻相比，其主要特點、或優點有：

1）  可以覆蓋整個原料場任何位置都不產生揚塵，沒有死角；

2）  投資節省得很多；

3）  可以利用和處理外排廢水，幫助實現零排放；

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，還可以保持廠區和臨近區域的道路干凈；

5） 整個除塵和揚塵可以采用全自動控制。

來源：泰科鋼鐵