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转炉干法除尘系统自主集成与创新技术


编者按:国内某钢铁企业通过两年多的自主开发,设计、开发了具有自主知识产权的国产化干法除尘系统泄爆防控集成技术,并在150吨转炉项目上成功应用,填补了我国在转炉煤气干法净化回收领域缺乏自主核心技术的空白,打破核心技术设备依赖国外进口的局面,大大降低了转炉煤气干法净化回收系统的工程造价和运行成本,有力推动了国内转炉干法除尘技术的快速推广。因此本文对该转炉干法除尘系统泄爆防控集成技术以及干法除尘系统相关自主集成与创新的技术进行介绍。

  

  1技术研发背景

  20世纪80年代,转炉干法除尘技术开始在德国、奥地利、韩国、澳大利亚、法国、卢森堡等国得到应用,此后美、英、日也开始采用。1994年,上海宝钢4、5号250t转炉第一次全套引进国外干法除尘系统,并于1998年4月4日顺利投入运行。此后,国内钢厂采用转炉干法除尘工艺的步伐有所加快。

  干法除尘系统很好地克服了湿法除尘系统的许多缺点。但干法除尘技术存在系统复杂、技术难度大、引进技术和进口设备的昂贵费用造成一次投资过高等缺点,更重要的是,干法除尘技术在实际应用中的泄爆问题对转炉炼钢生产的安全和连续稳定运行造成非常严重的影响,严重制约了其推广应用。致使我国在很长时间内100吨以上转炉干法除尘系统国产化技术应用都处于空白时期。

  2 自主研发转炉干法除尘系统泄爆防控集成技术

  电除尘器泄爆问题是干法除尘技术一大难题。以往由于引进干法除尘技术项目应用时经常发生泄爆,造成了较大的设备及安全生产损失,特别是影响生产的稳定和连续性,所以干法除尘技术的发展和应用受到了一定限制。因此,本研究针对国内钢厂的实际生产状况,进行了大量的生产应用分析及转炉各阶段泄爆机理研究,取得了大量具有自主知识产权的泄爆控制工艺,开发了具有自主知识产权的泄爆控制工艺技术、包括优化除尘管道设计、炼钢工艺七步操作法、冶炼前期的供氧数学模型、中期双联防泄爆模块等创新技术,有效地控制氧气流量、氧枪操作,达到控制烟气指标的目的,杜绝了泄爆的发生。

  1)冶炼过程中泄爆机理研究

  研究发现,当烟气中CO含量大于9%、同时O2含量大于6%时,在外界条件作用下极易发生爆炸,将9%CO+6%O2作为爆炸极限控制点。要防止生产过程中发生爆炸,即应采取措施设法避免在烟道、静电除尘器等相关设备中出现爆炸极限控制点,同时采取技术措施防止系统中火花的发生,即在内部条件和外部条件两方面同时采取防控措施防止爆炸的产生。

  2)零泄爆操作法

  该技术开发了冶炼初期供氧数学模型和双渣法炼钢供氧数学模型两套供氧模型,用于不同炼钢工艺的供氧操作。冶炼初期供氧模型用于冶炼开始阶段,双渣供氧数学模型用于需要进行双渣冶炼的钢种时二次下枪阶段,两模型根据不同时期冶炼特点,建立供氧量——时间函数关系,控制氧气供应量,从而限制碳——氧反应速度,控制CO生成速度,防止出现爆燃极限的混合烟气,从根本上解决泄爆问题。同时供氧模型与转炉控制程序结合,由转炉系统控制,减少了通讯的负担,避免了因除尘系统与转炉系统通讯中断而造成的停产事故。为了安全,把转炉吹氧量和枪位等参数传到一次除尘,实现共同监控。

  通过研究除尘器爆炸原理与转炉生产工艺特点,创造了零泄爆转炉操作法,即七步操作方法,控制烟气中氧气含量和CO含量,防止出现爆炸极限,防止泄爆事故发生。

  3)开发自动稀释氮气系统

  为了避免冶炼开始时管道内、电除尘器内有残余CO与开始冶炼时的富氧发生爆炸,在蒸发冷却器出口增加氮气自动稀释装置。采用PLC自动控制,在开始冶炼的前40秒,向除尘系统喷吹氮气,稀释残余CO,以减缓CO浓度上升速度,有效地避免了除尘系统爆炸。

  4)气流稳定技术开发

  为了改善烟气气流状态,合理利用CO2与N2的柱塞气流理论,分离CO与O2,降低爆炸机率,对荒煤气管路由进行了优化,减少了弯道数量,并延长了进静电除尘器的直线段,从而减少了烟气层流干扰,稳定了气流分布,降低了混合烟气达到爆炸极限的可能性,减少了泄爆发生的可能。

  5)电场防控泄爆程序开发

  为避免转炉吹炼初期时,静电除尘器内出现的易燃气体在闪络作用下燃烧(如果爆燃的混合气体量大时就发生爆炸)。当耦合继电器未得电时,则一次电流被限制一定的范围内,以获得最小的电晕放电,尽量避免闪络发生。若限流后仍产生闪络,每次闪络后就有一回落,此后电流限值不会上升。所以我们设定在吹氧前期2min内除尘器电源工作在设定值的70%,使这个阶段闪络次数几乎为零,大幅度降低了爆燃的机率,并且不影响除尘效果。

   3 蒸发冷却器设计优化

  蒸发冷却器的冷却效果和积灰问题是干法除尘系统运行中的两大技术难题。蒸发冷却器内部喷嘴形式、喷嘴布置方式、喷水量等直接影响其冷却效果,进而影响其后续除尘效果;而积灰则会造成冷却器内部空间变小,且呈现不规则状态,容易形成气流涡旋,影响转炉烟气流动的均匀性和流畅性,造成冷却效果和除尘效果下降。

  1)自主研发雾化喷头装置和蒸发冷却器温度控制程序,确保蒸发冷却器冷却效果

  利用模型研究实际运行条件下喷水温度、喷水量、水质、蒸汽出口温度等参数变化对冷却器内烟尘颗粒的流场、温度场和浓度场的影响,分析水喷射速度、角度、方式以及喷嘴形式对冷却器内热质交换效果的影响规律;结合汽化冷却烟道流场分析模型,优化蒸发冷却器设计,完善喷射方式与喷枪布置。

  该技术开发了气液双相雾化喷嘴。该喷嘴能产生均匀实锥形的喷雾效果,喷雾角度25—30度,喷雾粒径非常细小,在液体压力0.30Mpa时,平均颗粒直径185um左右。喷枪采用向心布置,枪内气液互不干涉,强化了烟气冷却效果。

  为防止转炉蒸汽不稳定影响生产,在EC喷枪气源设计上采用了氮气、蒸汽双回路的设计,优化了介质参数,保证了雾化效果稳定。

  2)利用计算机仿真模型优化设计,解决积灰结垢

  根据计算机仿真模型的研究与实验,结合国内其他厂经验及理论分析,蒸发冷却器出口温度不低于250℃时(最好在300℃左右),喷水负荷较小,粗灰所含水份容易快速蒸发,保持粗灰干燥,有利于消除蒸发冷却器入口及香蕉弯处除尘灰结垢现象,有利于蒸发冷却器本体、粗灰刮灰机、输灰链等设备的正常运行。系统投入运行两年来未发生积灰结垢现象,实现了干法除尘系统高效稳定运行。

  根据上述要求,采用自然冷却制度,为保证烟气从蒸发冷却器到达电除尘器入口时温度保持在120-180℃,则荒煤气管道应在500米左右。

  4 静电除尘器优化设计

  静电除尘器是通过对降温后的烟气配加高强电场,使其中的灰尘颗粒在静电吸附作用下被收集,使烟气净化的主要设备。采用数值分析、实验室实验及工业测试等手段,建立电除尘过程的机理模型,对烟气的飞灰形态、粒径分布、扩散和迁徙规律、含水量、粘壁状态等进行全面深入研究,掌握以上因素对除尘效果的影响规律;研究除尘器结构、收尘极板形式、放电极线形式、极间距以及布置方式对除尘效果的影响规律;分析实际运行条件下,烟气成分、温度、速度分布、粒径分布、含水量等参数变化对除尘效果的影响。充分评价不同极线极板配置形式的除尘性能与除尘器规格的相互关系,综合造价因素,确定除尘器的规格和结构形式,实现在满足除尘要求的前提下资金投入最合理。最终选定了一个特殊的规格并进行了优化设计。

  5 开发转炉干法除尘自测试系统

  干法除尘系统自动化程度比较高,在生产过程中人为操作比较少。为了检验系统在长时间停产或检修后,运行是否稳定或正常,开发出一套检测系统。该系统在设备正式运行前通过模拟干法除尘系统运行进行系统自测试,能够有效地验证和检查干法除尘系统的状态,及时发现系统存在的问题,提高设备运行的预警性,保证设备的正常运行。

  6 煤气回收系统优化

  煤气回收系统是干法除尘系统的最后环节,也是煤气回收利用的主要环节。高效、安全地回收洁净煤气是这一环节的主要任务,也是煤气回收系统的主要任务。

  1)炉口微差压自动调节技术研发

  针对转炉煤气干法净化工艺特点和控制要求,利用汽化烟道计算机仿真模型,分析活动烟罩和炉口出烟气的压力分布规律以及烟道内外压力差,开发了炉口微差压检测与控制技术,通过确定炉口微差压的取压方式、取压位置以及微差压控制范围,减少烟气的二次燃烧,提高煤气回收量。

  2)煤气冷却器供排水控制系统优化

  煤气冷却器以喷淋水冷却煤气,传统干法除尘系统中采用连续恒定的方式给煤气冷却供水,而在正常生产中,只有1/5-1/4的时间需要供水,并且水量因煤气量和温度、环境温度等因素而不同。因此,该技术采取了可变水量控制方式,将喷淋水量按煤气的实际降温需求调节。将煤气冷却器循环水泵站连接到环网中,并增加了该泵站PLC与除尘系统PLC的通讯,使供水泵实现了根据转炉阶段信号、烟气温度自动调速的功能,节约了大量电能和水资源。

  该技术开发了一种煤气冷却器排水设备,包括煤气冷却器本体、煤气冷却器底部排污泄水管路、水封箱、隔断阀门、水封装置等,可实现运行排水和检修泄水管道的两级安全隔绝装置功能。本创新技术可有效杜绝煤冷器内部冷却水排出时卷带煤气,并在运行和检修时有效隔绝系统内外部,提高了排水系统的安全系数。

  3)煤气系统安全性优化

  在回收杯阀的出入口使用了压差控制,对风机进行预调速,提前达到必要的压力,使煤气能够顺利进柜。即回收杯阀入口侧压力必须大于出口侧压力。同时增加安全连锁条件:回收期间烟气流量低于低限值紧急放散,低于超低限值则紧急提枪。避免了煤气倒灌,也减少了风机喘振。

  放散杯阀液压系统动作由伺服阀来控制,实际生产中经常出现堵塞故障,导致不能正常回收煤气。为此,增加一套换向阀控制系统,保证了伺服阀故障状态下煤气回收的正常进行。

  放散杯阀溜车导致启动紧急放散,造成煤气不能正常回收。采用闭环控制取代原来的开环控制,增加一个PID调节系统,避免了此类事故。

  放散烟囱设计事故状态氮气自动引射系统,事故状态下,自动开启引射装置,使整个干法除尘系统内残存的烟气及时排出,保证了系统的安全。

  煤气切换系统配有事故驱动,断电状态下,实现放散杯阀快速打开,回收杯阀关闭。
 


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