高爐煤氣凈化系統新技術研究與應用
1 問題的提出
濟南鋼鐵集團總公司第二煉鐵廠(簡稱濟鋼第二煉鐵廠)原2座高爐煤氣凈化系統，分別采用串聯文氏管電除塵濕法除塵工藝，煤氣處理能力按120m3高爐，利用系數1.6t/m3d，單爐煤氣發生量按2.2×104m3/h設計。
原煤氣凈化系統除塵效率低且沒有高效精細脫水裝置，造成凈煤氣含水量高達80g/m3,含塵量大于80mg/m3。隨著生產技術水平不斷提高，高爐利用系數已超過3.5t/m3.d，單爐煤氣發生量已達3×104m3/h以上，煤氣凈化綜合質量進一步劣化，凈煤氣含水量大于100g/m3，含塵量為100～150mg/m3。給煤氣用戶帶來的主要危害是：熱風爐格子磚渣化速度快，渣化程度嚴重，壽命低，煤氣理論燃燒溫度低，熱風爐送風溫度低。為提高煤氣凈化綜合質量，提高熱風爐送風溫度，對原煤氣凈化系統進行改造，研制出了新的煤氣凈化系統。
2 新系統的研制
2.1設計原理
高爐荒煤氣經重力除塵器粗除塵后(含塵量在6～8g/m3)，進入文氏管清洗降溫，再進入花環脫水器進行半精細脫水除塵，主要脫去煤氣中直徑大于0.1mm含塵水滴，然后進入絲網脫水器進行精細脫水除塵，脫去煤氣中直徑為0.1mm及小于該尺寸的含塵水滴，確保煤氣含塵量小于15mg/m3，機械水含量小于5g/m3。
2.2設計要求
對煤氣管網進行改造，降低煤氣流速；系統控制自動化；多余煤氣不外排，架設管網供中型軋鋼廠加熱爐使用；煤氣洗滌水循環使用，不外排；系統計量設施完善，準確可靠；系統安全、環保，工業衛生按國家規范要求設計、施工。
2.3工藝技術參數的確定
高爐爐頂煤氣壓力為0.03～0.05MPa；文氏管入口煤氣溫度正常時250～300℃，事故時500℃；煤氣處理量(2.5～4.0)×104m3/h；文氏管入口含塵量6～10g/m3；系統循環水量170m3/h；凈煤氣含塵量當爐頂煤氣壓力大于0.03MPa時，不大于10mg/m3，當爐頂煤氣壓力不大于0.03MPa時，不大于15mg/m3；凈煤氣機械水含量不大于5g/m3。
2.4關鍵技術研究與應用
2.4.1可調喉口文氏管可調喉口的“RD”翻板，由1臺防爆電機驅動，通過角度發生器顯示翻板角度，可在操作室內遙控操作，可調喉口除塵效率高低決定于“RD”翻板調節角度及喉口處噴水量。
當具有一定壓力的荒煤氣由重力除塵器粗除塵后，進入可調喉口清洗、降溫，喉口“RD”翻板截面形狀為橢圓形。根據流體力學計算，翻板角度在30～70°范圍內，開度與過流面積基本為線性關系，此時喉口調節作用最明顯，稱為有效調節區。根據計算，在有效調節區內控制喉口煤氣阻力在16.8～21.0kPa，可使煤氣含塵量小于15mg/m3。在生產中通過取樣分析和對操作數據的統計結果表明，計算值與實際效果吻合。
喉口處噴水量是影響凈化質量的另一個重要因素。根據計算，當喉口水氣比為1.6L/m3時，煤氣除塵達最佳效果。此時喉口處煤氣阻力△P為21.1kPa，煤氣流速V為100m/s。在生產操作中應根據煤氣流量變化，調節喉口噴水量，使煤氣凈化達到最佳效果。生產中的試驗表明，當煤氣發生量在(3.0～3.7)×104m3/h，調節喉口噴水量在50～60m3/h，對煤氣取樣分析，含塵量小于8mg/m3，與理論計算值吻合。
2.4.2花環脫水器花環脫水器是半精細脫水除塵設備，主要脫去煤氣中大于0.1mm的含塵水滴。工作原理是在設備內填充厚1000mm、直徑為100mm的鋁合金花環狀填料層，當煤氣由下至上經過填料層時，將煤氣中大于0.1mm含塵水滴脫除。
主要設計參數為：煤氣處理量(3.5～4.0)×104m3/h；煤氣溫度30～50℃；工作壓力10～50kPa；花環填料層阻力損失小于2kPa。
為防止花環堵塞而造成煤氣阻損增大，設計了反沖裝置：一般每8h沖洗2次，每次沖洗時間10～15mim。花環阻力損失達到2kPa時，連續沖洗2次，每次10～15mim，同樣取得較好效果。
2.4.3絲網脫水器主要設計參數為：處理煤氣量(3.5～4.0)×104m3/h；入口煤氣溫度30～50℃；工作壓力10～20kPa；填料層厚度花環500mm，絲網100mm；填料層阻損小于2kPa。
絲網脫水器的絲網用直徑為0.25～0.27mm的不銹鋼絲，編織成網且制成波形，成型后具有一定通道，水滴碰撞絲網后，在通道形成水流而流出絲網。絲網擺放方式非常嚴格，它決定絲網脫水效率高低。擺放不當，絲網的水滴形不成水流，而被煤氣帶走。在安裝絲網時，尤其要注意。絲網脫水器工作時，煤氣由下經過花環、絲網填料層后，向上流動，進入凈煤氣總管。
為防止絲網堵塞，應定期對絲網進行反沖，一般每8h連續沖洗2次，每次10～15min。當絲網脫水器阻損達到2kPa時，連續沖洗2次，每次10～15min，同樣取得較好效果。
絲網脫水器是精細脫水除塵設備，只能安裝在填料脫水器后使用，必須先把煤氣在清洗中帶出來的大量水分脫掉，絲網脫水器再脫去不大于0.1mm的含塵水滴，脫水效益可達99.9%，但脫去機械水滴的總重量不能超過114g/m3。
2.4.4絲網脫水器能除去最小水滴的計算
脫水效率η可按下式計算：
η＝1－(1－ηT)s(1)
式中ηT——目標靶效率;
s——撞擊次數[1>。
絲網編織成型后厚100mm，用英國32號標準鋼絲織成。100mm厚成型絲網密度為192kg/m3,空隙率97.6%，絲徑0.27mm；1m長絲網的體積為5.72×10-8m3；1m3絲網中的絲長419580.4m，絲網投影面積113m2。
根據以上數據和撞擊理論[1>求出s為11，代入公式(1)中，可得ηT為46.6%。
根據設計參數查圖得知：
D.g/V.f=1.5(2)
式中D——障礙物直徑(絲網絲徑0.27mm)，m；
g——重力加速度,m/s2；
V——氣體流速，m/s,設計參數V不大于4.8m/s；
f——水滴自由落體速度,m/s[1>。
對于厚100mm、絲徑為0.27mm的成型絲網水滴自由降落速度由式(2)得知f為0.0003675m/s。
根據斯托克斯定律：
f=6πηrV(3)
則r為4.0×10-3mm，而D為2r，即D為8.0×10-3mm。
因此絲網脫水器能脫去直徑不小于8.×10-3mm的含塵水滴。
3 使用效果
新系統共用3套設備取代原系統定徑文氏管、彎頭脫水器、可調文氏管、旋風脫水器、電除塵、重力灰泥捕集器6套設備。煤氣凈化能力比過去提高82%，具有投資小、能力大、占地面積小等顯著特點。
在系統中文氏管“RD”翻板角度和洗滌水可根據煤氣發生量自動調節，凈化質量不受煤氣發生量變化的影響，凈化效果時刻處于高效狀態。花環和絲網脫水器是填料脫水器，脫水效率不受煤氣發生量變化影響。煤氣凈化綜合質量高，可滿足各類高爐煤氣用戶需求。
該系統自1999年4月投運至今，生產崗位檢測報告統計表明，凈煤氣最高含塵量小于10mg/m3，含水量小于2.8g/m3。熱風爐送風溫度提高90℃以上，高爐增產節焦效果顯著，且熱風爐格子磚渣化速度顯著下降，可有效延長熱風爐使用壽命，長壽效益顯著。此外,在安全、環保、工業衛生、自動化控制等經濟技術指標達到和超過預期設計要求。
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