喷嘴喷雾系统在炼铁和原料准备中的应用

摘要：本文介绍喷嘴喷雾系统技术及其在炼铁和原料中高炉炼铁、烧结、焦化、原料系统的应用。

关键词：FloMax ^®喷枪、高炉煤气净化、脱氯、烧结矿冷却、喷雾低水熄焦

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

喷嘴喷雾系统通常有冷却、清洗、喷涂和特殊应用四类，广泛应用于炼铁和原料系统中，主要有高炉煤气全干法净化中的炉顶打水、高炉煤气柜前净煤气管道煤气冷却和脱氯离子、烧结矿冷却、烧结烟气净化（除尘、脱硫、脱硝、脱酸、除二恶英/重金属等）、喷雾低水熄焦、原料场粉尘控制等等。本文将综合介绍以上应用情况。

2 喷嘴及喷雾技术

喷嘴是设计用于完成特定功能的精密开孔部件，必须与相关设备配套使用，构成喷雾系统，如图1所示。

3 高炉炼铁应用

中国炼铁产业集中度低，高炉座数多(约有1300多座)，大于1000 m³以上高炉却只有约160多座。高炉炼铁过程产生的大量炉气中含有一定量的一氧化碳气体(CO>20%)，故称高炉煤气。高炉煤气净化后作为能源加以利用，既是炼铁生产工艺本身的要求，也是保护环境的要求。高炉煤气净化技术可分为湿法和干法两大类。目前中小高炉净化多采用布袋除尘器，大高炉也趋向采用干法净化。在高炉煤气系统中，喷嘴喷雾系统主要有高炉炉顶/重力除尘器煤气冷却、煤气柜前煤气管道内煤气冷却和煤气管道防腐蚀等应用；在各种湿法净化系统中，喷嘴也是最重要的核心部件。

3.1 高炉煤气全干法净化中的炉顶打水

高炉炉顶的正常温度在150-250°C。但有时在非正常情况下，炉顶煤气温度会偏高，最高可达700°C，必须快速进行冷却。采用普通的炉吼洒水可以满足保护炉顶设备；但易引起布袋粘结，有时就被迫放散荒煤气、或粘结布袋，既浪费、又污染。采用美国专利产品双流体喷枪FloMax ®型（如图2所示）氮气雾化喷嘴成功解决了这一矛盾，可以实现快速干冷却，打水时高炉煤气无须放散，仍然可以进布袋。该系统最好设在炉顶，可以起到保护炉顶机械设备和布袋的双重功能。也有的高炉布置在重力除尘器中，仅为了保护布袋。采用氮气雾化喷嘴后，可以不必建设、或不再需要切换使用金属管换热器，可以显著减少投资、维修量和TRT发电效率。本技术进一步升级改进的方向是在煤气温度偏低（85°C以下）时，具有快速升温到150°C的功能。如图3所示。

该系统的主要优点：

1）冷却速度特别快，理论上，从检测到温度超设定值到冷却到正常范围不超过5秒。喷枪喷雾颗粒的蒸发时间通常在0.1秒，这样就可以在保护炉顶设备的同时，确保布袋除尘器的安全：既不烧也不粘灰，这是老式打水所不能做到的；

2）与单一的水喷嘴不同，采用氮气雾化喷枪的喷雾颗粒速度可以达到40m/s，喷射长度可达2—10m，可以在高炉顶煤气正压力较高的情况下，实现煤气的均匀冷却；

3）喷嘴的最小孔径超过6mm，且畅通，因此不堵塞，可以用各种水源、甚至外排废水；在系统设计上，还考虑了防堵设计和堵塞自动检测功能；

4）操作压力低，气、水均在低压范围，因此喷嘴耐磨损，可以长期使用；

5）系统有条件增加升温功能，完全取代调温系统，节省投资和减少系统阻力；

6）因为喷雾完全蒸发，炉料不会被打湿，这样可以节省燃料和热风，从而提高产量，还可以防止产生冷炉、或打水突然蒸发引起爆炸隐患

7）因为设计合理的喷雾角度和位置，喷雾不会打湿高炉的内壁，不会产生耐火材料因为受潮脱落的现象，延长耐火材料的使用寿命；

8、系统全自动控制，无须人员操作和维护。

3.2 煤气柜前净煤气管道内的煤气冷却

采用布袋除尘器，出口煤气温度可达200°C，如果需要进入煤气柜就必须冷却到50°C以保护煤气柜的密封材料。常采用饱和冷却塔、或间接水冷换热器冷却，存在冷却水量大、换热器结垢等问题。我们在煤气管道内成功采用了氮气雾化喷嘴部分蒸发冷却技术，取得了显著的效果，国内某厂的实际比较见表1。我国已经有几十座高炉成功采用，并且已经出口多套。

表1 高炉净煤气不同冷却方法的技术经济比较

3.3 净煤气管道喷碱液防腐蚀

高炉冶炼中，由于炉料中氯元素的存在，高炉煤气中也存在氯元素。在干法除尘中，随着煤气温度的降低，煤气中的水份会冷凝出来，氯离子会冷凝为酸水，对净煤气管道、补偿器、阀等设备存在严重威胁：有的厂系统运行时间不长就发生管道被腐蚀漏气；采用防腐蚀管道则造价很高；还腐蚀后步的阀门、不锈钢补偿器、管道泄爆板（铝板）等设备；在管道上结垢，结垢脱落后又堵塞管道和热风炉格子砖，因此必须采取措施去除氯离子。去氯离子常用稀释法，也就是向煤气中大量喷水，利用喷水吸收氯离子，减轻对设备的腐蚀作用。喷水循环使用一定浓度后进行更换。这种方法简单、可靠，设备投资和运行费用、维修量都高；特别是会抵消干法除尘提高发电和节水的效果。我们设计了喷碱液去氯离子的方法，也就是用氮气雾化喷枪喷碱液，实现部分蒸发冷却，同时起到冷却和去氯离子作用；还可以利用碱性废水，实现以废治废，降低设备投资和运行费用。

采用氮气雾化喷枪，合理利用煤气显热，提高煤气热效率，同时解决了二次水污染及污泥的处理问题，具有显著的经济、环保效益。

3.4 高炉煤气湿法除尘节水节能

我国还有部分高炉仍然采用两文、或蒸喷塔湿法除尘，喷水量和水处理量大、系统阻力高引起能源和运行费用浪费多。采用我们的部分蒸发半干法冷却技术，辅助进行喷嘴类型、布置和供水系统改进，可以降低30-50%的水量，彻底解决喷嘴堵塞，并减少系统阻力。主要的技术措施是采用上下喷的双出口喷嘴；采用大孔径喷嘴；采用现场小循环串联供水等。

3.5出铁场除尘

我国1300多座高炉，出铁场除尘多采用通风除尘系统，以采用布袋除尘器为主：虽然排放解决了，但普遍存在能耗、成本高；浪费严重的问题。近几年，我国一些高炉尝试采用喷雾技术，解决出铁场除尘问题：有的小高炉干脆直接采用喷雾除尘，而不用通风除尘。或者在现除尘能力不足时，辅助采用喷雾技术，主要作用：

1）  一是直接喷雾蒸发冷却，蒸发冷却水变为水蒸汽只会增加烟气量约30%；而烟气瞬间收缩总体积会显著减少；而通过混风冷却，工况烟气量会增加10倍以上，这样系统处理的烟气量就会大幅减少，捕捉率提高；

2）  喷雾通常能100%去除10µm以上的粉尘、对1-10µm的粉尘也能去除一大部分，这样就会减少除尘器入口的粉尘浓度，减少除尘器的负荷，降低出口排放浓度；

3）  有利于减少积灰：布袋除尘器入口烟气的最佳湿度为40-70%，湿度大了当烟气温度降低时就灰积灰；湿度低于40%、比如在东北、华北和西部秋冬季节湿度会低于40%，也会出现清灰困难。

4）  对于电除尘器使用时间一长，极板、极线一旦积灰，除尘效率就会显著降低。通过人工清理不仅危险、人员很辛苦，更主要的很难清洗干净。采用检修期自动喷水清洗装置，可以保证极板、极线清洁，确保高除尘效率。

实践表明：出铁场除尘喷嘴或系统设计不当，喷雾会没有除尘效果、或除尘效率很低；做得好可以达到很好的效果，并且平台不会有积水。实际上，从发展方向看，把喷雾与通风除尘选择使用：喷雾除尘为首选：喷雾能达标的，就通过喷雾除尘，然后通过单独的直排烟囱排放，此时风机停开、或低速运行；在喷雾不能达标时才通过通风除尘系统，对于1µm以下的粉尘喷雾除尘效率低，这样能减少能源消耗和提高设备寿命。

4 烧结、焦化、原料等应用

4.1斯普瑞的烧结矿喷雾蒸发冷却系统

采用空气和微雾来冷却烧结矿。能大幅度提升环冷机的冷却效率，从而节约鼓风机的电耗。

创新点在于该系统是与安装在冷却机风机房里的风机结合作业。专业设计的高压雾化喷嘴将微雾混合到空气中对烧结矿进行蒸发冷却。因此冷却不会明显增加烧结矿的水分含量。

4.2 烧结烟气除尘

烧结烟气一般采用电除尘器，但是由于烧结烟气成分的特殊性，其比电阻和烟气的含湿量需要在合理的范围内，才能在电除尘器内获得高的除尘效率 。这样烧结烟气在进入电除尘前需要对其进行调质处理，本技术的关键包括：

1）  对烧结烟气的含湿量进行精确控制，使其在最佳的范围内，使电除尘器的除尘效率得到保证；

2）  对烧结烟气的温度进行控制，保证电除尘正常工作；

3）  粗出尘的作用，降低电除尘的负荷。

4.3 烧结烟气脱硫、脱硝

烧结烟气脱硫、脱硝在中国才处于刚刚起步的阶段，照搬各种在电力行业的应用成熟技术，在烧结烟气中都还存在各种问题；

　　由于铁矿石的质量不同，烧结烟气中硫的含量具有很大的一个变化范围，同时由于烧结工艺本身的特点，烧结烟气量的变化很大，成分变化也很大，这给烧结烟气脱硫带来很大困难。其中，湿法脱硫是应用最广泛的技术，现在还有一些其他的技术也处于试验阶段，但都还存在一定的问题，比如半干法脱硫、干法脱硫。采用先进的喷雾技术，可以提高和稳定这些系统的效率和运行费用，并可以利用外排废水替代石灰等脱硫剂，从而大幅度降低一次投资和运行费用。充分发挥喷雾冷却、调质、吸收等作用，可以开发出更适合中国国情的烧结烟气脱硫技术。

4.4 喷雾低水熄焦

焦炭出炉后，必须在几分钟时间内将其温度从1400·C迅速冷却到常温。采用低压、大流量喷嘴进行窒息式低水熄焦，替代落后的原管子上开孔喷淋湿熄焦系统，改造量特别少、投资少，改造过程不影响生产。此项技术已经迅速被大部分仍采用湿熄焦的焦化厂采用。
    此项技术取得的主要效果包括：

1）  降低成本：在没有亮焦的前提下，焦炭含水量可以稳定在3—4%。据有关鉴定结论：焦炭含水量每降低1%，炼铁焦比可降低约2%，吨铁成本可将低约6元，减少入炉焦炭含水量具有显著的节能和经济效益。

2）  减少熄火时间：可以减少到约90s，仅为传统熄焦时间的一半。

3）  环保：由于喷水均匀、有利且将焦车全覆盖，因此蒸汽中所加带的焦粉显著减少，既减少了资源浪费，有控制了粉尘污染。

4）  节水：熄火放散的水蒸气明显减少，相应减少了补充新水量。

5）  喷嘴不堵塞，不像原有系统需要经常堵塞或管子端头不封闭来排出焦炭颗粒。

6）  由于没有焦车底部进水引起的高温焦炭剧烈搅动，焦炭机械损坏少，也没有焦炭蹦出焦车问题。

4.5 原料厂/皮带转运点的粉尘控制

钢铁企业的原料存放场，还有港口、码头等散状原料场，要存放原煤、铁精矿、石灰粉等原料，同时有火车、汽车卸车和皮带取料等作业，在干燥、风大的季节，散状料很容易被风刮起引起扬尘，既污染环境，又浪费宝贵的原料。国外的钢铁企业、矿山、码头比较普遍采用原料场喷雾抑尘系统，也就是在原料场四周、或顶部布置多个大喷嘴，通过喷嘴喷水、人工造雨的方式来抑治原料场的扬尘，如图5所示。与防风抑尘墙相比，其主要特点、或优点有：

1）  可以覆盖整个原料场任何位置都不产生扬尘，没有死角；

2）  投资节省得很多；

3）  可以利用和处理外排废水，帮助实现零排放；

4）  可以同时对火车、汽车卸车、皮带取料、汽车轮胎/底盘进行除尘和自动清洗，从而不仅控制扬尘，还可以保持厂区和临近区域的道路干净；

5） 整个除尘和扬尘可以采用全自动控制。

来源：泰科钢铁