基礎氧氣爐氣體回收和清潔系統

在堿性氧氣爐（BOF）的煉鋼過程中，氧氣（O2）被吹入混合料中，由于在轉爐容器中發生的化學反應，大量的高溫和富含一氧化碳（CO）的氣體從轉爐口出來。在這個階段，氣體是非常熱的（溫度為950攝氏度或更高），并帶有灰塵。這種氣體被稱為LD氣體、BOF氣體或轉爐氣體。就熱值和沃貝指數而言，轉爐煤氣通常被歸類為貧氣，但就其燃燒特性（尤其是燃燒溫度）而言，則屬于富氣范疇。

在早期的轉爐煉鋼過程中，從煙囪冒出的褐色煙霧表明轉爐正在工作。如今，由于轉爐煤氣回收和清潔系統的存在，轉爐的運行只能從火炬煙囪中檢測出來。

轉爐氣體的成分隨使用的工藝、回收方法，特別是O2量的變化而變化。氣體的成分從轉爐吹熱的開始到結束都有變化，是吹熱時間的一個函數。轉爐氣體的主要成分是CO、CO2（二氧化碳）、O2和N2（氮氣）。按體積計算，轉爐氣體的典型成分是CO - 55%至60%，CO2 - 12%至18%，O2 - 0.1%至0.3%，其余為N2。

第一批轉爐于1952年11月（林茨的VOEST）和1953年5月（Donawitz的OAMG）投入運行。在LD轉爐工藝的早期，頂部氣體在轉爐口通過開放的罩子完全燃燒，然后在煙囪中用水間接冷卻或通過蒸發冷卻系統冷卻。 當時，每噸粗鋼產生約300公斤的蒸汽和250立方米（Cum）的煙道氣。

在20世紀50年代工業化實施轉爐工藝時，環境問題是一個嚴重的挑戰。轉爐廢氣中粉塵的細度迫使該工藝的供應商開發新的除塵系統。1克（g）轉爐粉塵的可見表面積在300平方米（sqm）到500平方米之間。為了通常避免 "棕色煙霧 "的光學效應，粉塵要從系統中清除到低于100毫克/立方米的水平。為此，濕式和干式除塵系統都被使用。隨著環境問題的增加，這一挑戰越來越成為轉爐工藝的一個機會。這個機會有助于開發抑制燃燒的轉爐煤氣回收系統。 今天，經濟和環境要求轉爐煤氣和含鐵粉塵中的能量被收集并有效回收。

一般來說，有兩個系統可以用來處理頂部的轉爐煤氣并從轉爐煤氣中回收能量。這些系統是：（i）部分/完全燃燒，（ii）壓制燃燒。

在完全（或開放）燃燒系統中（目前已不再使用），來自轉爐容器的工藝氣體在煙氣管道中燃燒。轉爐容器和一次（或轉爐氣體）通風之間的開口允許環境空氣進入，因此允許轉爐氣體部分或全部燃燒。在這種情況下，每噸液態鋼（tLS）的工藝氣體含有約15公斤至20公斤的粉塵，以及約7公斤的CO氣體/tLS。通過在余熱鍋爐中使用顯熱來回收能量。當BOF氣體在煙道中燃燒時，煙氣會被排放出來，并需要滿足當地的排放標準。在開放式燃燒系統中，由于空氣被引入到BOF氣體管道中，有一個很大的流量（大約1000N cum/tLS到2000N cum/tLS）。

隨著轉爐體積的增加，廢氣處理設備也變得更大。大型轉爐采用非燃燒型系統有幾個原因，如系統整體尺寸相對較小，易于維護，除塵效率穩定。在60年代早期，開發了回收轉爐高熱值頂部氣體的工藝，以便在工廠內作為氣體燃料使用。這是通過壓制燃燒實現的。

抑制燃燒系統提供了熱量和燃料回收的最佳機會。在吹氧過程中，在BOF口上降下一個裙邊，以減少空氣滲入并抑制CO氣體在煙道中的燃燒。由此產生的富含CO的氣體被收集、清潔并儲存起來，隨后作為鋼鐵廠的燃料氣體使用。 一個產生高壓蒸汽的余熱鍋爐，可以在氣體被清潔和儲存之前回收其顯熱。這可以回收總能量輸出的10%到30%（0.1GJ/tLS-0.3GJ/tLS）。另外50％至70％是作為化學能（CO）從BOF氣體中回收。當應用轉爐氣體回收的抑制燃燒和余熱鍋爐時，總的能量回收率可高達70％至90％。在無泄漏系統的情況下，能源節約可以達到0.35GJ/tLS到1.08GJ/tLS。隨著能源節約達到0.92GJ/t鋼，二氧化碳排放量減少了46公斤/t鋼。能源回收使使用化石燃料和電力產生的二氧化碳降低了約0.05噸二氧化碳/噸鋼。由于轉爐氣體的CV和CO含量較低，在吹煉開始和結束時通常不會被收集，而是被燃燒。因此，二氧化碳不可避免地會被排放出來。與開放式燃燒系統相比，抑制式燃燒的一個優點是氣體流量較小，因為沒有發生燃燒，也沒有引入額外的空氣。因此，冷卻和氣體凈化系統也更小。這也導致了更高的生產率，因為可以提高O2的吹氣速度，并降低風機的能耗。安裝一個專家系統來優化轉爐煤氣的收集，可以節省大約30兆焦耳/tCS（噸粗鋼）。

安裝在轉爐口上方的工藝設備具有冷卻、清理的功能，并在抑制燃燒的幫助下回收轉爐煤氣。通過對轉爐煤氣的壓制燃燒，每噸粗鋼可回收70至100公斤轉爐煤氣，其熱值從1600千卡/年至2000千卡/年不等。除了80公斤/噸的粗鋼，如果蒸發冷卻系統適用于頂層氣體的話，還可以制造蒸汽?；厥盏霓D爐煤氣與其他副產品煤氣（焦爐煤氣和高爐煤氣）混合，作為燃料在鋼鐵廠使用。蒸汽主要由二次煉鋼的真空脫氣裝置使用。

由于煉鋼的時間很短，每次加熱約35分鐘，所以粉塵濃度非常高。在具有氣體回收功能的非燃燒型轉爐中，在第一個除塵裝置的入口處，粉塵濃度為70克/年積至80克/年積。非燃燒型轉化器在不燃燒CO氣體的情況下，對喉部的進氣量進行管理，并將濃度控制在爆炸極限以下，從而將CO氣體作為燃料進行回收。廢氣處理包括一個廢氣冷卻系統和一個清潔系統。

當轉爐氣體被回收作為燃料使用時，該氣體必須滿足一定的要求?，F在，在大多數轉爐車間，轉爐煤氣是通過引入壓制燃燒系統作為燃料進行回收的。由于壓制燃燒系統，產生的轉爐煤氣的體積約為50N cum/tLS至100N cum/tLS。這導致初級除塵設施的尺寸有很大差異。抑制燃燒法的特點是廢氣流速降低，導致原氣質量濃度提高，因此，對于相同的清潔氣體粉塵負荷，粉塵回收系統的效率要提高。因此，從粉塵回收的角度來看，抑制燃燒原理允許使用設計為較小體積流速的除塵系統，這對實現更高的粉塵回收率是必要的。初級除塵通常由文丘里式洗滌器（約占BOF車間的60%）或干式和濕式ESP（靜電除塵器）進行。在文丘里或靜電除塵器之前，粗顆粒物通常通過導流板等方式進行移動。煉油廠的氣體回收系統示意圖見圖1。

圖1 基本氧氣爐的氣體回收系統示意圖

抑制燃燒系統大體上可以分為兩種類型，即（i）OG型和（ii）IC（IRSID-CAFL）型。OG型系統基本上在喉部和爐罩裙邊之間沒有空間，并在封閉的喉部控制壓力。IC型系統在喉部和罩裙之間有幾百毫米的間隙（罩裙的直徑比喉部的直徑稍大），并在喉部開口處控制壓力。非燃燒型系統使氣體溫度保持在較低水平，并將燃燒空氣關閉。因此，安裝在該系統中的冷卻裝置和除塵裝置比安裝在燃燒型系統中的要小。由于該系統處理的氣體主要由一氧化碳組成，因此需要注意流量和冷卻劑輸入孔和噴槍孔的密封，以及設備外圍的泄漏控制，并在氣體保留部分進行清洗。

OG型系統由于其操作穩定性而被經常使用。OG型冷卻系統不僅可以將廢氣的顯熱回收為蒸汽，還可以通過使用冷卻裝置降低廢氣的溫度來提高IDF（引風機）的效率。OG系統的設計通常是為了回收頂部轉爐氣體的潛熱和顯熱的高比例。圖2顯示了用于轉爐煤氣回收的OG抑制燃燒系統的圖像簡圖。

圖2 OG壓制燃燒系統的示意圖

過程

在轉爐吹煉鋼水的過程中，大氣中的空氣在轉爐口與氣體混合。在轉爐口進入系統的大氣量由罩子的壓力和活動裙邊控制。在吹煉期間，初始階段是富氧階段。在這個階段，空氣比例（lambda）為1。在這個富氧階段，一次氣體被完全燃燒，在此期間沒有氣體回收發生。在此之后，富含CO的氣體階段開始，λ小于1。在這個階段，只有部分氧化發生，并形成含有CO、CO2和N2氣體的可燃廢氣。在這之后，主要的脫碳階段發生了，大約是在吹氣期的中間部分。在這個階段，空氣比例（λ）保持在最小值，大約為0.1。在這個階段，最大的氣體被回收。在吹掃結束時，lambda值再次保持在1，產生的氣體被完全燃燒，沒有氣體回收。

抑制燃燒系統的轉換器氣體回收的優點是系統結構比完全燃燒的系統結構要緊湊得多，因此它可以根據現場要求更靈活地進行調整。在這個過程中，罩子里的氣體壓力被控制，以防止氣體從轉爐口噴出，并控制空氣比例（λ）。系統控制很重要，因為它要處理爆炸性廢氣（主要是CO氣體）。該系統需要以安全的方式運行。該系統需要有較高的能量性能，并需要回收廢氣的潛熱和顯熱。

從轉爐出來的富含CO的氣體首先在轉爐罩內通過冷卻水或蒸發冷卻系統（ECS）間接冷卻，使其標稱溫度從1600到1700攝氏度降到900攝氏度左右。將轉爐氣體冷卻到900攝氏度是必要的，以避免在濕法清洗時形成水氣（CO + H2）。眾所周知，水氣是高度爆炸性的。

該系統需要有較高的集塵性能?；厥盏臍怏w可通過濕式或干式氣體凈化設備進行凈化。目前世界上90%以上的除塵系統都是在濕式氣體凈化工藝的基礎上運行的。這些系統有能力滿足小于50mg/N的粉塵要求。在濕式系統中，回收的轉爐氣體在文丘里洗滌器中被清潔，然后在除霧器中進行處理。凈化后的氣體在靜電除塵器中進一步凈化后被儲存在氣體支架中，以穩定地供應給氣體分配系統，或者在燃燒后由IDF風機通過火炬堆排出。濕法清潔過程中產生的漿液被輸送到濃縮器，通過浸漬密封罐、洗滌器和碗狀耙式分級機進行濕法處理。加入化學品以進行凝結和更好的分離。濃縮器的溢流在冷卻后被再循環，污泥在真空過濾器或壓濾機中進一步處理，用于燒結廠。

帶有靜電除塵器的干式氣體凈化廠可以實現粉塵含量低于15mg/N Cum。在干式凈化中，轉爐氣體在余熱鍋爐中冷卻后的粗粉塵在蒸發室中被分離出來，然后用靜電除塵器去除細粉塵。干式和濕式氣體凈化廠的比較見表1。干式氣體凈化廠具有良好的前景，因為它們的能耗較低，有效性較高，轉爐氣體的質量較好，而且粉塵的回收方式經濟。