转炉煤气HLG干法净化与回收系统用煤气冷却器的工艺优化研究
武常芳 薛琨 车双平 王艳婷 吴佳
摘 要：转炉煤气HLG干法净化与回收系统用煤气冷却器为正压冷却设备，对干法除尘和煤气柜的中间连接起到至关重要的作用。本文阐述了煤气冷却器的工作原理和运行期主要影响因素，并提出实际运行中的工艺优化改进措施。
关键词：转炉煤气HLG净化与回收系统;煤气冷却器;工艺优化
1 绪论
钢铁行业是仅次于火电厂的第二大气体污染物排放产业。2019年4月28日，生态环境部、国家发展改革委等5部委联合印发《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，正式拉开了钢铁行业超低排放改造的序幕。
目前，我国钢铁行业正在推广的转炉煤气HLG干法净化与回收系统是一项能够实现节水、节电和资源最大限度回收利用的集成技术[1]。煤气冷却器作为系统的最后一道关键工序，起到煤气再降温和进一步精除尘的作用，可满足煤气柜的净煤气要求或煤气放散的超低排放浓度要求（≤10mg/m3），其运行状态直接影響到整个系统的运行效果。
2 煤气冷却器概述
2.1 工作原理
煤气冷却器通常布置于静电除尘器之后、切换站之前，主要通过喷淋系统喷出的雾滴与热煤气进行热量传递，实现煤气降温和进一步除尘[2]。此时经圆筒形静电除尘器的煤气温度由150～200℃降到70～80℃后，通过切换站的液压杯阀切换进入煤气柜或者从烟囱放散。
煤气冷却器为竖直放置的圆筒形结构，其不同高度设置有数个向下喷淋雾滴的喷嘴，煤气从下向上流动，并与小雾滴充分接触，在降温、体积减小后被送入煤气柜。煤气冷却器底部的锥段设置有回水箱和回水管路，当水面达到设计高度时将通过回水管路送至热水池，经上塔泵进入浅层砂过滤器处理。处理后的水经玻璃钢冷却塔冷却后落入冷水池，由供水泵输送至煤气冷却器的喷淋环管，进入下一轮循环。
此外，煤气冷却过程中的小雾滴可以捕捉到煤气中的颗粒物，使电除尘器出口煤气的粉尘含量由15mg/Nm3降至10mg/Nm3以下。
2.2 运行过程中的主要影响因素
影响煤气冷却器运行效率的因素有很多，如气流分布均匀程度、煤气流速、喷嘴类型及布置密度、喷嘴孔径及喷嘴前喷淋环管水压、煤气与雾滴的接触时间、煤气与雾滴的相对运动方向等[3]。喷水量的控制是煤气冷却器降温和除尘效果的关键，其大小通常用水气比来表示。实践证明，在一定的范围内增加喷水量能提高热湿交换率，可根据不同的煤气处理工况，结合理论计算和工程实践确定最佳水气比。
3 工艺优化改进措施
3.1 转炉煤气干法净化与回收工艺的优化改进
现有的转炉煤气干法净化与回收系统中，煤气冷却器通常设置在切换站之后，只有当煤气符合回收条件时才流经煤气冷却器进行降温和除尘，之后进入煤气柜;而不符合回收条件的煤气则直接通过烟囱放散，此时放散煤气没有经过进一步除尘，粉尘排放浓度很难稳定控制在10mg/Nm3以下。
我公司经过研究讨论和优化改进，所研发的转炉煤气HLG干法净化与回收系统将煤气冷却器在整个工艺系统中的位置前移到切换站三通阀组之前，此时无论煤气进行回收还是放散，都可通过煤气冷却器进行相应的处理，并保证回收或放散煤气的含尘浓度低于10mg/Nm3，达到超低排放要求。
该工艺优化改进的重点在于：
（1）煤气冷却器入口管道结构的设计，应该充分考虑煤气进入筒体后的气流均布性。我公司通过CFD模拟实验，确定了合适的管道入口角度和深度，以保证煤气在冷却器内分布均匀;
（2）煤气冷却器的位置前移后，喷枪、喷嘴的选型以及喷水量的控制都非常重要，应保证雾滴与煤气的充分接触;
（3）应注重煤气冷却器出口段除雾装置的选型，其工作效率直接影响着后续煤气的热值及煤气回收的价值。
3.2 喷淋装置的优化改进
现有煤气冷却器的喷淋系统由供水管、环管、喷枪、喷嘴等构成。喷枪一般分两层布置，每层的喷枪数都为双数，通常为上6下8，喷嘴竖直向下喷水，两层之间喷枪的校对需要错开，防止两层之间喷射水流相互干涉。两层喷枪的结构相同，但所配喷嘴不同。上层环管配备螺旋喷嘴，下层环管配备涡旋喷嘴，喷射介质均由供水系统的上塔泵提供，两层环管共用一套仪表和阀组（电磁流量计、压力变送器、就地压力表、蝶阀及球阀）。现有喷淋系统普遍存在喷枪水量不足、喷枪无法有效喷射等问题。
改进后的煤气冷却器在进气管道内增加了双介质喷枪，对煤气进行预处理，减少煤气体积。同时通过CFD气流模拟，对煤气冷却器的喷淋装置进行优化改进，在筒身段沿圆周方向布置与内截面气体流速相适应喷淋喷嘴，使喷淋量与同一截面不同点的气量相适应，达到均匀冷却和节约喷淋水的目的，并保证煤气冷却器出口气流的温度均匀。喷淋喷嘴的分布密度和插入深度与内截面气体相适应，有助于喷淋雾滴快速、充分地与热煤气接触并进行热量交换。喷枪分两层布置，两层环管各用一套仪表和阀组（电磁流量计、压力变送器、就地压力表、蝶阀及球阀）分别进行控制。
3.3 新型低阻防堵除雾装置的设计
经过冷却的煤气中含有大量的小雾滴，为了提高煤气的热值、节约用水，需要对煤气进行除雾处理。故在煤气冷却器上部接近出口的位置安装了两级除雾装置，包括粗除雾（S型板式除雾器）和精除雾（层状结构的丝网除沫器），并通过支撑梁安装在喷淋系统的上方。除雾装置由多个平行的喷嘴组件组成，布置在整个煤气冷却器的横截面上。降温后的煤气通过除雾装置后可除去99%的小雾滴，由除雾装置捕集的小雾滴聚集成大水滴后落入煤气冷却器底部的水箱里。粗除雾与精除雾之间布置有冲洗装置，冲洗系统由供水管路以及若干个喷嘴组成，除雾装置工作一定时间就需要对除雾装置进行冲洗操作。整个除雾装置的总阻力不高于350Pa。
3.4 顶部锥段设置弹簧自闭式三级泄爆阀
转炉煤气具有无色、无味、剧毒等特点，极易造成煤气中毒和爆炸危险，因此转炉煤气净化与回收系统对各设备的密封性、可靠性、操作精确性等要求很高，必须保证系统各设备运行安全、稳定、可靠。
本公司在煤气冷却器顶部锥段上设置弹簧自闭式三级泄爆阀，结构简图参见图2，当煤气冷却器壳体内部出现过压现象时，泄爆阀阀盖受到的动压大于阀盖自重及弹簧组对阀盖的拉应力，此时阀盖在冲击力作用下被打开，进行壳体内泄压。当压力泄放到一定程度后，冲击力对阀盖的作用力急剧减小，此时泄爆阀阀盖在弹簧组作用下快速复位、闭合，从而保护煤气冷却器壳体、内部喷淋系统及除雾装置不受冲击或者损坏。
4 煤气冷却器优化改进应用情况
目前，我公司已将此优化改进后的煤气冷却器成功应用于某钢厂新建2套公称150t顶底复吹式转炉煤气一次干法除尘系统项目。生产实践证明，煤气冷却器在优化改进后的粉尘排放浓度达到超低排放要求、净化效果显著，且系统运行稳定、各项指标都满足设计要求。这将有助于提高煤气质量，为煤气并网带来延伸效益，并避免煤气中粉尘对管网的磨损伤害，经济效益和环境效益显著。
5 结论
转炉煤气HLG干法净化与回收系统用煤气冷却器的优化改进，不仅适用于转炉煤气一次干法除尘新建项目，也适用于转炉煤气湿改干技改项目，具有可观的经济效益和环境效益，能够为打好蓝天、碧水、净土保卫战做出贡献，具有广泛的推广应用前景。
参考文献：
[1]陈凯，高海波，汤雷.转炉干法除尘系统煤气回收的分析与研究[J].中国新技术新产品，2019，（11）：4445.
[2]王大雷，张从鹏，魏立军.转炉干法除尘中煤气冷却器工艺系统研究改进[J].资源节约与环保，2013，（2）：11.
[3]郭小兰.转炉干法除尘煤气冷却器设备优化设计[J].通用机械，2014，（11）：6870.
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