高炉煤气净化系统新技术研究与应用
1 问题的提出
济南钢铁集团总公司第二炼铁厂(简称济钢第二炼铁厂)原2座高炉煤气净化系统，分别采用串联文氏管电除尘湿法除尘工艺，煤气处理能力按120m3高炉，利用系数1.6t/m3d，单炉煤气发生量按2.2×104m3/h设计。
原煤气净化系统除尘效率低且没有高效精细脱水装置，造成净煤气含水量高达80g/m3,含尘量大于80mg/m3。随着生产技术水平不断提高，高炉利用系数已超过3.5t/m3.d，单炉煤气发生量已达3×104m3/h以上，煤气净化综合质量进一步劣化，净煤气含水量大于100g/m3，含尘量为100～150mg/m3。给煤气用户带来的主要危害是：热风炉格子砖渣化速度快，渣化程度严重，寿命低，煤气理论燃烧温度低，热风炉送风温度低。为提高煤气净化综合质量，提高热风炉送风温度，对原煤气净化系统进行改造，研制出了新的煤气净化系统。
2 新系统的研制
2.1设计原理
高炉荒煤气经重力除尘器粗除尘后(含尘量在6～8g/m3)，进入文氏管清洗降温，再进入花环脱水器进行半精细脱水除尘，主要脱去煤气中直径大于0.1mm含尘水滴，然后进入丝网脱水器进行精细脱水除尘，脱去煤气中直径为0.1mm及小于该尺寸的含尘水滴，确保煤气含尘量小于15mg/m3，机械水含量小于5g/m3。
2.2设计要求
对煤气管网进行改造，降低煤气流速；系统控制自动化；多余煤气不外排，架设管网供中型轧钢厂加热炉使用；煤气洗涤水循环使用，不外排；系统计量设施完善，准确可靠；系统安全、环保，工业卫生按国家规范要求设计、施工。
2.3工艺技术参数的确定
高炉炉顶煤气压力为0.03～0.05MPa；文氏管入口煤气温度正常时250～300℃，事故时500℃；煤气处理量(2.5～4.0)×104m3/h；文氏管入口含尘量6～10g/m3；系统循环水量170m3/h；净煤气含尘量当炉顶煤气压力大于0.03MPa时，不大于10mg/m3，当炉顶煤气压力不大于0.03MPa时，不大于15mg/m3；净煤气机械水含量不大于5g/m3。
2.4关键技术研究与应用
2.4.1可调喉口文氏管可调喉口的“RD”翻板，由1台防爆电机驱动，通过角度发生器显示翻板角度，可在操作室内遥控操作，可调喉口除尘效率高低决定于“RD”翻板调节角度及喉口处喷水量。
当具有一定压力的荒煤气由重力除尘器粗除尘后，进入可调喉口清洗、降温，喉口“RD”翻板截面形状为椭圆形。根据流体力学计算，翻板角度在30～70°范围内，开度与过流面积基本为线性关系，此时喉口调节作用最明显，称为有效调节区。根据计算，在有效调节区内控制喉口煤气阻力在16.8～21.0kPa，可使煤气含尘量小于15mg/m3。在生产中通过取样分析和对操作数据的统计结果表明，计算值与实际效果吻合。
喉口处喷水量是影响净化质量的另一个重要因素。根据计算，当喉口水气比为1.6L/m3时，煤气除尘达最佳效果。此时喉口处煤气阻力△P为21.1kPa，煤气流速V为100m/s。在生产操作中应根据煤气流量变化，调节喉口喷水量，使煤气净化达到最佳效果。生产中的试验表明，当煤气发生量在(3.0～3.7)×104m3/h，调节喉口喷水量在50～60m3/h，对煤气取样分析，含尘量小于8mg/m3，与理论计算值吻合。
2.4.2花环脱水器花环脱水器是半精细脱水除尘设备，主要脱去煤气中大于0.1mm的含尘水滴。工作原理是在设备内填充厚1000mm、直径为100mm的铝合金花环状填料层，当煤气由下至上经过填料层时，将煤气中大于0.1mm含尘水滴脱除。
主要设计参数为：煤气处理量(3.5～4.0)×104m3/h；煤气温度30～50℃；工作压力10～50kPa；花环填料层阻力损失小于2kPa。
为防止花环堵塞而造成煤气阻损增大，设计了反冲装置：一般每8h冲洗2次，每次冲洗时间10～15mim。花环阻力损失达到2kPa时，连续冲洗2次，每次10～15mim，同样取得较好效果。
2.4.3丝网脱水器主要设计参数为：处理煤气量(3.5～4.0)×104m3/h；入口煤气温度30～50℃；工作压力10～20kPa；填料层厚度花环500mm，丝网100mm；填料层阻损小于2kPa。
丝网脱水器的丝网用直径为0.25～0.27mm的不锈钢丝，编织成网且制成波形，成型后具有一定通道，水滴碰撞丝网后，在通道形成水流而流出丝网。丝网摆放方式非常严格，它决定丝网脱水效率高低。摆放不当，丝网的水滴形不成水流，而被煤气带走。在安装丝网时，尤其要注意。丝网脱水器工作时，煤气由下经过花环、丝网填料层后，向上流动，进入净煤气总管。
为防止丝网堵塞，应定期对丝网进行反冲，一般每8h连续冲洗2次，每次10～15min。当丝网脱水器阻损达到2kPa时，连续冲洗2次，每次10～15min，同样取得较好效果。
丝网脱水器是精细脱水除尘设备，只能安装在填料脱水器后使用，必须先把煤气在清洗中带出来的大量水分脱掉，丝网脱水器再脱去不大于0.1mm的含尘水滴，脱水效益可达99.9%，但脱去机械水滴的总重量不能超过114g/m3。
2.4.4丝网脱水器能除去最小水滴的计算
脱水效率η可按下式计算：
η＝1－(1－ηT)s(1)
式中ηT——目标靶效率;
s——撞击次数[1>。
丝网编织成型后厚100mm，用英国32号标准钢丝织成。100mm厚成型丝网密度为192kg/m3,空隙率97.6%，丝径0.27mm；1m长丝网的体积为5.72×10-8m3；1m3丝网中的丝长419580.4m，丝网投影面积113m2。
根据以上数据和撞击理论[1>求出s为11，代入公式(1)中，可得ηT为46.6%。
根据设计参数查图得知：
D.g/V.f=1.5(2)
式中D——障碍物直径(丝网丝径0.27mm)，m；
g——重力加速度,m/s2；
V——气体流速，m/s,设计参数V不大于4.8m/s；
f——水滴自由落体速度,m/s[1>。
对于厚100mm、丝径为0.27mm的成型丝网水滴自由降落速度由式(2)得知f为0.0003675m/s。
根据斯托克斯定律：
f=6πηrV(3)
则r为4.0×10-3mm，而D为2r，即D为8.0×10-3mm。
因此丝网脱水器能脱去直径不小于8.×10-3mm的含尘水滴。
3 使用效果
新系统共用3套设备取代原系统定径文氏管、弯头脱水器、可调文氏管、旋风脱水器、电除尘、重力灰泥捕集器6套设备。煤气净化能力比过去提高82%，具有投资小、能力大、占地面积小等显著特点。
在系统中文氏管“RD”翻板角度和洗涤水可根据煤气发生量自动调节，净化质量不受煤气发生量变化的影响，净化效果时刻处于高效状态。花环和丝网脱水器是填料脱水器，脱水效率不受煤气发生量变化影响。煤气净化综合质量高，可满足各类高炉煤气用户需求。
该系统自1999年4月投运至今，生产岗位检测报告统计表明，净煤气最高含尘量小于10mg/m3，含水量小于2.8g/m3。热风炉送风温度提高90℃以上，高炉增产节焦效果显著，且热风炉格子砖渣化速度显著下降，可有效延长热风炉使用寿命，长寿效益显著。此外,在安全、环保、工业卫生、自动化控制等经济技术指标达到和超过预期设计要求。
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