科技新進展：轉爐煤氣全干法顯熱回收綠色低碳新技術與裝備

一、研究的背景與問題

氧氣轉爐煉鋼是當前鋼鐵生產的主流工藝，其產生的煤氣含有大量余熱和化學余能。為了回收煤氣，并實現煤氣的凈化，目前國內外對高溫含塵煤氣凈化方式主要采用OG法和LT法。20世紀60年代初由日本新日鐵和川崎公司聯合開發的OG法系統需要通過大量的冷卻水對煤氣進行冷卻，水量消耗較大，同時造成煤氣熱能無法有效回收；并會產生大量的污水以及污泥，處理起來比較困難，并增加了設備占地面積；而且該工藝的除塵效果相對較差，凈化后的煤氣含塵量為100~150 mg/Nm³，顆粒物濃度排放高。LT法除塵系統于20世紀60年代末由德國魯奇公司和蒂森鋼廠聯合開發，主要設備包括蒸發冷卻器（EC）和靜電除塵器（EP）等（如圖1所示）。與OG法相比，LT法可減少冷卻水的消耗，回收干粉塵，同時減少污水、污泥處理設備的投資，逐漸成為轉爐煤氣處理的主流工藝。盡管LT工藝在轉爐冶煉一次除塵領域具有明顯的優勢，但是其設備和控制系統比較復雜，投資費用偏高，系統維護量大，余熱余能回收利用還存在很大的提升空間。此外，EC對煤氣進行降溫除塵過程中明火未能完全熄滅，進入EP后增加了泄爆的幾率，是行業難題。

目前，國家對轉爐工序生產標準的要求越來越高。2021年，國家發改委等五部門發布《冶金、建材重點行業嚴格能效約束推動節能降碳行動方案（2021-2025年）》，要求到2025年，通過在鋼鐵等行業實施節能降碳行動，不斷增加能效達到標桿水平（-30 kgce/t）的產能比例（30%），明顯降低碳排放強度。目前很多還在生產的轉爐除塵及余熱回收系統難以滿足國家關于先進能耗標準的要求，因此，開發高能效的轉爐煤氣處理系統對于鋼鐵企業的可持續發展是至關重要的。

中國科學院力學研究所、內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司以及江蘇中科海陸工程科技有限公司三家單位通過通力合作，通過理論分析、實驗研究和工程應用驗證，攻克了先進可靠防爆遏爆技術、緊湊高效間歇性熱源余熱換熱技術以及余熱鍋爐高效清灰技術等，提出了轉爐煤氣全顯熱回收低碳綠色新工藝。該工藝的核心技術不同于國內外現有其他全干法轉爐煤氣凈化回收技術，通過采用寬域熱流高旋氣固分離器與內流自清式急冷換熱器取代現有OG和LT工藝中的噴水/水霧降溫除塵方式，實現轉爐煤氣顯熱資源的全回收，顯著提升轉爐工序的“負能煉鋼”水平，能夠為我國鋼鐵行業實現“碳達峰”、“碳中和”的遠景目標做出重要貢獻，大幅提高我國在煉鋼新技術方面的國際地位。

在“十四五”及即將開展的“十五五”期間，我國的鋼鐵企業亟需促進綠色低碳及節能環保技術的開發與應用。隨著技術的進步，本項目提出的轉爐煤氣全干法顯熱回收綠色低碳新技術與裝備將在新一輪鋼鐵行業的技術升級中具有廣闊的應用與推廣前景。

二、解決問題的思路與技術方案

包鋼集團轉爐一次除塵工藝主要采用LT工藝，經汽化冷卻煙道后的高溫轉爐煤氣通過蒸發冷卻器（EC）以及靜電除塵器（EP）實現降溫和除塵。本項目提出轉爐煤氣全干法顯熱回收綠色低碳新技術，對包鋼鋼管公司6#轉爐LT工藝進行升級改造（見圖1），其主要工藝流程為：轉爐煤氣從汽化冷卻煙道末段煙道通過三通切換至新系統，煤氣首先進入寬域熱流高旋氣固分離器進行粗除塵后再進入內流自清式急冷換熱器，經過降溫除塵后的煤氣（出口溫度<200℃）通過三通重新并入原系統后進入靜電除塵器（EP）。余熱鍋爐產生蒸汽后就近并入回收蒸汽管網系統。新系統為原系統的旁通位置，與原系統無干涉。該新工藝采用全干法回收轉爐煤氣顯熱，避免了LT法使用大量的蒸汽和水。新工藝通過降溫除塵方式以及防爆/遏爆等特殊設計可以保持系統的安全穩定運行。

圖1 轉爐煤氣全干法顯熱回收綠色低碳新技術工藝流程圖

為防止系統在運行過程中出現爆炸導致設備損壞的問題，在整套系統的主設備上各安裝了彈簧自閉式多級泄爆閥。并安裝了噴氮遏爆系統，其工作原理為：通過高靈敏度傳感器探測爆炸發生瞬間的危險信號，由控制器啟動爆炸遏制器，在極短時間內把氮氣抑爆劑噴入管道內，將可能發生爆炸的火焰迅速撲滅，同時對管道內氣體進行稀釋，阻止火焰傳播，起到抑爆作用。

圖2 噴氮遏爆技術方案流程圖

此外，轉爐沉積灰在高溫下具有一定的粘性，不能夠簡單通過自身重力進行脫除。為了避免轉爐灰塵堵塞換熱設備，影響煙氣的正常流動，需要增設高效的清灰設備才能保證全干法顯熱回收系統的長期穩定運行。如圖3所示，經過多種清灰方法的現場試驗，發現采用寬頻氣脈沖清灰技術可以有效清除急冷換熱器表面及管內積灰。在采用清灰手段后，全干法系統長期運行過程中未再出現積灰堵塞換熱器管道的現象。

(a) 未采用任何清灰裝置     (b) 采用寬頻氣脈沖清灰后

圖3 全干法顯熱回收系統運行過程中的積灰問題及解決方案

三、主要創新性成果

通過研究轉爐煤氣生成、燃燒及爆炸規律，深度分析冶煉現場海量煤氣特性數據，開發出轉爐煤氣全干法顯熱回收綠色低碳新技術新工藝及其裝備，可實現轉爐煤氣中低溫顯熱資源的深度回收，該成果的原創性和先進性主要體現在以下幾方面：

1、揭示了高初溫、變濃度煤氣爆炸壓力與速度的變化規律，在大數據技術的支撐下研發了精準檢測與防爆/遏爆技術、煤氣顯熱回收與轉爐生產工序聯鎖節拍技術，實現了煤氣顯熱回收、智能防爆與轉爐穩定生產的高效耦合匹配。

2、研發了不噴水的轉爐煤氣寬域高熱流氣固除塵新技術，研制了抗熱震的高旋式氣固分離器，為高溫多塵煤氣全干法顯熱穩定回收提供保證。

3、研究了轉爐灰塵高溫易氧化結塊機理，研制了內流自清灰式火管急冷換熱器等裝備，研發了適用于余熱鍋爐的寬頻氣脈沖清灰技術。

本項目于2024年7月29日由中國金屬學會在內蒙古包頭市組織召開了科技成果評價會。中國工程院院士干勇、毛新平以及中國鋼鐵工業協會副總工黃導等評價委員會專家現場考察了項目技術應用情況，聽取了有關技術報告、查新報告和應用報告等，并審閱了相關資料，經質詢、討論，認為該項科技成果達到國際領先水平。

四、應用情況與效果

包鋼鋼管公司6#轉爐國際首套轉爐煤氣全干法顯熱回收節能新技術現場工業應用裝置如圖4所示。新工藝采用先進可靠的防爆/遏爆裝置以及高效除塵/換熱一體化裝置等，完全取代了現有LT法中的蒸發冷卻器噴水霧降溫除塵，實現850℃左右轉爐煤氣顯熱資源的充分回收利用，使得噸鋼蒸汽產量翻番，可以有效降低企業的能耗和水耗。該項目于2019年正式立項，研發團隊共同克服了三年疫情帶來的建設和調試困難，完成建設后于2021年8月首次成功投運，當月順利完成了工業裝置的168小時運行考核，設備穩定運行22天，冶煉600余爐。目前已經正式在包鋼集團6號轉爐實現了工業化應用，目前全干法顯熱系統穩定運行時間已經超過1年，累計生產超過1萬爐，穩定運行超12個月，能夠將轉爐能耗在現有基礎上再降低約7.582 kgce/t。顯熱回收系統接入后，系統運行平穩，靜電除塵器電場穩定，煤氣降溫和除塵效果良好。

圖4 轉爐煤氣全干法顯熱回收現場工業示范裝置

轉爐工藝的特點是間歇性工作，該過程包括裝料、吹煉、脫碳、出鋼和濺渣等步驟，冶煉周期約為30-40分鐘，吹氧時間約為13-15分鐘。煉鋼原料主要由鐵水、廢鋼、白云石、鐵皮球等造渣材料組成。煉鋼過程熱熱源由鐵水的物理熱和氧氣與碳、錳、硅和磷等物質反應產生的化學熱提供。在本實施案例中，由于將汽化冷卻煙道末端循環由自然循環改為強制循環，增強了前端汽化冷卻煙道的換熱效果，導致全顯熱回收系統進口溫度相對較低，約為700℃左右。全顯熱回收系統進出口溫度變化如圖5所示，其中圖5(a)展示了一個完整冶煉周期內的溫度變化情況，圖5(b)為連續生產30爐煤氣溫度的變化情況（前18爐為放散時刻，后12爐為回收時刻）。由圖中采集數據可知，全顯熱回收系統運行時，轉爐煤氣進出口溫度波動在合理范圍內，運行參數穩定，經換熱后可以將煤氣溫度穩定降至200℃以下。

圖5 全干法工藝運行時進出口煤氣溫度變化情況

轉爐煤氣的顯熱回收后，可通過汽包生產蒸汽。但由于轉爐冶煉工藝的間歇性，產生的蒸汽流量和壓力并不穩定，因此本文采用高精度穩流蓄熱器來解決蒸汽的波動性問題，可確保穩定產生170℃，0.8 MPa左右蒸汽。蒸汽流量可通過預裝的渦街流量計測量，精度為±0.5% FS。圖6展示了一臺100噸轉爐通過全干法工藝系統連續生產30爐時增加的蒸汽產量，統計期內全干法工藝噸鋼蒸汽產量可達約43 kg左右。根據全干法系統運行時的熱量平衡計算，目前系統熱損失大約在6%左右。

圖6 全干法工藝系統連續生產時的蒸汽產量

以包鋼集團6#轉爐為例，將LT工藝改為全干法顯熱回收工藝后，能夠通過節水、節電、副產蒸汽以及煤氣熱值提高等多個方面產生效益，并減少系統的維護成本，如表1所示。按照入口煤氣溫度700℃計算，采用全顯熱回收工藝后，可實現噸鋼生產蒸汽產量增加51.53 kg（副產蒸汽42.83 kg，末端汽化冷卻煙道自然循環改強制循環增產蒸汽8.70 kg），節省EC霧化蒸汽15.60 kg，節約新水40.50 kg，節電0.67 kWh。全顯熱回收工藝預期能夠實現噸鋼生產節約標準煤7.582 kgce，增加經濟效益約13元。以單臺年產100萬噸鋼轉爐為例，預期每年能夠帶來直接經濟效益1300萬元，減少CO₂排放約2.0萬噸。

表1 全干法顯熱回收工藝與LT工藝效益對比

本項目提出的轉爐煤氣全干法顯熱回收綠色低碳新技術與裝備，實現了煤氣顯熱的全回收，顯著降低轉爐冶煉過程的碳排放。該技術可以為鋼鐵行業轉爐一次除塵綠色低碳及節能環保發展提供新的工藝思路，能夠帶來明顯的經濟效益和環境效益，顯著提高我國在轉爐冶金領域的核心競爭力。

該技術如果在包鋼全部轉爐進行推廣應用，預期每年可為包鋼集團帶來直接經濟效益約2.55億元，減排二氧化碳約42.5萬噸/年，完全契合內蒙古自治區綠色低碳的發展政策，也符合習總書記交代給內蒙古“五大任務”的政策要求。我國有700座轉爐，未利用的轉爐煤氣顯熱資源折合標準煤達760萬噸（相當于減排二氧化碳約2000萬噸）。因此，該技術的推廣應用能夠為我國鋼鐵行業實現碳達峰、碳中和目標做出重要貢獻。

圖7 轉爐煤氣全干法顯熱回收技術應用證明和效益證明