转炉一次烟气干法净化回收系统爆炸原因浅析

-1-转炉一次烟气干法净化回收系统爆炸原因浅析沈建涛李宝义（西安西矿环保科技有限公司西安710075）摘要：转炉一次烟气干法净化回收系统作为环保节能的一项新技术，越来越多的被国内钢厂所采用；然而该系统中的爆炸一直以来备受人们所关注。本文从转炉一次烟气干法净化回收系统的流程说起，结合炼钢过程中吹炼脱碳的特点，分析了的不同阶段爆炸产生的原因；为了避免爆炸对企业带来的巨大损失，总结以往实际项目中的经验，给出了一些行之有效的预防措施。关键词：转炉一次烟气干法净化回收系统、蒸发冷却器、圆筒形卧式电除尘器、泄爆阀随着国家对环保和节能减排工作的高度重视，为实现低碳排放、发展循环经济、实现负能炼钢，环保工作者都为此做着不懈的努力。转炉一次烟气干法净化回收系统自1998年宝钢首次引进以来，凭借其在烟气除尘效率高、能耗低、工厂占地面积少、运行成本低等方面所具有的明显优势，国家已将其列为重点开发推广的技术项目。然而转炉一次烟气干法净化回收系统中偶有的爆炸情况却让一些钢厂业主望而却步，心存疑虑；由于爆炸一般发生在圆筒形卧式电除尘器区域，所以有人认为圆筒形卧式电除尘器就是产生爆炸的“罪魁祸首”。为消除这种误解，我们有必要对其产生爆炸原因做简要的分析。1、转炉一次烟气干法净化回收系统图1所示为转炉一次烟气净化回收系统流程图。氧气转炉炼钢产生的高温烟气（1450～1600℃）经汽化冷却烟道冷却，烟气温度降为800～1000℃，然后经过蒸发冷却器，入口设双流喷嘴，在雾化水的降温作用下，烟气温度直接冷却到大约200℃左右（根据工艺管道长度略有不同），喷水量根据烟气含热量精确控制，所喷出的水完全蒸发，喷水降温的同时对烟气进行了调质处理，使粉尘的比电阻有利于圆筒形卧式电除尘器的捕集。蒸发冷却器内约40~50%的粗粉尘沉降到底部，经排灰阀排出。经冷却和调质后的烟气进入有四个电场的圆筒形卧式电除尘器，其入口处设气流图1转炉一次烟气干法回收系统流程图-2-分布板，使烟气在圆筒形卧式电除尘器内呈柱塞状流动，避免气体混合，减少爆炸成因。圆筒形卧式电除尘器进出口装有安全泄爆阀，以疏导爆炸后可能产生的压力冲击波。烟气经圆筒形卧式电除尘器后含尘量降至10～15mg/Nm3。收集下的粉尘通过扇形刮板机刮到下部灰槽，然后用链式输送机、斗式提升机送到贮灰仓，粉尘定期由汽车运出，送至烧结厂回收再利用。干法系统阻力很小，风机采用ID轴流风机，有利于系统的泄爆，风机设变频调速，可实现流量跟踪调节，以保证煤气回收的数量与质量，节约能源。煤气切换站由两个液动杯阀所组成。当烟气符合回收条件时,即一氧化碳含量大于30%、且氧气含量小于1%，烟气由液动杯阀切换至煤气冷却器（GC），煤气经过直接喷淋冷却由150℃降至70℃以下进煤气柜，然后由煤气加压站加压将煤气加压送往各用户；当烟气不符合回收条件时，烟气由液动杯阀切换至放散烟囱，通过排放烟囱点火放散。2、转炉烟气来源和成份转炉烟气的来源主要是兑入转炉中的铁水在吹氧炼钢时，Si、Mn、C元素的依次氧化所产生。当转炉加入石灰等造渣原料时将产生粉尘；还有当转炉需要降温时要加入废钢，而废钢又以轻型废钢居多，这些废钢中难免含有一定的油脂，也含有一定量的水分，这将会产生一定量的H2、CH4进入烟气中。转炉烟气成分有：CO、H2、CO2、N2、CH4、O2等。转炉烟气粉尘成分有：FeO、Fe2O3、SiO2、MnO2、CaO、MgO及少量的C、Fe。3、吹炼脱碳曲线和吹炼中元素氧化顺序由图2可见：转炉吹炼可分为前、中、后期。用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示。吹炼Ⅰ期为硅、锰、磷氧化期。按温度元素氧化顺序首先氧化铁水中的硅、锰、磷，同时铁也有氧化，当熔池温度达到1368℃时碳才开始氧化。且熔池内碳氧反应由于此时温度低，所以碳氧反应速度较慢，呈缓慢上升趋势。图2转炉吹炼脱碳曲线吹炼Ⅱ期为碳氧化期。此时熔池中硅、锰已基本氧化激结束，铁水温度已上升到碳的激烈反应温度1523℃以上，碳氧反应速度以最大速度进行，此间供入熔池中的氧气几乎100%与碳发生反应，此时碳反应速度仅取决于供氧强度。吹炼Ⅲ期即吹炼后期。此时脱碳反应进行到一定时候，即当熔池碳含量达到临界碳含量时，随着钢水中碳含量减少，其脱碳速度降低。4、爆炸的危害及爆炸产生的原因4.1.爆炸的危害电场爆炸对圆筒形卧式电除尘器将会造成不同程度的损坏，对圆筒形卧式电除尘器的除尘效果产生一定的影响，甚至造成圆筒形卧式电除尘器失去除尘效果。具体对圆筒形卧式电除尘器内设备危害如下：将造成阳极板的变形、错位；阳极板筋板的变形；两块阳极板之间限位杆的变形；将造成阴极框架的变形；阴极线的松弛、断裂；造成极距的变化，导致电场电压的稳定性降低，电场电压无法升高，影响圆筒形卧式电除尘器的除尘效果。更大的爆炸将导致圆筒形卧式电除尘器内部整个设备的瘫痪，甚至造成泄爆阀的损坏，更有甚者造成风机叶轮的损坏（这也是干法除尘系统一般情况下为什么不采用离心风机的主要原因）；切换站杯阀受损；膨胀节超出范围，无法复位；放散烟囱堵板严重受损等严重后果在以往项目中都曾有发生。总之大的爆炸将会给我们带来无法预期的后果，所以抑制爆炸的产生将是我们干-3-法系统永恒的课题。4.2.吹炼阶段爆炸原因分析爆炸必须具备以下两个条件：a.一氧化碳和氧气混合达到一定的浓度，（有资料显示CO在空气中的爆炸极限范围为：12.5%~74%）b.足够的火源（圆筒形卧式电除尘器电场放电是产生火源的最直接途径）从以上条件不难看出圆筒形卧式电除尘器放电是不可避免的，在这里由于火花放电点无法统计，首先我们假定火花放电是持续存在的，（以后的分析都是基于此基础之上的）。从理论吹炼脱碳曲线来看，仅有吹炼Ⅱ期可产生较高的温度（大于1523℃）和最高脱碳速度，一氧化碳的产生最为充分，应只有吹炼Ⅱ期最有可能爆炸。冶炼其余阶段不会出现爆炸。但在实际生产中，吹炼的三个期间和冶炼其余阶段均有爆炸，试分析其原因如下：1）在吹炼Ⅰ期，最有可能爆炸的原因是：铁水在开始吹氧后已形成部分炉渣，且渣中已积蓄大量的氧，然后向铁水中扩散，导致钢中氧大量积蓄。当氧枪一次冲击区卷入废钢或铁水中的铁尘、铁珠和碳颗粒过多时，由于氧枪一次冲击区温度高达2000℃，此时温度、氧含量、碳含量同时满足反应条件，瞬时生成大量CO。被抽入电场后与尚未完全抽走的空气中氧气作用，产生爆炸。可见，温度、氧含量、碳含量较高是关键原因，有以下几个方面的原因：a）现转炉开吹已设为低氧流量，但电气调节阀为计算调节方式。当外网氧气特别充足时，氧流量调节时间较慢，导致瞬时开吹流量过大。氧流量的瞬时增大提供了爆炸的可能。b）开吹后由于轻型废钢漂在铁水上，开吹氧流量过低导致打火不畅，在吹炼时操作工往往有上下动枪的过程，在动枪的过程中就加速了渣中氧向钢中传递，钢中氧的大量积蓄和突然打火顺畅引起的碳氧反应，产生爆炸。c）开吹氧流量过低也会导致打火不畅，产生爆炸。2）在吹炼Ⅱ期，由于温度、氧含量、碳含量超标，极易出现爆炸。应该注意的是：a）在中期抬枪时，无论是抬枪过程还是再下枪过程都会产生爆炸，应尽量杜绝抬枪。b）处理中期爆炸的原理基于两点：一是控制温度在1523℃以下，二是尽量脱氧。c)由于工艺系统联锁控制的限制，氧枪频繁抬枪，二次或多次下枪，导致氧气流失产生爆炸。3）在吹炼Ⅲ期，爆炸的主要原因是拉碳过高，在下枪点吹时瞬时CO升高，抽入电场后与尚未完全抽走的空气中氧气作用，产生爆炸。4.3.冶炼周期的其余阶段爆炸原因关于冶炼周期的其余阶段爆炸具体分析如下：在兑铁水、加废钢阶段，由于原材料质量下降，废钢中渣铁潮湿且粒度小，兑铁时有水汽和碳颗粒燃烧形成的CO，产生爆炸。因为从煤气分析仪结果看，CO2、CO、H2、O2气体含量都不高，应是在电场内水汽电离生成H2，CO燃烧生成CO2，气体的化学反应和受热物理膨胀共同结果导致爆炸。此类爆炸属于瞬时爆炸，应对电场损害很小。4.4.设备、电气不正常引起的爆炸原因烟道漏水、下料口水套漏水，蒸发冷却器喷水量过大首先会增加电场内的水，当伴随含有碳颗粒或其他杂质的烟尘被电场抽入后，增加了电场内的放电次数。频繁放电不仅电离出H2和O2，也加速了燃烧。所以，对于漏水及喷水量过大情况需严加控制。电气中氧气调节阀工作的不正常，导致爆炸。煤气分析仪工作的不正常，导致显示爆炸信号。4.5．其它原因1）检修过后，重新开炉，由于管道内有滞留的部分空气会与冶炼产生的CO结合产生爆炸；2）由于炉口微压差控制不好导致空气混入产生爆炸；3）第一次泄爆后，泄爆阀没有及时复位，造成空气进入产生爆炸。-4-4)现场检修后人孔关闭不严、拉链机观察孔未及时关闭造成部分空气混入电场产生爆炸。5、转炉一次烟气干法净化回收系统爆炸的预防措施为了防止转炉一次烟气干法净化回收系统频繁发生爆炸现象，要合理制定一些冶炼工艺参数。主要包括以下几个方面：5.1.氧流量的合理设定措施设定氧流量考虑三个因素：首先为防止CO迅速上升，而发生爆炸的可能。第二，氧气调节阀瞬时计算有误差，会出现瞬时流量过大的现象。第三，流量不能太低，否则会出现打不着火的现象。5.2.稳定冶炼工艺操作的措施1）不允许反复摇炉和瞬时升降氧枪等操作，尽量避免因原料引起的剧烈碳氧反应；2）降罩后方可下枪，保证炉口的微正压状态，以避免前期打火不完全燃烧和开放式炉口产生的负压卷入空气；3）通过设备正常操作保障和电气的正常运转，尽量杜绝中期抬枪和二次下抢。4）稳定冶炼工艺，通过培训、学习的手段不断提高操作工素质，规范操作。冶炼工艺标准都应一丝不苟地“规范”执行。5.3.其它的措施通过建立日常点检维护制度和定期检修，处理潜在的设备、电气隐患，保障设备、电气的稳定运行。设备与电气的点巡检制度都应一丝不苟地“规范”执行。6、结束语通过以上分析，发生爆炸的原因繁多，圆筒形卧式电除尘器充其量在放电时充当了一个导火索的作用，总之，解决转炉一次烟气干法净化回收系统的爆炸这一问题要从整个系统综合考虑，寻找出现问题的根源，单纯认为爆炸发生在圆筒形卧式电除尘器，解决爆炸问题就应该在圆筒形卧式电除尘器找原因是不妥的。只有了解了每次爆炸产生的真正原因才能从根本上解决问题，采取可行的措施，防患于未然。参考文献[1]《氧气转炉烟气净化及回收设计参考资料》编写组冶金工业出版社[2]《转炉炼钢生产》冯捷张红文主编冶金工业出版社[3]《燃烧与爆炸学》张英华黄志安编著冶金工业出版社[4]《连铸自动化技术研讨会暨转炉干式除尘技术研讨会论文集》2009年4月宁波