【技术文摘】高炉煤气综合除尘模式实现
摘要：某钢厂3800m3高炉在原有湿法环缝洗涤塔除尘的基础上,增加干法布袋除尘。针对布袋除尘运行中高温和低温煤气的难题,采用干法/湿法切换控制及干法到湿法的自动切换控制技术、适合低温煤气运行的布袋除尘控制技术,使得系统运行安全可靠,布袋除尘运行率处于较高水平。
目前致力于大型高炉湿法除尘转干法除尘技术改造的许多钢铁企业，用干法布袋除尘设施代替原有湿法清洗设施，而湿法则作为干法布袋除尘的备用设施。由于高炉操作的复杂性和煤气温度变化异常很难控制，温度过高，即使是短时的，也可能发生“烧袋”事故，而长时间温度过低则会使布袋结露而产生“糊袋”现象，因此高炉煤气温度成为制约干法布袋除尘系统能否正常运行的关键参数。本文以某钢厂3800m3高炉除尘系统为例，介绍了其除尘工艺流程，以及针对高、低温煤气采取的控制技术。该系统自投运以来，运行平稳，取得了良好的经济效益。
1、除尘工艺流程
某钢厂3800m3高炉煤气除尘系统在原设计湿法环缝洗涤塔(AGS)的基础上，增加了干法布袋除尘器(如图1所示)，两套装置并联互为备用，分别与炉顶余压发电设备(TＲT)配合运行。
生产运行时，湿法和干法除尘工艺只运行一种，通过控制湿法出口蝶阀(WBV)和干法出口蝶阀(DBV)的开闭来进行选择，优先选用干法。干法或湿法除尘后的净煤气送入TＲT入口管，经入口蝶阀(IV)、入口眼睛阀(TIV)、快切阀(TSV)、均压阀(EV)和调速阀(TCV)、可调静叶(SB)，进入透平机膨胀做功，透平机带动发电机(GEN)发电。膨胀后的煤气经TＲT出口眼睛阀(TOV)、总管出口眼睛阀(MGV)，送到净煤气管网上。在透平入口出口间并联2台旁通控制阀(BCV1、BCV2)及主旁通阀(BV)，在TＲT启动、停机、干湿相互倒换以及特殊工况时参与控制，以确保高炉炉顶压力不产生大的波动。
1.1布袋除尘工艺
干法布袋除尘系统由18个脉冲布袋除尘器箱体(每个箱体配置过滤布袋498条)，18个仓泵及2个大灰仓组成，除尘器双排布置，每排9个。脉冲布袋除尘器示意图如图2所示。
每个布袋除尘器的入口支管和出口支管上均配置有眼睛阀和蝶阀，荒煤气由各布袋除尘器的下部进入其箱体中进行机械分离，煤气向上经布袋过滤，微细粉尘附着在滤袋外表面，净煤气从各布袋除尘器箱体顶部支管汇集到净煤气总管，再经洗净塔洗酸降温后送到净煤气管网。每个除尘器箱体设置2套脉冲氮气反吹系统，分别安装22台脉冲电磁阀，每个脉冲电磁阀配1根喷吹管，喷嘴焊接在喷吹管上，垂直向下，正对滤袋口中心。当各布袋除尘器箱体过滤荒煤气到一定时间后，随着滤袋表面的粉尘增加，除尘器阻力上升，需要对滤袋进行清灰。脉冲喷吹清灰系统将滤袋外表面的粉尘抖落到下部锥形灰斗，灰斗积聚一定时间后要进行输灰。所有除尘器分两条管路输灰，采用浓相仓泵气力输灰系统，输灰气源采用氮气(N2)，其示意图见图3。其工作流程如下:除尘装置下部灰斗出灰口→进料阀→仓泵(进气阀门组件)→出料阀1→出料阀2→输灰管道→1号、2号大灰仓(可互相切换)→粉尘加湿搅拌机→汽车外运。
1.2湿法除尘系统的配置优化
湿法除尘系统主要由AGS和高压旋流脱水器组成。AGS中部的3个并联锥形环缝装置作为高炉炉顶压力控制的执行机构，当TＲT未投入时，其炉顶压力调节模式同时完成炉顶压力调节和煤气清洗的双重任务。当TＲT投入运行时，有两种控制模式可供选择:环缝控制高炉顶压，TＲT控制前压;TＲT控制高炉顶压，环缝控制差压。在保证一定差压的前提下，可保证除尘效果。
在原湿法除尘系统的2套管径DN350水位控制系统各并联1套管径DN100水位控制系统。湿法除尘系统备用时，DN100水位控制系统代替DN350水位控制系统控制水位。
湿法除尘系统运行时，配置2台内循环泵，1用1备;与湿法除尘系统配套的水站煤气洗涤循环水供水系统，泵组3台泵中2台泵运行，1台泵备用。湿法除尘系统备用时，为达到节水节电目的，煤气洗涤循环水供水泵组1用2备，3台内循环泵均停运。要达到上述目的，必须有可靠的控制功能提供保障。
2针对高、低温煤气的控制技术
针对高温和低温煤气，该高炉布袋除尘系统安全、高效运行从以下2个方面得以保证:
1)该高炉布袋除尘入口总管前既未配置蓄热缓冲器，又未设置荒煤气放散装置，因高炉炉况不顺，布袋除尘器总管入口煤气温度超高达到危险值(如300℃)或温升率达到规定值且温度绝对值达到一定值(如250℃)，即有可能缩短滤袋使用寿命，甚至导致烧袋时，只能通过干法布袋除尘和湿法除尘两种工艺在线生产中的相互切换及干法布袋除尘向湿法除尘自动切换的控制功能实现高温煤气布袋除尘系统安全运行。
(2)近年来，该高炉实施低硅冶炼生产，高炉煤气长期处于90～150℃较低温度。高炉煤气的露点温度大约在80℃，而干法除尘系统应在滤料的适用温度下工作，袋式除尘煤气温度宜高于煤气露点20～30℃［1］。这使得该高炉干法布袋除尘系统的长期正常运行面临着严峻的考验。针对长期运行于过滤低温煤气的工况，通过优化布袋除尘器运行控制策略，使得干法布袋除尘运行率维持在较高水平。
2.1干法/湿法相互切换控制
引入干法布袋除尘系统后，该高炉煤气系统有4种运行模式:“湿法除尘单独”运行、“干法布袋+BCV”运行、“湿法除尘+TＲT”运行和“干法布袋+TＲT”运行。前2种为短期运行模式，后2种为长期运行模式。优先选用“干法布袋+TＲT”运行，需要完善的切换控制技术来保障系统的安全可靠运行。
2.1.1控制描述
(1)煤气系统干法/湿法运行标志。以切换命令为标志，确定相应的煤气系统阀门及设备的动作，DEV随DBV动作，WEV随WBV动作。
(2)水系统干法/湿法运行标志。以水泵运行状态及水压为标志，决定AGS水系统控制阀门的动作。
(3)正常切换。煤气系统“干法→湿法”与“湿法→干法”的正常切换条件相同，仅操作顺序有差异，为带操作提示的半自动控制。
“干法→湿法”:干法除尘系统工作时，DBV全开、WBV全关，TＲT或BCV阀组控制高炉顶压。操作AGS水系统湿法运行，将WBV打开，AGS开始定差压控制，WBV全开后，再关闭DBV(顺序不可颠倒，否则阀门不动作)，待切换条件满足后，操作切换按钮，炉顶煤气压力控制切换到湿法运行模式。
“湿法→干法”:湿法除尘系统工作时，WBV全开、DBV全关。待切换条件满足后，操作切换按钮，TＲT或BCV阀组控制高炉顶压，炉顶煤气压力控制切换到干法运行模式。将DBV打开，再关闭WBV，煤气系统即为干法运行，煤气系统切换完毕。操作AGS水系统停泵减水等，水系统湿法→干法运行。
(4)紧急切换。煤气系统正常切换条件不满足，为了安全确实需切换时，所进行切换操作的执行步骤与正常切换相同。
(5)自动切换(干法除尘运行遇高温时对干法除尘设备及TＲT的保护)。因受高炉炉况影响，布袋除尘器总管入口煤气温度超高达到危险值或温升率达到规定值且温度绝对值达到一定值，即有能发生“烧袋”事故时，控制系统自动紧急关闭数台除尘器的出口蝶阀，保证短时间的除尘能力(过滤风速按0．3～0.8m/min选取［1］);TＲT紧急停机。同时，自动完成干法除尘系统到湿法除尘系统管路的切换。
2.1.2控制步骤
干法/湿法除尘相互切换控制流程见图4。
1)A1———自动切换条件判断。监控各相关工艺设备的状态，提供干法向湿法自动切换的可行性判断，以保持干法到湿法的自动切换条件满足;否则报警，提示操作人员去检查某一具体设备，排除故障或异常状态。
(2)A2———布袋除尘器入口总管煤气温度异常判断。低温报警，高温或温升率过高报警，并分别发出处理指令到A3、A4、A5。同时发TＲT紧急停机指令到TＲT停机连锁逻辑。
(3)A3———保护部分布袋除尘器。接收到A2发出的指令，采用“枚举法”，系统自动紧急关闭数台远离入口总管的除尘器的出口蝶阀。
(4)A4———水系统干法→湿法运行模式切换。接收到A2发出的高温指令，送水站指令信号“供水泵组启动”，为煤气系统“干法→湿法”做准备，待水站泵组运行就绪，煤气洗涤水供应正常，自动启动内循环泵。AGS水系统阀门根据信号连锁动作，湿法系统运行，洗净塔给水关闭。
(5)A5———煤气系统管路干法→湿法自动切换。干法到湿法管路自动切换，接收到A2发出的指令，自动设定AGS中环缝装置的开度，待开度反馈到达预定目标，水泵运行状态及水压正常，先发WBV开指令，待WBV全开再发DBV关指令，实现阀门安全连锁动作，煤气管路自动安全切换。
(6)A6———高炉炉顶压力干法→湿法运行控制切换。AGS顶压控制系统与BCV阀组顶压控制系统的相互切换，有正常切换和紧急切换之分，相互之间正常切换的条件相同。正常切换条件不满足时，为了安全，执行紧急切换逻辑，保证炉顶压力控制顺利过渡。
(7)B1———高炉煤气干法布袋除尘向湿法除尘切换操作步骤，有自动和手动两种。
(8)B2———高炉煤气湿法除尘向干法布袋除尘切换操作步骤，仅手动一种。
2.2适合低温煤气运行的布袋除尘控制技术
干法除尘系统长期过滤低温煤气，不仅会产生“糊袋”、使布袋板结，还会造成输灰系统阀门积灰而关不严、管路堵塞、设备腐蚀等一系列问题，处理起来非常麻烦［2］。虽然通过切换到湿法除尘就能解决低温问题，但是较低的干法布袋除尘运行率会使得引入干法布袋除尘失去意义。本文提出的针对低温煤气的布袋除尘系统控制技术，使得系统可靠性和可维修性有显著的提高，有效地提高了干法布袋除尘的运行率。
2.2.1脉冲喷吹用氮气的压力控制
该布袋除尘系统脉冲喷吹清灰气源采用氮气，并通过自力式调节阀将氮气压力设定在0．5～0．55MPa间，供反吹使用。在脉冲喷吹氮气管道上靠近首个除尘器箱体喷吹支管接口处增加氮气压力调节阀，在调节阀与首个除尘器箱体喷吹包之间，设置喷吹氮气压力检测点。利用分段函数，将喷吹氮气压力设定值设定得比入口煤气压力高150～200kPa，并进行调节，解决因多个除尘器箱体同时喷吹清灰导致喷吹压力降低，或因高炉降压及短期休风使喷吹压力过高的问题。
2.2.2布袋除尘器投运控制机制
对所有除尘器，为了给操作人员提供一个统一的、简单的操作环境，我们提出一对“投入”和“退出”标志，而不需要绝对依靠除尘器的阀门状态来判断其是否运行。进一步地，针对除尘器脉冲喷吹清灰，可设定运行、维护、单脉冲阀手动三种模式。通过HMI操作“投入”和“退出”按钮，改变每个布袋除尘器箱体的投运状态。只有在投入状态下，除尘器各子系统才能投运。除尘器和对应的输灰仓泵投入后，若仓泵因故障或手动退出，则箱体仍投运，是否退出由操作人员决定。一旦操作退出，除尘器则无条件退出运行状态，且除尘器出口蝶阀可靠关闭。
每个布袋除尘器箱体投入的条件为:除尘器箱体对应的输灰系统已投入，箱体入口、出口眼睛阀全开，顶部放散阀全关，箱体入口蝶阀全开，布袋总管入口眼睛阀全开。当处于维护模式时，每个布袋除尘器箱体投入，满足以下任一条件即可:(1)除尘器箱体对应的输灰系统已投入，箱体入口、出口眼睛阀全开，顶部放散阀全关，箱体入口蝶阀全开，布袋总管入口眼睛阀全开;(2)除尘器箱体对应的输灰系统已投入，箱体入口、出口眼睛阀全关，顶部放散阀全开。
处于运行模式，除尘器箱体投入后，加入到其他已投入的箱体脉冲喷吹清灰循环中，按设定的参数依次进行清灰，同一时间仅允许一个箱体进行清灰(即同一时间仅允许一个除尘器箱体的脉冲电磁阀组动作)。处于维护模式，除尘器箱体投入后，箱体单个进行循环反吹清灰，直至退出，两个及两个以上箱体处于维护模式，脉冲喷吹清灰互不干扰，各自独立进行循环反吹清灰。
单脉冲阀手动模式，此模式具有最高优先级，即不管除尘器箱体是否已投入，也不管设定在运行模式还是维护模式，均可在人机界面上操作任一除尘器箱体的任一脉冲阀单独动作。
引入维护模式下的脉冲喷吹清灰，可及时对问题除尘器进行检查、处理或检修，不用等到整个布袋除尘系统脉冲清灰循环的空闲期，才手动启动问题除尘器的反吹清灰，为实现布袋除尘系统逐个除尘器进行检修提供了前提条件，大大节约了检修时间，提高了劳动效率。
2.2.3仓泵输灰系统投运控制机制
输灰系统每个仓泵也有一对“投入”和“退出”标志。在HMI上设置“复位”、“投入”及“退出”按钮，以改变仓泵的投运状态。“复位”既可操作仓泵紧急停止工作，回到初始状态，又可复位停泵信号，为仓泵投入前的确认。紧急停泵后，仓泵的状态应相应显示为退出，复位允许后(同一管路其他泵未输送、输灰气源压力正常、任一大灰仓已投入、灰库未处于高位)才可重新投入。
结合18个除尘器双列布置及分两条管路进行输灰的工艺特点，对除尘器及其对应的仓泵分为两组分别投运过滤煤气，一用一备，给输灰系统及除尘器箱体提供较充裕的检修时间。全部箱体投运过滤风速为0.3m/min，一半箱体投运过滤风速为0.6m/min，箱体过滤负荷完全没问题。同时，通过在HMI上设定仓泵输灰周期时间及增加仓泵输灰前的仓泵加压控制流程分支，缩短除尘器锥底积灰时间、仓泵蓄灰时间，降低低温灰堵塞或结块的几率。
3应用效果
该3800m3高炉除尘系统采用预先处理的控制技术，以解决人工干预下不能及时处理煤气温度异常造成的一系列运行难题。系统自2009年投运以来，因高炉炉况异常而导致煤气温度超高时，均未出现布袋烧损的情况;高炉煤气干/湿法除尘系统相互切换、运行安全可靠，煤气洗涤循环水消耗量减少40%。
在该高炉上实施低硅冶炼生产操作，高炉煤气长期处于90～150℃较低温度水平的前提下，2013年、2014年该高炉布袋除尘运行率分别为89．9%和90．3%，TＲT年发电量分别达1.43亿kW˙h和1．48亿kW˙h，经济效益显著。
然而，本例的高炉煤气除尘系统在工艺上仅进行了部分改造，增加干法除尘，原湿法除尘备用，即采用的是湿法备用技术，与全干法技术相比，后期设备及运行成本高。建议在高炉煤气除尘系统整体改造或高炉大修时，推行全干法运行技术。布袋过滤风速按0.3m/min，甚至是0.266m/min设计选取，滤料选用耐受温度较高的材质;可考虑荒煤气入口采用合适的热交换技术(荒煤气放散技术在环保方面不可取)，煤气温度异常时，投入1/2或1/3或更少数量箱体运行;整个布袋除尘系统，推行部分除尘器箱体“轮换制”运行，分别检修，实现系统可靠经济运行。
4结论
通过成功运用干/湿法煤气系统在线相互切换控制技术，在湿法备用的工艺下，干法系统无需配置蓄热缓冲器、冷却喷水装置或荒煤气放散设施等温度设备。对现有大型高炉(特别是炉容3000m3以上的)保留湿法除尘工艺，进行干法除尘改造提供了有效的参考样例。高温煤气采用保护部分除尘器的控制技术，与低温煤气运行的布袋除尘控制技术相结合，对于大型高炉采用全干法除尘有很高的参考价值。
