唐杰民：电炉除尘系统二噁英抑制分析
电炉除尘系统二噁英抑制分析
这几年是电炉时期发展时期，电炉建设的高潮提前来临，有些政府和企业硬性规定用电弧炉替代长流程，想减少污染物排放总量。想法都是非常好的，如果有足够的废钢来源，价格合理经济效益好，电炉钢排放与长流程来说对环保有利，但是这种减量的排放是建立在过去的高炉为代表的长流程的基础上的，现在基础还不够，要需要长流程继续来创造钢铁存量，还要等待电炉钢发展的好条件到来。作者在姜曦的促进下，有点关心电炉方面的东西了，看到与电炉相关有用的文章就会用心看看，对大家有用就翻译出来，同时写点自己的想法。
作者2019年5月份翻译了美国《钢铁技术》2019年5月期刊中《电炉钢厂逃逸排放物检测措施和解决方法展望》< A Review of Available Measures and Methods for Determining FugitiveEmissions From Mini-Mill Meltshops>文章，这篇文章主要讲述电弧炉除尘环保中逸散排放物问题，电弧炉冶炼中必然从电极孔、炉门口、出钢口、炉盖与上炉壳间隙处等地冒烟，电炉车间的狗屋和屋顶大罩就是用来收集从电炉冒出来的烟气，加上对高位料仓、烘烤器、连铸中间包和翻包处的吸风罩形成的抽风成为二次烟气，屋顶大罩收集的主要的还是指电炉泄露出来的烟气羽流，同时带入大量的车间冷空气。二次烟气需要除尘系统收集处理，所以现在的电弧炉就装备有狗屋和屋顶大罩，用来捕集电炉外泄的烟气，保证车间厂房烟气尽可能全部收集，估计现在好的电炉除尘系统捕集率指标不低于97%。
作者从事过电炉生产，组织参与改造电炉除尘系统，有经验和教训的，20年前的环境保护意识不够强，特别对烟气中有害致癌物质没有引起高度重视，除尘的重点就是降低排放烟气中的粉尘。现在国民的环保意识逐渐增强，除尘系统必须全面考虑，从设计环节中就要开始做起，政府部门也应该具有清晰的环保指标和检测措施。作者在这里谈谈对电炉环保的一些认识：
1 一次烟气和二次烟气
一次烟气指的是从第四孔直接收集来的高温烟气，对于普通顶装料电炉来说就是从第四孔弯管进入到沉降室的烟气，对于康斯迪电炉就是经过康斯迪连接小车高温炉气，现在还有其它形式的电炉，和康斯迪电炉一样高温炉气预热废钢后进入沉降室的烟气。二次烟气一般指狗屋和屋顶大罩收集的烟气。一次烟气和二次烟气量的分配应该有合理的关系，过去对二噁英和呋喃等致癌物质认识不够，有的电炉厂只有屋顶大罩抽风除尘，这个理念就是单纯用来解决粉尘污染，上个世纪70年代后的装备水平较高的大电炉普遍采用了第四孔一次烟气收集，结合屋顶大罩和狗屋全面收集电炉冶炼中爆发的烟气，习惯上将一次和二次烟气处理系统的集成称为除尘系统，见图1所示电炉厂房外部的除尘管道系统，这里的一次烟气经过机力冷却器后降低温度，然后混入屋顶大罩烟气一起进入除尘器进行除尘处理。随着人们环保意识的不断增强，二噁英呋喃致癌的影响作用被公众所知，西方工业化国家上个世纪后期逐步开始安装了蒸发冷却塔来抑制二噁英的合成，使得电炉除尘系统真正走向全面环保的道路上来了。
图1 电炉车间屋顶大罩和烟气处理管道系统
现代人们环保意识也是在不断提高，对于电炉炼钢车间来说，不仅仅对电炉和精炼炉系统进行除尘处理，而且对所有产生烟尘工作地比如高位料仓，连铸中间包上方和火焰切割都有了处理要求，并且对氮氧化物的排放也摆在钢厂的面前了，作者认为环保指标和措施的制定就是公众意识和政府管辖与钢厂之间的一种平衡关系，也是随着经济的发展，人们不断提高环保意识，质疑钢厂排放，钢厂必须面对日益提高的环保呼声，采取有效措施来降低有害排放，这也是钢厂的社会责任，钢厂的工程师们和管理者必须具有环保担当的良心，政府部门必须当然其有效监管的责任，只有公众环保意识、钢厂社会责任和政府监管共同协调，才能达到一种新的平衡关系，才能做到绿色生产，来确保祖国的蓝天白云。
从高温分解二噁英到急冷抑制二噁英合成，需要高温一次烟气和对高温烟气激冷，有机挥发物在高温烟气作用下，持续一定时间将二噁英充分分解（比如2秒钟），然后在蒸发冷却塔中在水雾作用下迅速交换热量，使其在很短时间内（比如1秒钟）将烟气温度降至200℃以下，达到抑制二噁英重新聚合之目的。
一般一次烟气处理系统为第四孔负压抽风，水平进料的平熔池一次烟气是经过侧面康斯迪预热段通道，在流动烟气时候通过辐射热和对流传导传热加热废钢。中国大地目前没有投产的奥钢联的量子电炉和日本的生态电炉，我也没有见过两种电炉生产，对此没有实践生产经验，所以不能也不敢评说它们，本人仅仅有常规顶装料电弧炉和连续加料康斯迪电炉的生产经验，这两种形式的电炉一次烟气经过第四孔或者康斯迪预热段后进入沉降室，从设计上要求离开预热废钢的烟气要有两秒钟时间造成二噁英分解，一般来说电炉的沉降室设计相对具有较大的密闭空间，让高流速的一次烟气气流猛然释放降低流速，有充足的时间在沉降室内分解二噁英，然后从沉降室另一端出口进入到蒸发冷却塔。保持进入一次烟气温度至关重要，要求800℃以上的温度，从控制角度上看，这个值要放在850℃比较妥当。
保持一次烟气温度达到800℃以上进入蒸发冷却塔是充分考虑到二噁英完全分解，这是限制二噁英排放第一步，也是最为重要的两个工艺参数之一。为了达到这个温度，电炉除尘系统必须有所改变来适应这个要求。过去控制污染仅仅局限在除尘上，当今的环保要全面考虑大气污染各种污染物，对人类致癌产物二噁英给与了高度重视，这样才有了消除二噁英抑制它再次合成为害的要求，一次烟气必须处于高温阶段，为了保持在整个冶炼周期内达到环保要求的排放水平，必须对冶炼过程进行认真考虑，务必在电炉冶炼的排放烟气阶段达到较高水平：
防止野风的进入是保持一次烟气高温的一个重要措施，我十几年前看过一些电炉都没有注意这个问题，过去中国电炉基本没有烟气急冷设备，自然也谈不上抑制二噁英呋喃的功能了，当时电炉项目的污染治理就是除尘，设计上强调的是一次烟气的风量和压力，尽可能强调将电炉内爆发的烟气抽吸走，炉内负压相对较高，比如负压控制在-50Pa上。当今电炉针对二噁英排放严格控制，高温电炉烟气不仅仅分解二噁英，而且为蒸发冷却器急冷创造条件，所以要求电炉、预热段和烟道尽可能减少野风进入。理想状态下保持电炉临界负压操作，或者是微正压操作，即将炉内负压控制在-20~-70Pa（有些电炉厂家习惯使用毫米水柱来表达，即-2~-7mmH2O），将电炉冶炼爆发的绝大多数烟气通过一次烟气系统抽吸走，无论怎样冶炼过程中电极孔还是有一定的烟气溢出，即使平熔池工艺操作中，其烟气爆发也是相当惊人的，见图2所示。平稳过程中的电极孔烟气的溢出必须由狗屋来收集，见图3所示。
图2 康斯迪电炉在冶炼电极孔冒烟
图3 狗屋和屋顶大罩
防止野风进入最好的方法是炉内微正压或者微负压操作，在冶炼高峰期间，即吹氧喷碳和大电流操作时候，烟气爆发量很大，即使炉膛负压指示为一定负压数值，但是爆发的烟气马上使其变为正压，造成电极孔等间隙处冒烟，将一部分烟气外泄出去，此时一次烟道野风进入量较小。顶装料电炉第四孔与一次烟气管路接口处和康斯迪电炉连接小车与上炉壳连接处存在一定间隙，抽吸一次烟气必然也伴随着部分野风进入，见图4和图5。设计和使用过程中要尽量减小这个间隙，以确保一次烟气的温度不至于下降过快。
图4 第四孔与烟道之间的间隙吸入野风
图5 康斯迪电炉连接小车水冷盖与上炉壳入料口之间的间隙
要保持电炉的负压数值稳定，天上的一次烟气调节阀需要稳定准确的工作，根据炉内工况自动调节其开口度，从而控制炉内负压，图6是这个烟气调节阀。负压增加将造成电炉冶炼的大部分时间内，电炉处于抽吸冷风阶段，其实烟气的爆发加上高温烟气急剧膨胀，炉内的负压难以实现。康斯迪电炉炉膛负压测量点在连接小车上面水冷烟罩上，只能说是大致反映了负压情况，并不能完全代表炉内压力实际情况。冶炼过程中的吹氧喷碳和电极拉弧加热钢水造成的碳氧反应产生的烟气并不能完全被一次烟气通道吸走，必然有部分烟气从电极孔冒出。整个除尘系统一次二次烟气现在需要科学合理的考虑，其实排放达标就是生产企业与环保法规的一种平衡较量，从目前来看，除尘效果眼睛能够看的见，只要烟囱和厂房不冒烟大致可以达到粉尘排放要求，检测烟囱出口粉尘排放简单可靠，只要除尘系统设计合理，管理到位，及时更换报废除尘器布袋，就可以保证排烟粉尘达标。
一次烟气调节阀门要保持良好的工作状态，位于室外天上的电动执行机构需要有一个防护措施，防止日晒雨淋，这个阀是电炉工艺正常工作一个重要部件，也是除尘系统的重点设备，从设计、安装、巡检和维护上都需要做到位的。一次烟气调节阀见图6。
图6 一次烟气天上的0号调节阀
4 提高一次烟气进入沉降室温度
尽可能提高一次烟气的温度，这样才能保证进入到沉降室烟气充分燃烧分解二噁英，抵达蒸发冷却塔烟气温度高于800℃。技术措施是合理的炉内负压，减少野风的进入。一次烟气必须进行蒸发冷却，急剧给高温烟气在很短时间内降温，这涉及到蒸发冷却塔的设计和布置，为了减少烟气温度下降，我觉得蒸发冷却塔要尽可能靠近沉降室，而不能远离，有的钢厂将蒸发冷却塔布置在较远的距离，我怀疑烟道的温降将导致烟气不能达到要求的800℃以上。对于预热废钢效率很高的电炉，如果烟气温度下降较多，需要使用烧嘴将烟气温度提上来，以保证二噁英的分解和高温急冷抑制作用。
图7 一次烟气在康斯迪内沉淀下来的金属粒子
一定要使用蒸发冷却塔这种工艺技术，目前来看，只有这种技术能够快速有效经济地将温度从800℃以上的温度在一秒钟内降低到200℃。我不相信换热器的方式能够达到这样要求，虽然能够经过换热降低烟气温度低于200℃，但是温降时间长了，二噁英有充分时间来聚合的，这样做达不到苛刻环保要求的。我还是想呼吁电炉建设的厂家要上蒸发冷却塔这种实用有效的设备，为你们当地的百姓们多想想，至少要在沉降室旁边要预留蒸发冷却塔的位置，见图8所示。唐工有这个理念，没有环保意识的工程师在当代是不合格，我不能说领导，只能给工程师们讲讲。图7是一次烟气带出来的金属铁粒子，图9是一次烟气自然冷却器，使用这种设备造成一次烟气温度过低，二噁英能够在里面温降过程中聚合的，设计中必须考虑这个因素。
图8 紧靠沉降室的蒸发冷却塔
图9 一次烟气自然冷却器
5 加快电炉冶炼节奏
加快电炉冶炼节奏，现代电炉冶炼节奏越来越快，20年前能够日产30炉就是非常不错的指标了，现在的电炉出钢到出钢的时间越来越短，70吨康斯迪电炉能够日产40炉，最高能够达到44炉。而120吨康斯迪电炉也能够保持在日产35炉的水平上，估计不太长的时间内就能够突破40炉。电炉冶炼周期的缩短，也大大提高了一次烟气的温度，有利于废钢的预热和烟气的蒸发冷却抑制二噁英的聚合，这也是现代大电炉特点，产能大，烟气爆发量大，所以对电炉除尘系统提出了新的要求，见图10。
图10 狗屋内烟气上升相当于导流罩
康斯迪电炉相对于料篮加料来说冶炼平稳，废钢以可控的运动速率跌入平熔池电炉中冶炼，说产生的高温烟气较为均匀温度，这就为稳定地蒸发冷却抑制二噁英合成创造了最为有利的条件，如果烟气温度不够，必须添加烧嘴来提高烟气温度，才能达到蒸发冷却烟气抑制二噁英的目的，猜想其它形式的电炉可能需要添加烧嘴来达到这个要求。
电炉兑入铁水冶炼，不仅仅能够稀释钢中的有害残余元素，能够充分利用铁水的物理热，降低电炉的电耗。但是铁水的加入造成一次烟气爆发量大，而且烟气的温度明显发白升高，需要对一次烟气通道给与高度重视，对于连续加料的康斯迪电炉预热段盖子就是一个热冲击，高铝砖砌筑预热段盖子寿命不长，而且钢板往往都有损坏的现象。唐工在无锡雪丰工作的时候，那个时候我们受到供电等环节的影响，变压器也小，最高日产只有33炉，由于冶炼周期较长，预热段盖子能够达到5年以上的使用寿命，现在的节奏和条件不一样，对预热段盖子要给与高度重视，我认为可以使用水冷件盖子，在水冷件盖子里面砌筑高铝砖，从而提高预热段盖子的寿命。电炉兑入铁水，其烟气爆发量大于全废钢冶炼，需要在除尘系统的设计上要充分考虑，留有一定的余量，这也是中国特色电炉兑入铁水后形成的经验吧。
电炉烟气从电极孔等处的逸散逃逸是必然的，为了保持一次烟气高温，也不需要强烈负压抽风，避免野风混入降低烟气温度，逸散的烟气由狗屋和屋顶大罩收集处理。现代大电炉需要上狗屋，无论是什么形式的电炉，狗屋对于收集逸散烟气最为有效，而且也能够减少车间噪音。我认为电炉从电极孔等逃逸出来的烟气能够占到一次烟气量的10%左右，这个烟气量包含的二噁英是不能分解处理的，将是随着二次烟气除尘系统进入除尘器中，布袋消除一部分，其余排放进入大气之中。图11表现的是电炉出钢时候的烟气外溢，图12表现的是炉盖上加料口和电极孔冒烟。
图11 电炉出钢烟气
图12 炉盖加料口冒烟
8 检测二噁英
8.1 二噁英检测位置
检测二噁英和呋喃的地点和时机：首先看一次烟气是否构成单独的排放系统，如果是独立除尘处理系统，在此处来进行检测，排放指标就难以达到苛刻的环保指标。如果与二次烟气混合排放，那就大大稀释了二噁英呋喃的浓度，就有可能达到和接近指标要求，所以在制定环保检验法规上面需要分清楚具体情况，不能一概而论。我觉得应该是从总量来控制比较客观。从除尘器出去的一次烟气比如是小时10万标立，二次烟气量大约为100万标立，单独对一次烟气检测排放的污染物就难以达标，经过混风后污染物浓度就只有十分之一了。
8.2 二噁英检测时机
再则就是在电炉什么阶段上进行污染物排放检测，对于顶装料常规电炉，是在料篮加料进入炉内形成的低温烟气时候进行检查的话，估计很难过关，见图13。在正常冶炼中高温烟气经过蒸发冷却塔后可以达到较低的排放量。连续加料康斯迪电炉相对就稳定的多。有人向我提出这样的问题，康斯迪在预热段加热废钢，其预热的温度并不高，这样的二噁英就没有办法分解了，我的回答是康斯迪预热段虽然对废钢预热的温度不高，但是进入到烟道内的低温烟气与高速流动的高温烟气通过预热段盖子和沉降室，经历2秒以上的充分混合燃烧，只要温度和时间达到要求，就能够完全分解二噁英，然后在蒸发冷却塔内急冷，达到抑制二噁英重新合成。恰恰是康斯迪连续加料的特点，造成了这种类型的电炉烟气量比其它形式电炉要稳定的多，给除尘系统和环保系统的正常运行创造平稳的条件。平熔池操作的这种特点也为其它电炉厂家采纳和继承，和康斯迪电炉一起形成了平熔池操作的主流形式，想必是今后电炉发展的方向，我们都来迎接它们的到来吧。
图13 顶装料形式电炉加料后的烟气爆发
电炉出钢后的准备时间烟气量很小，见图14，如果此时提取排放气体进行检查就不能客观反映实际情况了。图15表现的兑入铁水后通电，烟气爆发阶段情形，应该在这个时候提取气体样本来分析，给出评价指标。
图14 康斯迪电炉准备通电期间烟气基本无二噁英
图15 冶炼时候爆发的烟气
8.3 二噁英的检测分析
目前对二恶英检测的化学分析方法主要是气象色谱与质普联机法(GC/MS)。化学分析方法使用GC/MS气象色谱与质普联机法，其准确度是最高的，是国际上承认的标准方法。检测一个点的费用3万左右，平均周期半个月。
但是二噁英呋喃排放肉眼是看不见摸不着的，加上检测难度大、分析时间长和费用较高，需要专业队伍来进行检测，所以目前电炉行业较少检测这个项目，即使检测往往也都是在各种条件处于良好状态下抽取试样，不一定能代表电炉冶炼总体工况的排放水平，假如没有责任和良心，没有环保之心，那就是另外一回事了，也就没有动力来改进。如果有一个连续在线检测方式那就好了，作者孤陋寡闻，不知是否有这种检测仪器。
当前冶炼钢铁使用的大电炉一哄而上，都以为只要上了电炉就可以比长流程降低多少排放污染物了，电炉短流程的形成是废钢积蓄到一定程度时候的必然过程，中国大陆电炉建设的高峰提前来到了，到也不见得不行，但是环保还是必须强调的，西方工业化国家走过的弯路我们要警惕，他们好的经验和措施要吸取的，并不是因为他们是资本主义国家就认为他们必然不如中国。
一次烟气处理系统不可能完全抽吸电炉内爆发的烟气，必然有烟气泄露出去，现代大电炉除尘系统不仅仅是除尘，必须考虑尽可能减少二噁英和呋喃的排放，所以对除尘系统提出更高的要求。
作者水平有限，也不是专业的除尘环保工程师，在无锡雪丰工作的时候，由于电炉干的还行，得到电炉界一些人的错爱，来人参观不断，经常有老外来仔细看我们的生产和环保，认为是世界上最干净的电炉，我知道他们是吹捧的，但是在那样狭小的二手厂房内高节奏有条不紊的组织生产也是不容易的，各项设备始终处于完好的工作状态之中，无锡雪丰的工程师队伍和职工队伍是勤奋努力的，有一股一定要把事情干好的精神和热情，也是想让让大家看看我们民企农民兄弟二哥也是能够掌握世界先进技术的。杨斌工程师在邯郸永洋创造的成绩是我们学习的榜样，周宏青环境工程师对于整个电炉供水供气，除尘系统的高水平设计和工作，使得无锡康斯迪电炉在那个年代处于优良的环保水平上，无锡雪丰庆幸当时有一批优秀的工程师和职工队伍，他们高水平的工作和成绩是企业的骄傲，他们至今分散在祖国大地，继续他们的康斯迪电炉职业梦想。
作者写这个文章是从现场工程师的角度上来看待除尘和环保的，毕竟不够专业，不对之处请大家给与指正。在此感谢红旗除尘设备厂周宏青工程师高水平的指导。
作者是一个书呆子，仅仅针对事情，从来不针对人的，对其它形式的电炉也不熟悉，欢迎大家对技术问题进行商讨，祖国的电炉形式五花八门，今年大概就有量子电炉和生态电炉等投入运行，就更加能够多彩的商讨，我只有一个愿望，希望所有的电炉厂都好，都能够达到高水平的生产，同时对祖国的蓝天白云和青山绿水做出自己的承诺。
还要感谢姜曦的鼓舞，使我重回到电炉领域来看看，分出部分精力关心电炉冶炼，米帝的《钢铁技术》是一个工程类的杂志，应该是面向工程师队伍的，加上美国的电炉钢占主导地位，电炉钢方面的交流材料总是有的，我觉得从事冶炼的还是工程师多，所以看到好文章就翻译出来给大家看。
本文是随手写的，格式不够正规，没有成名成家的想法，只要大家看的觉得有点用就行了。没有高大上，只有低小下，毕竟仅仅是一个现场工程师，讲点具体的小事情，水平有限，请大家不要见笑。
文章翻译恰好完成于北京电炉大会召开前夕，不能干扰组织和大家，所以等到会议胜利结束后发送给大家。
2019年5月下旬写于安徽黄山屯溪。
一、会议时间、地点及报告内容
部分特邀嘉宾及报告内容：
1、中国电炉钢产业的现状及未来发展趋势
7、基于平熔池设计的全废钢电炉冶炼过程中的废钢熔化规律研究
钢铁研究总院高工、废钢铁分会副秘书长 上官方钦；
9、宝钢电炉生产实践及研究
宝山钢铁股份有限公司中央研究院能环所首席研究员 李咸伟;