不锈钢冶炼过程中不同成分粉尘分离的方法及系统

摘要

本发明公开了一种不锈钢冶炼过程中不同成分粉尘分离的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)第一级重力除尘，在负压或真空的条件下将不锈钢冶炼出炉烟气引入重力沉降室，分离炉渣粉尘；2)第二级除尘，在负压或真空的条件下，将经过第一级重力除尘处理后的烟气引入旋风除尘器，分离镍铬粉尘；3)将经过第二级除尘的烟气燃烧后，再进入第三级布袋除尘，捕获铅锌粉尘。本发明还公开了一种基于不锈钢冶炼过程中不同成分粉尘分离方法的粉尘分离系统。采用本专利能实现不同成分粉尘的有效分离，以便充分回收利用粉尘中金属，有利于环境保护，降低冶炼生产成本，以较小的投入取得较好的经济效益。

说明书

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种在不锈钢冶炼过程中分离不同成分粉尘的方法及系统。

背景技术

不锈钢冶炼过程中产生大量冶炼粉尘，炼钢粉尘的处理成为钢铁行业所面临的世界性难题之一。粉尘中含有镍、铬、镉、铅、锌等多种重金属，粉尘填埋弃置时其中的重金属易被雨水或地下水浸出，会对环境造成不利影响。我国目前对于不锈钢粉尘的处理，只是将粉尘简单堆放于环境之中，易造成污染，且尘中含大量的镍、铬等我国匮乏的金属资源。中南大学通过大量的研究开发出不锈钢冶炼粉尘直接回收技术，即将粉尘与还原剂混合制粒后返回炼钢炉，利用炼钢炉内的高温条件将粉尘中的镍、铬、铁等有价金属还原回收于不锈钢母液之中，该技术不仅保护环境同时可回收粉尘中金属资源。但要实施不锈钢冶炼粉尘的直接回收工艺，必需分离出不同成分的粉尘，仅将高镍、铬含量的粉尘直接还原回收，这样可避免铅、锌、硅、钙、镁等在系统中循环积累造成炼钢炉况恶化而影响正常生产。

现有技术中，将不锈钢冶炼烟气经烟道冷却降温后再采用袋式除尘器捕集烟气中的粉尘，获得的粉尘中含有炉渣、钢液和铅锌等多种物相成分，给进一步的金属回收造成困难。若通过除尘系统的改造和控制烟气处理条件，在冶炼过程中分离不同成分粉尘，可便利粉尘的进一步回收和处理。而现有技术中还缺乏针对不锈钢冶炼烟气中不同成分粉尘的分离技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种不锈钢冶炼过程中不同成分粉尘分离的方法及系统，利用膜滴、喷射液滴物理化学特性的差异和铅、锌及其氧化物的蒸汽压的差别，获得炉渣粉尘、镍铬粉尘和铅锌粉尘，从而达到不同成分粉尘分离的目的。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种不锈钢冶炼过程中不同成分粉尘分离的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)第一级重力除尘，在防止空气进入的条件下，将不锈钢冶炼出炉烟气引入重力沉降室，分离炉渣粉尘；烟气进入重力沉降室的温度为1000～1400℃；

2)第二级除尘，在防止空气进入的条件下，将经过第一级重力除尘处理后的烟气引入旋风除尘器，分离镍铬粉尘；烟气离开旋风除尘器的温度为960～1000℃；

3)将经过第二级除尘的烟气燃烧后，再进入第三级布袋除尘，捕获铅锌粉尘。

在所述步骤1)中，控制烟气在重力沉降室断面上的临界流速为0.2～0.8m/s。在所述步骤2)中，控制烟气进入旋风除尘器流速为15～25m/s，进入旋风除尘器的烟气含尘浓度低于200g/Nm³。

所述的布袋除尘是将燃烧后的烟气通过袋式除尘器，其过滤速度v＝1～2m/min，控制烟气温度为高于露点温度30～50℃。

电炉炼钢时采用第四孔排烟的方式，对烟气保温。

本发明所涉及的一种不锈钢冶炼过程中不同成分的粉尘分离系统，其特征在于：包括重力沉降室、旋风除尘器、燃烧室和袋式除尘器，所述重力沉降室的入口连接炼钢炉的排烟管道，所述的重力沉降室、旋风除尘器、燃烧室和袋式除尘器通过管道依次串接，其中炼钢炉、重力沉降室、旋风除尘器均为防止空气进入的封闭连接。

连接炼钢炉、重力沉降室、旋风除尘器的排烟管道采用保温材料和耐火材料，所述的重力除尘器内衬耐火材料，所述的旋风除尘器内衬耐火材料或采用陶瓷材料。

所述的重力沉降室的高度H、长度L、颗粒沉降速度v_s和烟气流速v₀满足以下关系：H＜L*v_s/v₀。

作为改进，旋风除尘器为2N个，分为两组并联使用，每组N个串联，其中N为正整数。

作为改进，所述的燃烧室设置有强制送风系统或自然进风活套调节装置，所述的燃烧室安装有用于检测烟气中CO浓度的传感器和用于控制所述强制送风系统或自然进风活套调节装置的控制器，该传感器输出信号到所述的控制器。

所述的袋式除尘器的滤袋的总过滤面积F＝Q/60v，Q为烟气流量。

本发明的技术原理如下：

通过不锈钢冶炼生产实践观察和收集的不同成份粉尘分析研究中发现，从冶金炉内由热气流带出的钢液和炉渣熔体有如下四种形式：

①冶炼过程加入的物料直接被热气流带出，如补充的造渣剂和喷入的煤粉等，这些粉料通常以固体颗粒的形式直接进入除尘系统。

②低沸点金属的挥发，如入炉料中铅、锌、镉等金属被还原后在局部的高温区或吹氧区挥发进入除尘系统。

③在冶金炉内因剧烈的搅动，熔池内的熔体被搅起以小液滴进入烟气。

④不锈钢冶炼脱碳产生大量的CO气泡，气泡表面携带的熔体在气泡于熔池表面破裂时带出炉体而进入除尘系统。

在以上四种粉尘产生的方式中，热气流直接带出约占8％(质量分数，下同)，低沸点金属的挥发约占27％，CO气泡破裂贱出的液滴约占60％，剧烈搅动带出的液滴占5％。在有效控制冶炼过程操作条件时，固体颗粒直接飞出的部分相当少，部分溅射出的较大的液滴将在重力的作用下返回熔池，因此由于CO气泡的破裂而产生的粉尘为其主要部分。

气泡的破裂过程可分为三个不同的阶段，粉尘分别以两种不同的形式产生。当气泡存在于不锈钢冶炼熔体之中时，气泡逐渐上升并携带部分熔体液膜，此液膜在气泡上升时逐渐变薄，最终达到炉渣熔体表面，进一步随气泡的破裂产生粉尘，其过程参见图1a)。

存在于不锈钢冶金熔体表面的气泡液膜的厚度减小至某一临界尺寸时，气泡将以图1b)的方式破裂并且气泡液帽将分裂为细小的膜滴(film drops)，气泡的大小与膜滴的数量和直径有关，膜滴的数量正比于气泡液膜的表面积，而膜滴的直径在0.3～50μm之间分布。气泡破裂后的一瞬间在液态炉渣熔体表面留下坑洞，由于周围熔体的涌入将产生向上方向的不稳定瑞利(Rayleigh)喷射，从而产生喷射液滴(jet drops)(见图1c))。一般一个气泡破裂产生的喷射液滴的数量不会超过10滴，并且随着气泡尺寸的增大而数量还将减少，喷射液滴的直径通常为0.1～0.18倍气泡直径。

除尘系统中的炼钢粉尘有两种形成机理。第一种机理为非均相沉积，即挥发的金属沉积于进入除尘系统的固体颗粒表面，为保持炉尘具有较低的表面能，绝大多数金属沉积以这种方式进行，因此炉尘中较小的颗粒逐步机械集聚为较大的颗粒，颗粒直径可达800μm。这一集聚过程依靠颗粒的静电引力完成。第二种机理为均相形核与长大，当没有足够的固体颗粒以第一种机理集聚时，挥发的金属均相形核，通过气相物质间的碰撞粘附完成长大。当颗粒长大至0.02～1.0μm后，按第一机理机械集聚形成粉尘。

因此，通过现有除尘系统的改造，将目前的一级袋式除尘改为重力沉降室、旋风除尘器、袋式除尘器三级除尘，可实现不同成分粉尘的分离。喷射液滴尺寸较大，其主要成分为炼钢炉渣，将沉积于重力沉降室中。膜滴尺寸较小，其主要成分为不锈钢母液，将沉积于旋风除尘器中。烟气经过前面两级除尘后引入空气，铅锌氧化并最终沉积于袋式除尘器中。

本发明不锈钢冶炼过程不同成分粉尘的分离是在大量理论和实验研究的基础上提出的，实现本发明的技术方案是控制烟气温度和逐级分离，实施本专利分别获得炉渣粉尘、镍铬粉尘、铅锌粉尘，其具体步骤包括：

1)炉渣粉尘的分离

不锈钢冶炼出炉烟气温度为1200～1400℃，电炉炼钢时采用第四孔排烟的方式，同时对烟气保温并防止空气的大量进入，烟道采用耐火材料，控制烟气温度高于1000℃。这时烟气中存在有颗粒直径大于50μm的喷射液滴、颗粒直径小于50μm的膜滴、气态形式的铅锌等蒸气、少量的炉料加入被热气流带出的颗粒、以及大量的CO和N₂气体，将该烟气引入内衬保温耐火材料制作的重力沉降室，烟气在重力沉降室内停留一段时间使其中的大颗粒喷射液滴沉降下来，该喷射液滴主要为炉渣成分。因此，通过第一级除尘分离获得炉渣粉尘。

2)镍铬粉尘的分离

经过第一级重力除尘器处理后的烟气引入第二级除尘装置，第二级除尘采用旋风除尘器，该除尘器采用耐火材料作为内衬或陶瓷旋风除尘器，仍然要求烟气温度控制在1000℃以上并防止空气进入除尘系统，这时烟气中颗粒直径为5～50μm的膜滴沉降下来，该膜滴主要为不锈钢母液成分，从而通过第二级除尘分离获得镍铬粉尘。

3)烟气燃烧

经前面的两级除尘后的烟气主要成分为：CO、N₂、铅锌蒸气、小于5μm的膜滴固体颗粒，为防止该烟气在采用袋式除尘器处理时烧布袋和发生爆炸，必须降低烟气温度和烟气中CO浓度。将该烟气引入燃烧室燃烧，使烟气中的CO与空气中的O₂反应转变为CO₂，然后引入冷风降低烟气温度。烟气的燃烧和冷风的引入将导致烟气中的锌蒸气氧化，使其转变成为ZnO，部分ZnO颗粒将于小于5μm的膜滴上非均匀的方式形核与长大，部分ZnO颗粒将均匀形核与长大。与此同时，膜滴中的其它金属也将被进一步氧化而转变为氧化物。

4)铅锌粉尘的分离

最后，将烟气引入袋式除尘器捕集烟气中的细小粉尘颗粒和氧化锌颗粒，控制烟气温度高于露点温度30～50℃防止结露对设备造成腐蚀，采用纤维滤袋分离获得铅锌粉尘。所收集的粉尘绝大部分为粒径小于20μm的细小颗粒，其中少部分为粒径仅几百纳米的ZnO单晶体颗粒，该ZnO单晶体颗粒存在于粉尘颗粒的表面。细小粉尘颗粒均为球型，粒径范围在0.2～20μm之间，可分类为三种不同类型。第一种类型为均匀的球型颗粒，其粒径为2～3μm，化学成份为炉渣或钢液。第二种类型为非均匀的球型颗粒，这种颗粒表面沉积许多锌，并且含有铁成份埋藏在玻璃相中。第三种类型为纯氧化锌和氧化铅细小颗粒。

本发明的有益效果有：

(1)能实现不同成分的粉尘分离。采用三级除尘方式，通过第一级重力沉降除尘分离出炉渣粉尘，通过第二级旋风除尘，分离出镍铬粉尘，通过第三级袋式除尘，分离出锌铅粉尘。

(2)通过辅助设备保障分离过程的安全性。在燃烧室安装有用于检测烟气中CO浓度的传感器和用于控制所述强制送风系统或自然进风活套调节装置的控制器，该传感器、控制器和强制送风系统或自然进风活套调节装置组成了CO浓度控制系统，能有效防止爆炸事故发生。

(3)有效除尘，有利于环境保护。本粉尘分离方法和系统采用三级除尘方式，能对烟气中的粉尘有效清除，减少了排入大气中的粉尘，有利于环境保护。

(4)成本低，投入小，经济效益好，易于实施。本发明充分利用现有设备，成本低，投入小，易于推广和实施。另外，对粉尘中的金属进行有效回收具有显著的经济效益。

附图说明

图1为气泡在熔体表面破裂过程示意图，其中a)气泡存在与熔体表面之下的示意图，b)液膜破裂示意图，c)液滴喷射示意图；

图2为本发明的实施例2所对应的不锈钢冶炼过程中不同成分的粉尘分离系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1：

不锈钢冶炼过程中不同成分粉尘分离的方法，其步骤包括：

(1)采用内衬耐火材料的重力沉降室作为第一级除尘，耐火材料采用氧化镁砖或氧化铝砖，控制烟气进入重力沉降室的温度高于1000℃以上，控制烟气在沉降室断面上的临界流速在0.2～0.8m/s的范围，沉降室的压力损失为50～100Pa。沉降室设计中，控制沉降室最小长度L_min＝Hv₀/v_s或沉降室高度H＜Lv_s/v₀，沉降室宽度W＝Q_t/v₀H，其中：Q_t为工作状态下的烟气流量(m³/s)、L为沉降室长度(m)、H为沉降室高度(m)、v₀为烟气通过沉降室断面的流速(m/s)、v_s为烟气中固体颗粒在重力作用下的沉降速度(m/s)。设计中必需将标准状态下的烟气流量Q₀换算为工作状态下的烟气流量Q_t，其换算方法为：

$Q_t=Q_0\frac{\mathrm{TP}}{273B},$式中T为烟气温度、P为标准大气压、B为当地大气压。

(2)采用内衬耐火材料的旋风除尘器作为第二级除尘，耐火材料采用氧化镁砖或氧化铝砖，旋风除尘器采用XLP/B型，也可采用陶瓷旋风除尘器，该除尘器由陶瓷旋风体、陶瓷旋风子，陶瓷排气管和陶瓷导向器组成。旋风除尘系统共设置六个旋风除尘器，分为两组并联使用，每组三个串联。控制烟气进入旋风除尘器的温度高于960℃以上，控制烟气进入旋风除尘器流速在15～25m/s的范围，控制进入旋风除尘器的烟气含尘浓度低于200g/Nm³，每个旋风除尘器的压力损失为600～2000Pa。旋风除尘器设计中，筒体直径不得小于200mm，内筒排气管直径不得小于50mm，圆筒段高度为筒体直径的1.5～2倍，圆锥段高度为筒体直径的2～2.5倍。

(3)燃烧采用普通燃烧室，在燃烧室设置氧油烧嘴、空油烧嘴或煤气烧嘴，当烟气温度在610℃以下时烟气中CO不具备自燃条件，为保证烟气中CO和喷入燃料的充分燃烧，燃烧室设置强制送风系统或自然进风活套调节装置，送入的空气量按燃烧每立方米CO供给0.5m³的氧气、即2.83m³的空气计算，燃烧室内的CO燃烧反应时间按1～2s考虑。燃烧室的结构形式采用钢铁结构内衬保温材料，燃烧室底部存灰可采用灰斗或矩形落地存灰形式，灰斗存灰的出灰通过高温卸灰阀，矩形落地存灰的出灰方式采用铲车铲灰。燃烧室本体考虑气体燃烧膨胀后的防爆泄压，泄压面积和爆压力留有足够的安全保障，燃烧室采用在线检测烟气中CO浓度，通过调节供给燃烧室的空气量使燃烧室内的CO气体完全燃烧，保证进入后部设备的烟气中CO浓度远远低于爆炸极限浓度，防止发生爆炸事故。

(4)第三级除尘采用标准的袋式除尘器，可选择机械振打袋式除尘器、反吹风袋式除尘器、脉冲袋式除尘器、扁袋式除尘器，滤袋材料采用涤纶纤维、涤纶针刺毡、玻璃纤维等。控制袋式除尘器的过滤速度v＝1～2m/min，控制烟气温度在露点以上30～50℃的范围，滤袋的总过滤面积F＝Q/60v(Q为烟气流量)，压力损失控制在800～1600Pa之间。

实施例2：

如图2所示，一种不锈钢冶炼过程中不同成分的粉尘分离系统，包括重力沉降室、旋风除尘器、燃烧室和袋式除尘器，所述重力沉降室的入口连接炼钢炉的排烟管道(第四孔排烟)，所述的重力沉降室、旋风除尘器、燃烧室和袋式除尘器通过管道依次串接，其中炼钢炉、重力沉降室、旋风除尘器均为防止空气进入的封闭连接。连接炼钢炉、重力沉降室、旋风除尘器的排烟管道采用保温材料和耐火材料，所述的重力除尘器内衬耐火材料，所述的旋风除尘器内衬耐火材料或采用陶瓷材料。所述的重力沉降室的高度H、长度L、颗粒沉降速度v_s和烟气流速v₀满足以下关系：H＜L*v_s/v₀。旋风除尘器为6个，分为两组并联使用，每组3个串联。所述的燃烧室本体考虑气体燃烧膨胀后的防爆泄压，泄压面积和爆压力留有足够的安全保障。所述的燃烧室设置有强制送风系统或自然进风活套调节装置，所述的燃烧室安装有用于检测烟气中CO浓度的传感器和用于控制所述强制送风系统或自然进风活套调节装置的控制器，该传感器输出信号到所述的控制器。由上述传感器、控制器和强制送风系统或自然进风活套调节装置组成一个控制系统，用于通过调节供给燃烧室的空气量使燃烧室内的可燃气体(CO)完全燃烧，保证进入后部设备的烟气中CO浓度远远低于爆炸极限浓度，防止发生爆炸事故。所述的袋式除尘器的滤袋的总过滤面积F＝Q/60v，Q为烟气流量。