钢铁窑炉烟尘细颗粒物超低排放技术与装备

姚群，柳静献，蒋靖坤

（1.中钢集团天澄环保科技股份有限公司，武汉 430205；2.东北大学，沈阳 110004；3.清华大学，北京 100084）

1 概述

我国钢铁年产量8亿吨，世界排名第一。钢铁行业是产生PM2.5细颗粒物的重点行业，企业粉尘排放普遍超标，成为制约行业发展的突出性问题和短板[1]。目前，京津冀及周边地区“2+26”城市钢铁行业已执行大气污染物特别排放限值，部分省市已开始实行超低排放，要求颗粒物排放浓度低于10mg/m3，这意味着钢铁企业均面临着环保提标改造问题，迫切需要PM2.5细颗粒物高效控制技术和净化装置，并构成重大市场需求。

我国目前尚缺乏针对PM2.5细粒子高效控制技术及高效过滤材料和净化装置，在此背景下，“十二五”期间，国家科技部设立了国家“863”钢铁窑炉烟尘PM2.5控制技术与装备课题，经过五年的科技攻关，窑炉烟气细颗粒物超低排放技术和应用上取得重大突破，研究成果得到了工业应用快速转化和产业化，示范工程投运三年表明，所研发的预荷电袋滤技术和装置性能稳定，运行可靠，颗粒物排放浓度＜10mg/m3、设备阻力700～950Pa、运行能耗降低40%，实现了超低排放和节能运行。鉴定专家认为，该成果在预荷电袋过滤器、超细面层精细滤料等方面取得了创新突破，核心技术达到国际领先水平。该成果荣获2017年度“环保部环境保护科学技术奖二等奖”。

2 研究内容与成果

与非钢行业的工业烟气相比，钢铁窑炉烟尘具有粒径超细、温度高、烟气量大、腐蚀性强和工况剧烈波动等鲜明特征，治理难度较大。传统的袋式除尘技术、装备和材料难以实现PM2.5超细粒子的高效捕集和超低排放。课题重点在强化PM2.5捕集的预荷电技术、超细面层精细过滤材料、预荷电袋滤器、工业烟道PM2.5工况测试和示范工程等方面开展了研发，并取得了创新突破。

2.1 粉尘预荷电技术与装置

粉尘预荷电是强化细颗粒物高效捕集的核心技术[2]。利用电场放电技术促使细微粒子荷电，荷电后的粉尘在滤袋表面形成疏松多孔海绵状的粉饼，细颗粒物也明显团聚呈蘑菇状，气体过滤时，这种特殊的粉饼结构可提高细微粒子的筛分、扩散、静电等效应，从而提高捕集效率，同时由于粉饼的透气性好，可降低过滤阻力。粉饼预荷电对比实验见图1。

图1 粉尘预荷电粉饼结构对比

开展粉尘预荷电过滤性能实验，测试结果表明，同等条件下，粉尘荷电后捕集效率可提高15%～20%，过滤阻力可下降20%～30%（见图2）。

图2 粉尘预荷电过滤性能对比试验

通过研发，确立了预荷电装置的结构、板线配置、供电方式和设计参数等，完成了工业装置制造（图3），并实现了工程示范和应用。预荷电装置体积小，荷电效果好，安装在袋式除尘器入口。

图3 粉尘预荷电装置

2.2 PM2.5超细面层精细滤料

过滤材料是袋式除尘的核心部件，直接关系着袋式除尘的捕集效率和排放浓度。常规滤料无法高效捕集PM2.5细微粒子，难以满足超低排放的要求。

研究表明，过滤材料的纤维直径越细，单位体积中的纤维越多，孔径越小孔越密，对细微粉尘的捕集能力越高，滤料阻力越低。因此，欲提高PM2.5细颗粒物捕集效率，其核心在于研发超细纤维，即海岛纤维，并增加滤料接尘面的致密度。

“海岛纤维”超细纤维（见图4），其直径小于0.08旦，纤维直径是普通纤维的1/26；在此基础上完成了超细高密面层三维梯度滤料结构设计（见图5），研制了基于海岛纤维为面层的表面超细梯度滤料（见图6），使其具有表面过滤功能；攻克了不同纤维混纺时的可纺性难题，研制出滤料产品，并实现了产业化。

图4 海岛纤维

图5 超细面层精细滤料结构

图6 超细面层精细滤料

对海岛纤维超细面层滤料进行了性能测试[3]，测试表明，滤料经向强度为1378N，纬向强度为1414N；对清洁滤料分级效率进行测试（见图7），PM2.5的捕集率达96.9%；将海岛滤料与常规滤料在同样条件下进行对比测试（见图8），可以看出，常规滤料对2.5μm粒子捕集计数效率在80%左右，而海岛滤料在96.9%以上，海岛滤料效率比常规滤料高出16%。

图7 海岛纤维滤料分级效率

图8 海岛滤料与常规滤料过滤性能比较

2.3 复合式预荷电袋过滤器

该项成果实质上是将预荷电技术、超细面层精细过滤材料、袋式除尘器、气流分布技和清灰技术等有机组合，并形成一体化装置[2]。针对传统除尘器存在的结构复杂、运行阻力高、阀门故障多、漏风率较高等问题，对传统袋式除尘器结构进行了创新改造，研制了直通均流式袋式除尘器新型结构（见图9），其优点表现在结构简单、流程短、流动阻力低、滤袋寿命长等。运行能耗可降低40%，故障率下降70%。

粉尘预荷电装置体积较小，可设置于除尘器喇叭口内，从而减小设备占地和体积。传统的袋式除尘器是单排滤袋强力喷吹的清灰方式，清灰强度缺乏调节，往往因清灰过度，导致细粒子穿透滤袋而逃逸，从而降低了PM2.5捕集效率，同时滤袋表面粉饼过度破碎，也不利于粉尘沉降，滤袋寿命也有所降低。为此，发明了一种全新的“一阀多喷”清灰装置，较好地解决了喷吹强度的调节问题。

图9 预荷电袋滤器外形图

2.4 烟道PM2.5工况测试技术与装置

工业烟道PM2.5细颗粒物工况测试包括烟道含尘浓度、烟尘采样、粉尘粒径分布等测试内容，主要用于除尘装置捕集总效率、分级效率和PM2.5排放量的计算。由于PM2.5测试的特殊性和难度，目前我国尚缺乏工业烟道PM2.5细粒子工况测试仪器、手段和方法，不同的操作人员用不同的仪器会得出不同的测试结果。

为此，在评估了国内外已有固定源烟气细颗粒物采样方法和仪器的基础上，通过比选，提出适合国情的超细粒子（<2.5μm）粒径分布测定、采样方法和采样器结构，研制了PM10/PM2.5双极虚拟撞击采样器[4]（见图10），完成了标定和修正。规范了固定源烟气细颗粒物的浓度、捕集效率和分级效率的测试和计算方法，开展了示范工程PM10/PM2.5效率测试（见表1）和除尘器进口烟道粉尘粒径分布测试（见图11），实现了工业应用。

图10 双极虚拟撞击采样器

表1 预荷电袋过滤器PM2.5/PM10/总效率测试结果

图11 除尘器进口粉尘粒径分布

3 示范工程与工业应用

研究成果得到了工业应用快速转化和产业化。2014年12月在鞍钢炼钢总厂2台180t转炉烟气净化项目上建成示范工程，处理风量为2×60万m3/h。示范工程投运三年来，装置运行可靠，性能稳定，经第三方等机构多次测试，颗粒物排放浓度4～9mg/m3，PM2.5捕集效率＞99%，设备阻力700～950Pa，与传统袋式除尘器相比，运行能耗降低40%，实现了超低排放和节能运行。目前，该“863”新成果为钢铁企业提标改造提供了技术和装备的支持，鞍钢、山东日照钢铁（见图12）、新余钢铁、方大特钢、河钢等均采用了该项技术，并给予了充分肯定和高度评价。

图12 预荷电袋滤器工程应用

4 环保、经济和社会效益

4.1 推动我国PM2.5控制技术进步

预荷电袋过滤技术装置、超细面层滤料和PM2.5工况测试技术是控制烟气细颗粒物的有效手段，是国家倡导的具有原始自主创新的技术和装备，该技术和装备具有对钢铁行业窑炉烟气中细颗粒物捕集效率高、节能显著、运行稳定和维护方便等优点，促进了我国大气污染控制的技术进步，提升了我国PM2.5控制技术的核心竞争力。

4.2 解决钢铁行业的突出问题，环境效益显著

钢铁行业执行特别排放和超低排放是形势所迫，是目前普遍存在的突出问题，该成果可为企业提供一种技术先进、节能显著、运行稳定的技术装备，及时满足了企业提标改造的市场需求。成果的应用将使颗粒物排放浓度从当前的30～40mg/m3下降至10mg/m3以下，PM2.5排放总量削减约75%，运行能耗降低40%以上，环保和节能效益显著。

4.3 经济效益显著，促进产业发展

将预荷电袋过滤技术与传统袋式除尘器进行技术经济比较（处理风量均按60万m3/h考虑），对比结果见表2。

表2 两种技术方案的综合比较

可见，预荷电袋滤器的排放浓度远低于国家标准限值，运行能耗比常规传统除尘器相比降低54%，除尘设备每年节约电费137.08元/a，经济效益显著，3年可收回投资。

该成果不仅用于钢铁行业，也可用于有色、水泥、机械、化工等行业，预计钢铁行业对细颗粒物除尘装备的需求约40亿元/a，全国非电行业的需求超过100亿元/a，已构成重大市场需求，市场前景十分广阔，将带动袋式除尘产业的发展。

5 结论

（1）研发的预荷电袋过滤技术可有效去除烟气中PM2.5细颗粒物，排放浓度<10mg/m3，可实现超低排放，是技术发展方向，适用于新建环保项目和环保提标改造。

（2）粉尘预荷电后袋式除尘器运行阻力700～950 Pa，比传统袋式除尘器阻力下降40%以上，节能显著。

（3）粉尘预荷电装置体积小、造价低、安装方便、便于实施。

（4）基于“海岛纤维”超细纤维的超细面层精细过滤材料，可显著提高烟气中PM2.5捕集效率，将成为滤料的主流产品，应用前景广阔。

（5）示范工程三年来成功运行，验证了“863”成果的先进性和实用性，为企业执行特别排放和超低排放提供了成功案例。

[1] 姚群.冶金行业颗粒物控制新技术与应用[R].钢铁全流程大气污染控制新技术与环保管理提升研讨会论文集，2015.

[2] 姚群，等.钢铁窑炉烟尘PM2.5控制技术与装备[J].工业安全与环保，2016，42（1）：21-24.

[3] 柳静献，等.新型海岛纤维实验研究[R].全国袋式除尘技术研讨会论文集，2015.

[4] 蒋靖坤，等.基于虚拟撞击原理的固定源PM10/PM2.5采样器的研制[J].环境科 学，2014，35（10）：15-18.