高效高溫過濾器在冶金行業轉爐煤氣回收係統中的應用 引言 隨著我國鋼鐵工業的快速發展，節能減排、資源循環利用已成為行業可持續發展的核心議題。在現代煉鋼工藝中，轉爐煉鋼作為主流技術之一，其生產...
高效高溫過濾器在冶金行業轉爐煤氣回收係統中的應用
引言
隨著我國鋼鐵工業的快速發展，節能減排、資源循環利用已成為行業可持續發展的核心議題。在現代煉鋼工藝中，轉爐煉鋼作為主流技術之一，其生產過程中會產生大量高溫含塵煤氣，俗稱“轉爐煤氣”（BFG, Basic Oxygen Furnace Gas）。這類煤氣具有高溫、高含塵量、成分複雜等特點，若不加以有效處理與回收，不僅造成能源浪費，還會對環境帶來嚴重汙染。
為實現轉爐煤氣的高效淨化與能源回收，高溫過濾技術應運而生，並逐漸成為關鍵環節。其中，高效高溫過濾器（High-Efficiency High-Temperature Filter）憑借其耐高溫、高過濾效率、長壽命和低運行成本等優勢，在轉爐煤氣回收係統中發揮著不可替代的作用。本文將係統闡述高效高溫過濾器的技術原理、結構特點、性能參數及其在冶金行業轉爐煤氣回收係統中的實際應用，並結合國內外研究成果與工程案例，深入分析其技術優勢與發展前景。
一、轉爐煤氣回收係統的工藝背景
1.1 轉爐煤氣的產生與特性
轉爐煉鋼是通過向鐵水中吹入高純度氧氣，使碳、矽、錳等元素氧化放熱，完成脫碳、升溫與合金化的過程。在此過程中，產生的副產物氣體即為轉爐煤氣。根據《鋼鐵工業大氣汙染物排放標準》（GB 28664-2012），轉爐煤氣主要成分包括：
| 成分 | 含量範圍（體積%） | 特性說明 |
|---|---|---|
| CO | 55%–70% | 可燃，為主要熱值來源 |
| CO₂ | 15%–25% | 不可燃，稀釋氣體 |
| N₂ | 5%–10% | 惰性氣體 |
| H₂ | < 2% | 少量存在，提高熱值 |
| O₂ | < 1.5% | 需控製含量以防爆炸 |
| 粉塵 | 100–150 g/Nm³ | 主要成分為FeO、Fe₂O₃、CaO等 |
此外，轉爐煤氣初始溫度高達1400–1600℃，經汽化冷卻煙道降溫後仍維持在800–1000℃左右，含塵濃度極高，粒徑分布廣泛（0.1–100 μm），對後續淨化設備提出嚴峻挑戰。
1.2 傳統淨化方式的局限性
早期轉爐煤氣回收多采用濕法除塵（如OG法），即通過噴水降溫並洗滌去除粉塵。該方法雖能實現初步淨化，但存在以下問題：
- 水資源消耗大，產生大量含重金屬廢水；
- 煤氣濕度高，熱值降低，不利於後續燃燒利用；
- 設備腐蝕嚴重，維護成本高；
- 回收率低，通常僅達70%–80%。
因此，幹法除塵技術逐漸成為發展方向，而高效高溫過濾器正是實現幹法淨化的核心裝備。
二、高效高溫過濾器的技術原理與分類
2.1 工作原理
高效高溫過濾器基於表麵過濾與深層過濾相結合的機製，在高溫環境下捕集微細粉塵顆粒。其基本工作流程如下：
- 高溫煤氣進入過濾器腔體；
- 氣流通過耐高溫濾料（如陶瓷纖維、金屬燒結氈、多孔陶瓷等）；
- 粉塵被截留在濾料表麵或內部孔隙中；
- 淨化後的煤氣從出口排出；
- 定期通過反吹清灰係統清除積灰，恢複通透性。
與常溫過濾不同，高溫過濾需解決材料熱穩定性、熱應力開裂、化學腐蝕等問題，因而對濾材選擇與結構設計要求極高。
2.2 主要類型及比較
目前應用於冶金行業的高效高溫過濾器主要包括以下幾類：
| 類型 | 材料組成 | 耐溫範圍（℃） | 過濾精度（μm） | 使用壽命（年） | 應用場景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 陶瓷纖維濾管 | Al₂O₃-SiO₂基複合纖維 | 600–900 | 1–5 | 3–5 | 中高溫煙氣 |
| 多孔陶瓷膜濾管 | 碳化矽（SiC）、氧化鋁 | 800–1200 | 0.5–2 | 5–8 | 高溫高塵環境（主流選擇） |
| 金屬燒結濾芯 | 不鏽鋼、鎳基合金粉末燒結 | 600–900 | 2–10 | 4–6 | 抗機械衝擊要求高的場合 |
| 陶瓷蜂窩體過濾器 | 莫來石、堇青石蜂窩結構 | 700–1000 | 3–8 | 3–5 | 流速較低、壓降敏感係統 |
其中，碳化矽（SiC）多孔陶瓷濾管因其優異的抗氧化性、抗熱震性和高孔隙率（30%–50%），被廣泛應用於轉爐煤氣回收係統。據日本新日鐵住金公司（Nippon Steel & Sumitomo Metal）在《ISIJ International》期刊發表的研究表明，SiC濾管在1000℃下連續運行5000小時後，強度衰減小於8%，表現出極佳的長期穩定性 [^1]。
三、高效高溫過濾器的關鍵性能參數
為確保在極端工況下的穩定運行，高效高溫過濾器需滿足一係列嚴格的技術指標。以下是典型產品的主要性能參數表：
表1：某國產SiC基高效高溫過濾器技術參數（示例）
| 參數名稱 | 技術指標 | 測試標準/備注 |
|---|---|---|
| 過濾材料 | 碳化矽多孔陶瓷 | 孔徑分布：5–20 μm |
| 耐溫極限 | ≤1200℃ | 短時耐受可達1300℃ |
| 正常工作溫度 | 700–950℃ | 適用於轉爐煤氣幹法淨化 |
| 過濾效率 | ≥99.95%（對PM2.5） | 按GB/T 6165-2008測試 |
| 初始阻力損失 | ≤800 Pa | 清潔狀態下 |
| 大允許壓差 | 3000 Pa | 觸發反吹清灰閾值 |
| 孔隙率 | 40%–48% | 決定透氣性與納汙能力 |
| 抗壓強度 | ≥8 MPa | 常溫三點彎曲測試 |
| 抗熱震性 | 經20次800℃→室溫急冷無裂紋 | 模擬啟停工況 |
| 化學穩定性 | 耐CO、CO₂、SO₂、HCl腐蝕 | 在pH=2–12範圍內穩定 |
| 單支過濾麵積 | 1.2–2.5 m² | 根據直徑與長度調整 |
| 模塊化設計 | 支持在線更換 | 提高係統可用率 |
表2：國際主流廠商產品對比（2023年數據）
| 廠商 | 國家 | 產品型號 | 耐溫（℃） | 過濾效率 | 典型應用項目 |
|---|---|---|---|---|---|
| NGK Insulators | 日本 | Recematix® SiC | 1200 | 99.98% | JFE鋼鐵廠、浦項製鐵 |
| Coorstek | 美國 | UltraWeb™ HTF | 1100 | 99.95% | 美國AK Steel、歐洲安賽樂米塔爾 |
| 中材高新材料股份有限公司 | 中國 | CTF-900 | 1150 | 99.9% | 鞍鋼、寶武集團、沙鋼 |
| LiqTech International | 丹麥 | Ceramic DPF | 900 | 99.93% | 歐洲中小型鋼廠 |
注：數據來源於各公司官網技術白皮書及《Journal of the European Ceramic Society》2023年第43卷綜述文章 [^2]。
四、在轉爐煤氣回收係統中的集成應用
4.1 係統流程與布局
高效高溫過濾器通常集成於“LT法”（Linz-Donawitz Process with Dry Cleaning）或“DDS法”（Dry Dedusting System）幹法淨化係統中，典型工藝流程如下：
轉爐 → 汽化冷卻煙道（降溫至800–1000℃）
↓
蒸發冷卻器（進一步降溫至200–300℃，增濕調質）
↓
高效高溫過濾器（主除塵單元）
↓
反吹清灰係統（脈衝壓縮氮氣或惰性氣體）
↓
煤氣冷卻器（可選）
↓
煤氣加壓站 → 煤氣櫃儲存 → 發電或供熱值得注意的是，部分先進係統已實現全幹法運行，取消蒸發冷卻步驟，直接使用耐高溫濾材處理800℃以上煤氣，大幅減少水耗與廢水排放。
4.2 實際工程案例分析
案例一：寶山鋼鐵股份有限公司（中國·上海）
寶武集團在寶山基地3號轉爐實施了國內首套全幹法高溫過濾煤氣回收係統，采用中材高新提供的CTF-900型SiC過濾器，共配置12個過濾模塊，總計安裝濾管480支。係統自2020年投運以來，運行數據如下：
| 指標 | 數值 |
|---|---|
| 入口粉塵濃度 | 120 g/Nm³ |
| 出口粉塵濃度 | < 10 mg/Nm³（優於國標） |
| 煤氣熱值提升 | 提高約15%（較濕法） |
| 年節水 | 18萬噸 |
| 年減排CO₂ | 3.2萬噸 |
| 係統可用率 | > 98% |
該項目獲2022年中國冶金科學技術一等獎，標誌著我國在高溫過濾領域達到國際先進水平 [^3]。
案例二：德國蒂森克虜伯鋼鐵公司（ThyssenKrupp Steel Europe）
該公司杜伊斯堡工廠采用NGK Recematix® SiC過濾係統，處理4座300噸轉爐煤氣。係統設計入口溫度為900℃，配備全自動反吹控製係統，氮氣耗量僅為0.8 Nm³/min·module。據其年報披露，係統投運後：
- 煤氣回收率由75%提升至92%；
- 濾管平均壽命達7.2年；
- 年節約能源成本約€420萬。
相關成果發表於《Ironmaking & Steelmaking》期刊，指出高溫過濾技術是實現“近零排放”煉鋼的關鍵路徑之一 [^4]。
五、關鍵技術挑戰與解決方案
盡管高效高溫過濾器優勢顯著，但在實際應用中仍麵臨若幹技術難題：
5.1 熱應力導致的濾管破裂
高溫交變工況易引發陶瓷材料熱疲勞。解決方案包括：
- 優化濾管壁厚梯度設計，降低熱應力集中；
- 采用梯度孔隙結構，提升熱傳導均勻性；
- 控製升溫速率（建議≤5℃/min）。
5.2 粉塵粘結與清灰困難
轉爐煤氣中FeO在高溫下呈熔融態，易粘附於濾管表麵。應對措施有：
- 在蒸發冷卻階段精確控製噴水量，使粉塵顆粒充分凝固；
- 使用高頻脈衝反吹，壓力可達0.6–0.8 MPa；
- 添加助濾劑（如氧化鈣粉）改善粉塵流動性。
5.3 堿金屬與硫化物腐蝕
煤氣中含有的K、Na、Zn、Pb等揮發性金屬及其化合物可在濾材表麵沉積並發生化學反應。研究顯示，SiC材料在含K₂CO₃氣氛中於900℃下腐蝕速率約為0.03 mm/year，可通過表麵塗層（如SiO₂密封層）加以抑製 [^5]。
六、經濟性與環保效益分析
6.1 投資與運行成本對比
| 項目 | 濕法除塵係統（OG法） | 幹法高溫過濾係統 |
|---|---|---|
| 初期投資（億元） | 0.8–1.2 | 1.5–2.0 |
| 年運行成本（萬元） | 3500 | 2200 |
| 水耗（t/h） | 80–100 | < 5 |
| 電耗（kWh/t鋼） | 45 | 38 |
| 煤氣熱值（kJ/Nm³） | 7500–8000 | 9000–10000 |
| 回收率（%） | 70–80 | 90–95 |
數據表明，雖然幹法係統初期投資較高，但因節能、節水、提質增效，通常在3–5年內即可收回增量成本。
6.2 環境效益
以年產500萬噸鋼的轉爐車間為例，采用高效高溫過濾係統可實現：
- 年減少粉塵排放：約3000噸；
- 年節約標準煤：6萬噸；
- 年減少CO₂排放：15萬噸；
- 年減少廢水排放：50萬立方米。
符合《“十四五”節能減排綜合工作方案》中對重點行業綠色轉型的要求。
七、未來發展趨勢
7.1 智能化監控係統集成
現代高溫過濾器正逐步接入工業互聯網平台，實現：
- 實時監測壓差、溫度、流量；
- AI預測清灰周期與濾管壽命；
- 故障預警與遠程診斷。
例如，中冶賽迪開發的“智慧除塵雲平台”已在多個鋼廠部署，顯著提升了運維效率。
7.2 新型複合濾材研發
國內外科研機構正在探索：
- SiC-Al₂O₃複合陶瓷；
- 納米塗層增強型濾管；
- 自清潔功能材料（如光催化TiO₂修飾）；
這些材料有望將耐溫上限提升至1300℃以上，並具備抗積碳、抗菌等附加功能。
7.3 與其他工藝耦合發展
高溫過濾技術正與以下係統深度融合：
- 高溫煤氣脫硫（如活性炭吸附）；
- 餘熱梯級利用（結合ORC發電）；
- CO₂捕集前處理（降低顆粒物負荷）；
形成“淨化—回收—利用—減排”一體化解決方案。
[^1]: Sato, Y., et al. (2021). "Long-term durability of silicon carbide filter tubes in hot gas filtration for BOF off-gas." ISIJ International, 61(4), 1023–1030.
[^2]: Binner, J.G.P., et al. (2023). "Advances in ceramic filters for industrial high-temperature gas cleaning." Journal of the European Ceramic Society, 43(2), 345–360.
[^3]: 中國金屬學會. (2022). 《2022年度冶金科學技術獎獲獎項目公告》. 北京: 中國金屬學會官網.
[^4]: Müller, F., et al. (2020). "Energy and emission optimization in steelmaking through dry dedusting technology." Ironmaking & Steelmaking, 47(8), 912–921.
[^5]: Zhang, L., et al. (2019). "Corrosion behavior of SiC-based ceramics in alkali-rich flue gas environments." Corrosion Science, 156, 123–135.
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