摘要 从分析转炉烟气的特征、目前对它的处理现状以及处理技术存在的问题着手，描述了多孔陶瓷材料的性能，如多孔陶瓷的耐高温性、气孔分布以及耐磨蚀性等，从而分析了利用多孔陶瓷处理高温转炉烟气的可行性。

关键词 转炉煤气；多孔陶瓷；耐高温性；气孔率；耐磨性

分类号

The feasibility analysis on disposal high temperature flue gas of converter with porous ceramics

Ni Wen , Wu Ying-liang

(Civil & Environment Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China, Email: wyl0298@126.com 2006-01-26 )

Abstract: firstly, the characteristics of flue gas, current situation of disposal and existent problem of disposal technology are described, and then the properties of porous ceramics such as, heat–resistant, porosity and wearable are introduced. Finally, the disposal feasibility of high temperature flue gas from converter with porous ceramics is analyzed.

Key words: flue gas of converter；porous ceramics；heat–resistant；porosity；wear–resistant

根据高温转炉烟气的特点，目前主要采用湿法文氏管法处理。湿法文氏管法除尘效率高，但存在回收煤气量少，不能回收可再生资源含铁粉尘，净化过程中会产生大量的污水，污泥等问题。通常，炼1t钢少回收煤气30～70m³（相当动力煤21Kg），全铁粉尘20～30Kg，这就降低了炼钢厂的效率以致造成巨大的能源浪费，并且处理过程产生的污水，污泥还会增加处理成本，造成环境污染。针对存在的问题，引进了多孔陶瓷。目前，使用多孔陶瓷处理烟气作为最新，最有效的技术已经得到了应用。多孔陶瓷具有耐高温，耐磨损，孔隙率高，价格低廉等优点^[1]。采用多孔陶瓷过滤器结合余热锅炉处理高温转炉烟气，具有除尘效率高、能有效回收余热、煤气和全铁粉尘、不产生污水，污泥的特点。

1 转炉烟气的特性

转炉烟气是在转炉炼钢过程中，转炉吹氧期产生的大量含CO的烟气与烟尘的总称。转炉烟气处理的一般过程包括三个部分：首先是对含有大量CO高温炉气的处理；然后是对出炉口后的烟气进行收集和冷却；最后将冷却后的烟气进行净化。目前对含有大量CO高温烟气的处理，采用较多的是未燃法。未然法是在炉气（大约为1450~1600℃）离开炉口进入烟罩时，控制炉口压力或用氮气密封，吸入少量的空气与炉气混合，令其中10～20％的CO燃烧，处理后，出口时高温烟气中含有50～70％的CO，经汽化冷却后被冷却到1000℃左右。冷却后处理，目前采用较多的是湿法文氏管法。

1.1 污染物的成分

炼钢过程中，在高温下向转炉中鼓入大量氧气，铁水中的碳被迅速氧化成CO，炉气的主要成分是CO以及少量CO₂。在氧气射流与熔池直接作用的反应区内，局部温度可达2500～2800℃，造成一定数量的铁和铁的氧化物的蒸发，形成极细的烟尘，这就是从炉口喷出的褐色烟尘。烟尘中还包括一些被炉气机械夹带出的散状料粉尘和随喷溅带出的渣粒等^[2]。下面列出经过未燃法处理后的烟气成分。

①转炉烟气的成分，如表1^[3]。

表1 未燃法烟气成分及范围

烟气成分	η（CO）%	η（CO2）%	η（N2）%	η（O2）%
未燃法	60～80	14～19	5～10	0.4～0.6

烟气量：570m³/(h,t )(钢)； 烟气温度：1400~1600℃。

 

烟气中含有大量的CO，是热值很高的二次能源，通常也称为转炉煤气，其煤气发热值为8374kJ／m³。

2000年中国重点钢铁企业钢产量11804.35万t，其中转炉钢占87.7%，转炉钢中100t以上转炉产量占全国转炉钢产量的33%左右。通过技术改造将100t以上转炉的吨钢煤气回收量，由目前的30Nm³/t提高到100Nm³/t，可多回收转炉煤气239141万Nm³/年，可获经济效益约47830万元。多回收的转炉煤气量若替代动力煤（约合86万t），可减排CO₂约38万吨、烟尘1.0万吨、SO₂3.6万吨、NO₂1.1万吨。

②转炉烟尘的成分及细度。

Ⅰ 成分 烟尘成分见表2。

表2 未燃法烟尘成分及范围

金属铁 %	Ω(FeO) %	Ω（Fe2O3） %	Ω（SiO2） %	Ω（MnO） %	Ω(P2O5) %	Ω(CaO) %	Ω(MgO) %	Ω(C) %
0.58	67.16	16.20	3.64	0.74	0.57	9.04	0.39	1.68

从表2看出，烟尘主要成分是FeO，占60%以上，其颜色呈黑色，FeO颗粒容易聚集，粒径大。烟尘颗粒质硬且多呈锋利的尖锐状，对过滤装置的磨损性较严重。含铁粉尘可回收再用于转炉炼钢。

Ⅱ 粒度 转炉烟尘的粒度分布如表3。

表3 未燃法烟尘分散度分析

粒径/μm	2～10	10～40	＞40
未燃法/%	30	53	16

由表3可见，未燃法粉尘粒径大于10μm的达70%，接近于灰尘。

1.2 污染物的特点

① 烟气中含尘浓度高，粒度细，具有较大的磨损性；

② 烟气中含有大量的CO(一般大于86%)，烟气毒性大；

③ 烟气温度高，要求过滤材料具有较好的耐高温性。

综上所述，转炉烟气净化设备应具备的性能有：

① 可以有效回收转炉烟气的二次能源，如煤气CO，全铁粉尘；

② 烟气的温度高，出炉口与空气燃烧后温度更高，为了保持系统的效率，系统必须在燃烧温度或接近燃烧温度下工作，这对高温除尘相当关键；

③ 烟气含尘量大且粒径小，要求过滤设备有较为合理的孔径分布和良好的耐磨损性；

④ 转炉烟气是剧毒、易燃易爆气体，过滤装置应该透过性能好，不易堵塞，易于清堵；

⑤ 炼钢废气治理中的热能、CO以及含铁粉尘应得到综合回收利用。

1.3 转炉烟气目前的净化技术以及存在的问题

转炉烟气目前应用比较普遍的净化系统主要有三种类型。

① 采用未然法回收煤气的文氏管湿法净化系统

此类净化系统可以回收煤气和烟气的余热，除尘效率高，水电消耗少，如目前应用较为广泛的OG法。但存在的问题是，净化烟气量小，从文氏管中排出的除尘污水，污泥需要另建池进行处理，而且烟尘中的全铁不能得到回收利用，会造成能源浪费与环境污染。

② 采用燃烧法的文氏管湿法净化系统

净化系统的操作比较简单，但它不回收煤气，设备占地面积大、费用高，也存在能源浪费与环境污染的问题。

③ 采用静电除尘的干式净化系统

它是干法冷却、净化和回收转炉煤气的方法，包括回收含铁粉尘直接在用于转炉的工艺。该系统不产生湿的粉尘，免去了湿法处理系统中废水处理、污泥沉淀和污泥处理过程，但它存在的问题是投资成本高，运行费用大。

根据高温转炉烟气的污染物特点、目前处理技术存在的问题，提出更优性能的净化装置。

2. 多孔陶瓷的分类、性能及其处理高温转炉烟气的可行性分析

多孔陶瓷称为气孔功能陶瓷，它是指具有一定尺寸和数量的孔隙结构的新型固体陶瓷材料，又称为绿色材料^[4]。

2.1 多孔陶瓷的分类

多孔陶瓷按孔形态结构可分为2大类^[5]：即泡沫型和网眼型。泡沫型多孔陶瓷的气孔是孤立的，其渗透率很低；网眼型多孔陶瓷为开孔三维网状骨架结构，气孔是相互贯通的，这种多孔陶瓷作为过滤材料具有的显著特点为：流体通过时压降小，比表面积大，与流体接触效率高。

多孔陶瓷根据其材质不同又可分为^[6]：①高硅质硅酸盐材料：主要以硬质瓷渣，耐酸陶瓷渣及其它耐酸的合成陶瓷颗粒为骨料，具有耐水性和耐酸性，使用温度达700℃；②铝硅酸盐材料：以耐火粘土熟料，烧矾土，硅线石和合成莫来石质颗粒为骨料，具有耐酸性和耐弱酸性，使用温度达1000℃；③硅藻土质材料：主要以精选硅藻土为原料，加黏土烧结而成，用于精滤水和酸性介质；④纯碳质材料：以低灰分煤或石油沥青焦颗粒，或者加入部分石墨，用稀焦油粘结烧制而成，用于耐冷热强酸，冷热强碱介质以及空气消毒，过滤等；⑤刚玉和金刚砂材料：以不同型号的电熔刚玉和碳化硅颗粒为骨料，具有耐强酸，耐高温特性，耐温可达1600℃；⑥氮化硅材料：性能优异的新型材料，具有高比强、耐高温、抗氧化和耐磨损等特性；⑦碳化硅材料：以SiC作为骨料，加造孔剂常压烧结而成，耐高温、抗磨损、抗腐蚀，可用于过滤、分离、吸音等；⑧堇青石，钛酸铝材料：因其热膨胀系数小，广泛用于热冲击的环境；⑨其它材料。

2.2 多孔陶瓷的性能

多孔陶瓷具有如下性能^[7]，可适宜高温过滤：

① 耐高温性

多孔陶瓷经高温烧制而成，由于其自身的共价键和复杂离子键的键合以及复杂的晶体结构，而具有较高的耐高温性能。转炉烟气到达净化装置时，温度大约1000℃左右，多孔陶瓷的耐高温性是进行高温过滤的基础。

②孔径分布

多孔陶瓷材料的性能主要是由微孔的表面化学特性和微孔的尺寸特性决定的，当流体流经孔隙时，内外表面会产生各种各样的物理效应（如毛细虹吸效应等），因而，多孔陶瓷材料具有较好的过滤性能，较小的透气阻力，使流体能顺利通过多孔陶瓷，不会产生滞留现象^[8]。

图1 SiC多孔陶瓷断面显微结构SEM图

所以，多孔陶瓷的孔径分布满足高温转炉烟尘颗粒物粒径较小，粒径有一定范围分布的

要求。

③耐磨性

多孔陶瓷由于其共价键和复杂离子键的键合以及复杂的晶体结构，而具有耐磨蚀性能。

④抗热震性

当陶瓷材料经受快速的温度变化（热震）时，就会形成巨大的应力，在这种情况下，抵抗材料变弱和断裂的性能成为抗热震性。多孔陶瓷可用下式来预测材料的热震性能：

▽T_c=0.2▽T_cs/(ρ/ρ_S)^1/2

式中 ▽T_CS = σ_fs/(E_Sα_S)——致密材料的热震阻力；

σ_fs，E_S，α_S——致密材料的强度，弹性模量和热膨胀系数，并且假设孔径强度等于致密材料的强度。

此式表明，多孔陶瓷具有比致密材料更好的热震性能，并随相对密度的降低，以▽T_cs为指标的材料热震阻力增大。多孔陶瓷良好的抗热震性，可以克服传统陶瓷的脆性断裂问题，很适用于高温烟气的过滤除尘，最高工作温度超过1000℃。

⑤生产工艺成熟，成本低廉

⑥其它优点

(1)可持续运行，不易堵塞，反吹间隙周期长，反吹时间短，易于清堵再生，再生后可以恢复到初始状态的水平。

 

(2)抗氧化，耐化学腐蚀，根据不同的过滤介质，使用寿命一般为6个月～3年。

(3)过滤过程压力损失较小。

通过对多孔陶瓷性能等分析，认为多孔陶瓷过滤处理高温转炉烟气是可行的。

3 多孔陶瓷的具体选择情况

多孔陶瓷的净化过程，是让废气或废液通过多孔的陶瓷体，其中的粉尘颗粒物被拦截或吸附在多孔结构中，而净化后的气体或液体则排放到自然界中或者直接回收再利用。目前，多孔陶瓷材料已经在气液过滤分离、固液分离、高温流体净化等方面得到应用。

3.1 几种备选多孔陶瓷的性能指标

列举了几种这里可能应用到的多孔陶瓷材料，列于表4中^{[10][11][12][13][14]}，通过它们主要性能的比较，进行选材。

从表4可以看出，在气孔率、抗弯强度、耐高温方面，Si₃N₄都优于其它两者。但它们的性能又是接近的，即：均属于无机多孔陶瓷材料；耐高温；气孔率高（大于60％）；孔径分布理想，从而减少清洗维护次数，同时，可以减轻清洗反吹的阻力，便于清洗。

表4 几种多孔陶瓷的主要性能

材质 孔径∕μm 气孔率∕% 抗弯强度 耐温∕℃ 最大工作压力 /MPa /MPa

刚玉质 1～450 28～70 45 1600 8 碳化硅多孔陶瓷 2～600 27～70 100 1350 8 氮化硅多孔陶瓷 2～660 25～90 150 1600 8

目前多孔陶瓷在过滤分离方面的应用情况。由美国西屋公司研制的烛状过滤器^[7]，使用无机陶瓷纤维制作的多孔陶瓷过滤器过滤高温烟气时，具有良好的抗热震性，可以克服脆性断裂问题等，很适用于高温烟气（煤气）的过滤除尘。

刚玉质，氮化硅多孔陶瓷材料同样也具有过滤面积大，过滤效率高，孔径分布均匀，孔径尺寸可控等优良性能，在过滤及分离中已被应用^[15]。

3.2 建议使用的多孔陶瓷过滤装置形式

根据转炉烟气的特点，我们建议选用多孔陶瓷管过滤器。选用多孔陶瓷管过滤器，除因这种多孔陶瓷本身具有的优异性能，即在严酷的条件下可以保持良好的稳定性外，还因这种过滤器具有过滤面积大，阻力损失较小等优点，可以高效地处理高温转炉烟气，处理后也不存在产生污水、污泥等问题，运行费用低，使用寿命长，具有较高的环境保护与能源节约意义。

4 结语

多孔陶瓷作为绿色多功能材料，将使其作为转炉烟气过滤装置成为可能：（1）多孔陶瓷具有耐高温、耐磨损、抗热震性好、抗氧化和孔径分布合理等性能，可以满足高温转炉烟气恶劣的处理环境；（2）作为高温含尘气体过滤器，多孔陶瓷过滤器与旋风吸尘器，洗涤过滤器以及电除尘器相比，其吸尘效率高，使用寿命长，生产使用成本低。多孔陶瓷在空气净化、防止水污染，改善环境等发面已经发挥了巨大的作用，所以，采用多孔陶瓷材料处理高温转炉烟气是可行的。

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作者简介：倪文（1961—），男，教授，博士生导师，从事矿物材料研究。

作者单位：倪 文 （北京科技大学土木与环境工程学院，北京，100083）