利用烧结机冷却机余热优化静电除尘：阿赛洛米塔尔Monlevade的搅拌机除尘实践

基于巴西 ArcelorMittal Monlevade 烧结厂的原始工程应用，解析冷却机余热+ESP一体化的搅拌机烟气除尘方案

关键词
Electrostatic Precipitator, Sintering Plant, Dedusting System, Heat Recovery, ArcelorMittal Monlevade, 烧结烟气治理, 余热利用

在烧结烟气治理领域，静电除尘器（ESP）早已成为高炉配套烧结系统的“标配”设备，但如何在满足超低排放的同时提升系统能源利用效率，一直是业内关注的技术焦点。本文解读的案例来自巴西 ArcelorMittal João Monlevade 烧结厂，由 ENFIL S.A. 控制环保公司牵头实施，通过将烧结机冷却机的高温余热引入一次混合机（primary mixer）烟气除尘系统，在单一静电除尘器内实现多源烟气协同净化与能量综合利用，为烧结厂二次除尘与节能改造提供了一个具有行业风向意义的工程样本。

本项目的研究与工程实施团队主要包括：来自 ENFIL S.A. Controle Ambiental（巴西）的 Marcelo Ozawa，ENFIL S.A.（日本）的 Hideo Kimura，以及 ArcelorMittal Monlevade（巴西）的 Raimundo Braga。相关成果发表于第十二届国际静电除尘器会议（XII ICESP, 2011）。

ArcelorMittal Monlevade 烧结厂建于 1978 年，2002 年引入以石灰为主要粘结剂的 HPS（Hybrid Pelletized Sinter）工艺，实现 100% 烧结矿配比。但随着石灰掺入比例提升，一次混合机在混配过程中产生的含尘含湿烟气量明显增加，原有仅依靠自然通风的混合机排气烟囱粉尘外逸严重，厂方已与当地环保监管机构签署治理承诺。此外，原有二次静电除尘器性能低于设计值，改造后仍难以根本消除一次混合机排放问题。在这种背景下，如何在不新建独立除尘系统的前提下，实现一次混合机烟囱的达标排放并兼顾能耗优化，成为项目的技术切入点。

ENFIL 提出的解决方案思路是：在原有二次除尘系统基础上，将一次混合机湿烟气纳入统一的静电除尘器处理，通过在混合机烟囱顶部布置专用混合装置，将约 26% 含湿的一次混合机湿烟气与来自烧结冷却机、温度约 300℃ 的高温气流充分混合，实现烟气升温、减湿及工况调质，最终混合后的气流进入 ESP 主进气总管，与来自皮带转运、烧结机尾部、筛分、冷却机等多点二次扬尘烟气一并净化。该系统保证静电除尘器出口干基粉尘排放低于 50 mg/Nm³，并在试运行后实际达到了约 11 mg/Nm³ 的稳定水平。

在研究方法方面，项目首先对一次混合机烟气和烧结冷却机废气的质量与热量进行系统平衡计算。一次混合机出口为低温高湿烟气，夹带石灰和混合粉尘，如果直接进入 ESP，存在高比电阻粉尘、不易荷电和烟气结露结垢等潜在风险。为此，项目基于能量守恒关系对两股气流混合进行计算：以烟气质量流量、比热容和温度为参数，求解混合后温度及含湿量，确保 ESP 进口烟气既能够有效脱湿、避免在管道和极板上冷凝，又不会因温度过高导致设备材料和运行成本不合理。相关热流体计算方法参考了 White 的粘性流体力学理论[1]。

在完成质量与热平衡后，ENFIL 团队围绕混合机烟囱顶部的气体混合结构展开流场设计。借鉴高炉 PCI（Pulverized Coal Injection，煤粉喷吹）系统中多相流高速混合的工程经验，日本 ENFIL 工程师 Hideo Kimura 设计了一种紧凑型气体混合装置：高温冷却机烟气以一定角度和速度切向进入一次混合机排气通道，通过几何结构诱导强烈湍流，强化剪切混合，使温度和水分在短距离内迅速均匀。该过程采用基于有限体积法的数值模拟工具进行验证，流动与换热求解参考了 Patankar 的数值传热与流体流动方法[2]，具体仿真则使用 Fluent 软件完成[3]。计算结果显示，在有限长度的混合段内即可形成较为均匀的速度场与温度场，为下游 ESP 提供稳定工况。

在工程实施过程中，项目组特别关注三个关键控制点：一是系统负压匹配。一次混合机烟囱由自然通风改为被动抽吸后，需保证二次除尘主风机具备足够的负压“余量”，同时通过合理设计混合装置阻力，控制系统压降分配。二是混合后烟气露点与设备表面温度的差距，防止局部低温带来结露和结垢。三是含石灰粉尘的荷电特性和比电阻随温度、湿度变化的规律，确保 ESP 的捕集性能不被削弱。

系统自 2007 年 9 月 24 日 ESP 启动、9 月 26 日完成一次混合机与 ESP 的联通改造后，迅速进入稳定运行阶段。正常烧结产量约 5100 t/d 条件下的现场运行结果表明：

第一，厂区环境显著改善。原本依靠自然通风、持续冒灰的一次混合机烟囱实现了“完全抽吸”，烟囱顶部平台、梯道的粉尘积聚和人工清理工作量大幅削减。原有混合机壳体与周边连接部位的缝隙、开口等漏风点，在系统形成稳定负压后也不再有可视粉尘泄漏。

第二，冷却机余热得到利用，实现显性节能与隐性节能双重收益。部分温度约 300℃ 的冷却机废气被引至混合装置，一方面对一次混合机高湿烟气进行升温脱湿，另一方面减少了本应直接排空的大量可利用热量。与常见的“冷却机烟气直接放散”做法相比，本项目在未新增大型余热锅炉的前提下，通过工艺串联和静电除尘器一体化改造，提高了烧结环保系统整体的能效水平。

第三，静电除尘器的集尘性能反而得到优化。虽然一次混合机混合后的烟气量仅约占系统总处理风量的 10%，但其携带的水分和石灰尘改变了整体粉尘性质和气体介电特性，使 ESP 内粉尘的比电阻处于更有利于荷电沉降的区间。根据厂内在线不透光度计与性能测试结果，在一次混合机停运、该支路烟气不进入 ESP 时，出口粉尘浓度出现上升趋势；当一次混合机重新投入运行、湿烟气与冷却机热烟气混合后，ESP 出口粉尘排放恢复至较低稳定水平。这一现象说明，适度提高系统烟气湿度，并引入适当的碱性粉尘组分，有助于改善静电除尘器的除尘效率。

综合七个月的连续运行数据，ArcelorMittal Monlevade 烧结厂该二次除尘改造项目在以下几方面具有值得行业关注的风向标意义：一是证明了“高湿混合机烟气 + 冷却机高温烟气 + 统一 ESP 处理”的工艺路线在工程实践中可行可靠，打破了业界对高湿、含石灰烟气易结垢、易堵塞的固有顾虑；二是在无日本式大规模冷却机余热锅炉的前提下，通过流程再设计，实现了烟气除尘与余热利用的有机耦合，为更多尚未进行系统余热回收的烧结厂提供了低门槛改造思路；三是从静电除尘器本体运行角度看，通过工况与粉尘特性“再调质”，在不增大比集尘面积的前提下进一步降低了出口粉尘排放，实现了设计保证值 50 mg/Nm³ 干基下实际约 11 mg/Nm³ 的排放水平。

对于正在谋划烧结烟气超低排放改造、二次除尘系统整合，以及冷却机余热利用方案的钢铁企业而言，ArcelorMittal Monlevade 的这一项目实践提示我们：在静电除尘器系统设计中，不应仅将 ESP 视为简单的“末端设备”，而应将其放在整个烧结工艺与能源系统的框架内思考，通过烟气源头整合、热力与流场精细设计，实现“除尘效果 + 能源利用 + 运维成本”的综合最优，这也将成为未来烧结烟气治理技术演进的重要方向之一。

参考文献
[1] WHITE F M. Viscous Fluid Flow[M]. New York: McGraw-Hill, 1991.
[2] PATANKAR S V. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow[M]. New York: Hemisphere Publishing Corp.; McGraw-Hill, 1980.
[3] ANSYS Inc. Fluent v6.3.26 User’s Guide[EB/OL].

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