高效高温过滤器在冶金行业转炉煤气回收系统中的应用
引言
随着我国钢铁工业的快速发展，节能减排、资源循环利用已成为行业可持续发展的核心议题。在现代炼钢工艺中，转炉炼钢作为主流技术之一，其生产过程中会产生大量高温含尘煤气，俗称“转炉煤气”（BFG, Basic Oxygen Furnace Gas）。这类煤气具有高温、高含尘量、成分复杂等特点，若不加以有效处理与回收，不仅造成能源浪费，还会对环境带来严重污染。
为实现转炉煤气的高效净化与能源回收，高温过滤技术应运而生，并逐渐成为关键环节。其中，高效高温过滤器（High-Efficiency High-Temperature Filter）凭借其耐高温、高过滤效率、长寿命和低运行成本等优势，在转炉煤气回收系统中发挥着不可替代的作用。本文将系统阐述高效高温过滤器的技术原理、结构特点、性能参数及其在冶金行业转炉煤气回收系统中的实际应用，并结合国内外研究成果与工程案例，深入分析其技术优势与发展前景。
一、转炉煤气回收系统的工艺背景
1.1 转炉煤气的产生与特性
转炉炼钢是通过向铁水中吹入高纯度氧气，使碳、硅、锰等元素氧化放热，完成脱碳、升温与合金化的过程。在此过程中，产生的副产物气体即为转炉煤气。根据《钢铁工业大气污染物排放标准》（GB 28664-2012），转炉煤气主要成分包括：
| 成分 | 含量范围（体积%） | 特性说明 |
|---|---|---|
| CO | 55%–70% | 可燃，为主要热值来源 |
| CO₂ | 15%–25% | 不可燃，稀释气体 |
| N₂ | 5%–10% | 惰性气体 |
| H₂ | < 2% | 少量存在，提高热值 |
| O₂ | < 1.5% | 需控制含量以防爆炸 |
| 粉尘 | 100–150 g/Nm³ | 主要成分为FeO、Fe₂O₃、CaO等 |
此外，转炉煤气初始温度高达1400–1600℃，经汽化冷却烟道降温后仍维持在800–1000℃左右，含尘浓度极高，粒径分布广泛（0.1–100 μm），对后续净化设备提出严峻挑战。
1.2 传统净化方式的局限性
早期转炉煤气回收多采用湿法除尘（如OG法），即通过喷水降温并洗涤去除粉尘。该方法虽能实现初步净化，但存在以下问题：
- 水资源消耗大，产生大量含重金属废水；
- 煤气湿度高，热值降低，不利于后续燃烧利用；
- 设备腐蚀严重，维护成本高；
- 回收率低，通常仅达70%–80%。
因此，干法除尘技术逐渐成为发展方向，而高效高温过滤器正是实现干法净化的核心装备。
二、高效高温过滤器的技术原理与分类
2.1 工作原理
高效高温过滤器基于表面过滤与深层过滤相结合的机制，在高温环境下捕集微细粉尘颗粒。其基本工作流程如下：
- 高温煤气进入过滤器腔体；
- 气流通过耐高温滤料（如陶瓷纤维、金属烧结毡、多孔陶瓷等）；
- 粉尘被截留在滤料表面或内部孔隙中；
- 净化后的煤气从出口排出；
- 定期通过反吹清灰系统清除积灰，恢复通透性。
与常温过滤不同，高温过滤需解决材料热稳定性、热应力开裂、化学腐蚀等问题，因而对滤材选择与结构设计要求极高。
2.2 主要类型及比较
目前应用于冶金行业的高效高温过滤器主要包括以下几类：
| 类型 | 材料组成 | 耐温范围（℃） | 过滤精度（μm） | 使用寿命（年） | 应用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 陶瓷纤维滤管 | Al₂O₃-SiO₂基复合纤维 | 600–900 | 1–5 | 3–5 | 中高温烟气 |
| 多孔陶瓷膜滤管 | 碳化硅（SiC）、氧化铝 | 800–1200 | 0.5–2 | 5–8 | 高温高尘环境（主流选择） |
| 金属烧结滤芯 | 不锈钢、镍基合金粉末烧结 | 600–900 | 2–10 | 4–6 | 抗机械冲击要求高的场合 |
| 陶瓷蜂窝体过滤器 | 莫来石、堇青石蜂窝结构 | 700–1000 | 3–8 | 3–5 | 流速较低、压降敏感系统 |
其中，碳化硅（SiC）多孔陶瓷滤管因其优异的抗氧化性、抗热震性和高孔隙率（30%–50%），被广泛应用于转炉煤气回收系统。据日本新日铁住金公司（Nippon Steel & Sumitomo Metal）在《ISIJ International》期刊发表的研究表明，SiC滤管在1000℃下连续运行5000小时后，强度衰减小于8%，表现出极佳的长期稳定性 [^1]。
三、高效高温过滤器的关键性能参数
为确保在极端工况下的稳定运行，高效高温过滤器需满足一系列严格的技术指标。以下是典型产品的主要性能参数表：
表1：某国产SiC基高效高温过滤器技术参数（示例）
| 参数名称 | 技术指标 | 测试标准/备注 |
|---|---|---|
| 过滤材料 | 碳化硅多孔陶瓷 | 孔径分布：5–20 μm |
| 耐温极限 | ≤1200℃ | 短时耐受可达1300℃ |
| 正常工作温度 | 700–950℃ | 适用于转炉煤气干法净化 |
| 过滤效率 | ≥99.95%（对PM2.5） | 按GB/T 6165-2008测试 |
| 初始阻力损失 | ≤800 Pa | 清洁状态下 |
| 最大允许压差 | 3000 Pa | 触发反吹清灰阈值 |
| 孔隙率 | 40%–48% | 决定透气性与纳污能力 |
| 抗压强度 | ≥8 MPa | 常温三点弯曲测试 |
| 抗热震性 | 经20次800℃→室温急冷无裂纹 | 模拟启停工况 |
| 化学稳定性 | 耐CO、CO₂、SO₂、HCl腐蚀 | 在pH=2–12范围内稳定 |
| 单支过滤面积 | 1.2–2.5 m² | 根据直径与长度调整 |
| 模块化设计 | 支持在线更换 | 提高系统可用率 |
表2：国际主流厂商产品对比（2023年数据）
| 厂商 | 国家 | 产品型号 | 耐温（℃） | 过滤效率 | 典型应用项目 |
|---|---|---|---|---|---|
| NGK Insulators | 日本 | Recematix® SiC | 1200 | 99.98% | JFE钢铁厂、浦项制铁 |
| Coorstek | 美国 | UltraWeb™ HTF | 1100 | 99.95% | 美国AK Steel、欧洲安赛乐米塔尔 |
| 中材高新材料股份有限公司 | 中国 | CTF-900 | 1150 | 99.9% | 鞍钢、宝武集团、沙钢 |
| LiqTech International | 丹麦 | Ceramic DPF | 900 | 99.93% | 欧洲中小型钢厂 |
注：数据来源于各公司官网技术白皮书及《Journal of the European Ceramic Society》2023年第43卷综述文章 [^2]。
四、在转炉煤气回收系统中的集成应用
4.1 系统流程与布局
高效高温过滤器通常集成于“LT法”（Linz-Donawitz Process with Dry Cleaning）或“DDS法”（Dry Dedusting System）干法净化系统中，典型工艺流程如下：
转炉 → 汽化冷却烟道（降温至800–1000℃）
↓
蒸发冷却器（进一步降温至200–300℃，增湿调质）
↓
高效高温过滤器（主除尘单元）
↓
反吹清灰系统（脉冲压缩氮气或惰性气体）
↓
煤气冷却器（可选）
↓
煤气加压站 → 煤气柜储存 → 发电或供热值得注意的是，部分先进系统已实现全干法运行，取消蒸发冷却步骤，直接使用耐高温滤材处理800℃以上煤气，大幅减少水耗与废水排放。
4.2 实际工程案例分析
案例一：宝山钢铁股份有限公司（中国·上海）
宝武集团在宝山基地3号转炉实施了国内首套全干法高温过滤煤气回收系统，采用中材高新提供的CTF-900型SiC过滤器，共配置12个过滤模块，总计安装滤管480支。系统自2020年投运以来，运行数据如下：
| 指标 | 数值 |
|---|---|
| 入口粉尘浓度 | 120 g/Nm³ |
| 出口粉尘浓度 | < 10 mg/Nm³（优于国标） |
| 煤气热值提升 | 提高约15%（较湿法） |
| 年节水 | 18万吨 |
| 年减排CO₂ | 3.2万吨 |
| 系统可用率 | > 98% |
该项目获2022年中国冶金科学技术一等奖，标志着我国在高温过滤领域达到国际先进水平 [^3]。
案例二：德国蒂森克虏伯钢铁公司（ThyssenKrupp Steel Europe）
该公司杜伊斯堡工厂采用NGK Recematix® SiC过滤系统，处理4座300吨转炉煤气。系统设计入口温度为900℃，配备全自动反吹控制系统，氮气耗量仅为0.8 Nm³/min·module。据其年报披露，系统投运后：
- 煤气回收率由75%提升至92%；
- 滤管平均寿命达7.2年；
- 年节约能源成本约€420万。
相关成果发表于《Ironmaking & Steelmaking》期刊，指出高温过滤技术是实现“近零排放”炼钢的关键路径之一 [^4]。
五、关键技术挑战与解决方案
尽管高效高温过滤器优势显著，但在实际应用中仍面临若干技术难题：
5.1 热应力导致的滤管破裂
高温交变工况易引发陶瓷材料热疲劳。解决方案包括：
- 优化滤管壁厚梯度设计，降低热应力集中；
- 采用梯度孔隙结构，提升热传导均匀性；
- 控制升温速率（建议≤5℃/min）。
5.2 粉尘粘结与清灰困难
转炉煤气中FeO在高温下呈熔融态，易粘附于滤管表面。应对措施有：
- 在蒸发冷却阶段精确控制喷水量，使粉尘颗粒充分凝固；
- 使用高频脉冲反吹，压力可达0.6–0.8 MPa；
- 添加助滤剂（如氧化钙粉）改善粉尘流动性。
5.3 碱金属与硫化物腐蚀
煤气中含有的K、Na、Zn、Pb等挥发性金属及其化合物可在滤材表面沉积并发生化学反应。研究显示，SiC材料在含K₂CO₃气氛中于900℃下腐蚀速率约为0.03 mm/year，可通过表面涂层（如SiO₂密封层）加以抑制 [^5]。
六、经济性与环保效益分析
6.1 投资与运行成本对比
| 项目 | 湿法除尘系统（OG法） | 干法高温过滤系统 |
|---|---|---|
| 初期投资（亿元） | 0.8–1.2 | 1.5–2.0 |
| 年运行成本（万元） | 3500 | 2200 |
| 水耗（t/h） | 80–100 | < 5 |
| 电耗（kWh/t钢） | 45 | 38 |
| 煤气热值（kJ/Nm³） | 7500–8000 | 9000–10000 |
| 回收率（%） | 70–80 | 90–95 |
数据表明，虽然干法系统初期投资较高，但因节能、节水、提质增效，通常在3–5年内即可收回增量成本。
6.2 环境效益
以年产500万吨钢的转炉车间为例，采用高效高温过滤系统可实现：
- 年减少粉尘排放：约3000吨；
- 年节约标准煤：6万吨；
- 年减少CO₂排放：15万吨；
- 年减少废水排放：50万立方米。
符合《“十四五”节能减排综合工作方案》中对重点行业绿色转型的要求。
七、未来发展趋势
7.1 智能化监控系统集成
现代高温过滤器正逐步接入工业互联网平台，实现：
- 实时监测压差、温度、流量；
- AI预测清灰周期与滤管寿命；
- 故障预警与远程诊断。
例如，中冶赛迪开发的“智慧除尘云平台”已在多个钢厂部署，显著提升了运维效率。
7.2 新型复合滤材研发
国内外科研机构正在探索：
- SiC-Al₂O₃复合陶瓷；
- 纳米涂层增强型滤管；
- 自清洁功能材料（如光催化TiO₂修饰）；
这些材料有望将耐温上限提升至1300℃以上，并具备抗积碳、抗菌等附加功能。
7.3 与其他工艺耦合发展
高温过滤技术正与以下系统深度融合：
- 高温煤气脱硫（如活性炭吸附）；
- 余热梯级利用（结合ORC发电）；
- CO₂捕集前处理（降低颗粒物负荷）；
形成“净化—回收—利用—减排”一体化解决方案。
[^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]: 中国金属学会. (2022). 《2022年度冶金科学技术奖获奖项目公告》. 北京: 中国金属学会官网.
[^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.
