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北極星環保網訊:在電爐冶煉的過程中，要產生大量的高溫煙氣，其最高溫度可達2 100℃，含塵量高，且所含氧化鐵塵具有工業回收價值。高溫含塵煙氣攜帶的熱量約為電爐輸入總能量的11 %，有的甚至高達20 %。這些高溫煙氣不僅帶走大量的熱，而且給電爐的除塵系統帶來了巨大的負擔，不但降低了氧化鐵塵的回收率，而且造成了嚴重的汙染問題。隨著鋼鐵行業的發展，電爐煉鋼的鐵水比例逐漸上升，有的甚至超過了30 %。鐵水比例的升高，引起電爐煉鋼煙氣量增加、熱量浪費和除塵問題的日趨嚴重。如何將這部分高溫煙氣中的顯熱充分地回收，變「廢」為寶，使之轉化為熱能，並使得電爐煙氣更加穩定，為高效除塵創造條件，從而降低除塵系統運行成本和企業的生產成本，這是電爐煉鋼企業必須重視的問題。公司組建了專業的技術隊伍開始了電爐煙氣全餘熱回收裝置的研究，從提高餘熱回收量、煙塵沉降效率、鍋爐的壓力及使用壽命3個角度進行研發，從而降低電爐的噸鋼能耗。並在江蘇某企業110 t電爐成功投運，並對裝置出口煙氣溫度、噸鋼回收蒸汽量等關鍵參數進行了現場測試，測試結果顯示裝置達到了預期指標。
1、電爐煙氣冷卻方式現狀
目前電爐煙氣冷卻的方式有水冷+機力風冷、廢鋼預熱+水冷、水冷+熱管餘熱鍋爐等幾種。
1.1水冷+機力風冷
水冷+機力風冷系統的流程見圖1。電爐第四孔出口的高溫煙氣進入水冷煙道，同時，混入從電爐四孔水冷彎頭和水冷滑套間的縫隙吸入的空氣，進行燃燒，之後進入燃燒沉降室，在燃燒沉降室進行燃燒和灰塵沉降後，從燃燒沉降室出來的高溫煙氣經過水冷煙道冷卻到600℃左右，進入機力風冷器，冷卻後的煙氣與電爐密閉罩的除塵煙氣混合降溫後進入布袋除塵器除塵，之後通過風機、消聲器，從煙囪排出。
目前國內外有大量電爐煙氣採用水冷方式的案例。例如2006年投產的太原鋼鐵（集團）有限公司1座160 t電爐，2009年投產的日本新日鐵1座100 t電爐，2009年投產的印度EASSR公司2座180t電爐，均採用了水冷煙道冷卻煙氣的方式。水冷煙道具有一次投資少、技術可靠、運行穩定的特點，所以目前還在大量應用。該方式最大的弊端就是煙氣中大量的顯熱無法被利用，浪費了能源，增加了冷卻水的消耗量，同時工業水的循環又消耗大量的電能。
1.2廢鋼預熱+水冷
電爐煙氣冷卻的另一種方案為廢鋼預熱+水冷。先利用電爐煙氣預熱廢鋼，之後800～500℃的高溫煙氣再經過燃燒沉降室、噴霧冷卻器冷卻後進入布袋除塵器，其後續工藝和水冷+機力風冷相同。
因此該種方式也存在較大部分煙氣餘熱未利用，噴入大量冷水，增加除塵負荷等問題。同時該技術在二惡英排放、廢鋼預熱效果等方面仍存在問題。
1.3水冷+熱管餘熱鍋爐
該方案中，機力風冷器前流程與水冷+機力風冷相同，僅以熱管餘熱鍋爐替代機力風冷器，將原來通過機力風冷器排放到大氣中的餘熱加以回收利用，產生蒸汽。2006年投產的山鋼集團萊蕪鋼鐵集團有限公司50 t電爐餘熱回收系統便屬於該種形式。
該方案的缺點主要是在建設餘熱鍋爐系統時，仍需建設龐大的水冷系統，回收的熱量有限，僅回收部分（約800～250℃）的煙氣餘熱。另一個問題是熱管餘熱鍋爐的換熱效率隨時間下降很快。某鋼廠100 t電爐餘熱鍋爐採用熱管形式，投產初期冶煉期內蒸汽回收量8 t / h，3年左右下降到3.5 t / h。同時由於常用的碳鋼-水重力熱管本身結構的原因，溫度過高會引起其內部H2的積累，熱管鍋爐進口溫度一般要求低於850℃，這樣使得熱管餘熱鍋爐的壓力很難提高，一般情況下其出口蒸汽壓力小於2.0 MPa，蒸汽的利用較為困難。
2、電爐煙氣全餘熱回收裝置（汽化煙道）及其優勢
由於目前的幾種電爐煙氣冷卻方式存在部分餘熱沒有回收利用、增加除塵裝置負荷、能耗高、餘熱蒸汽利用困難等問題，公司開發了電爐煙氣全餘熱回收裝置，並進行了工程實踐。
電爐煙氣全餘熱回收裝置流程見圖2，煙氣由電爐抽出後，與從水冷彎頭和水冷滑套間環縫混入的空氣一起進入汽化冷卻彎管，在汽化冷卻彎管內的煙氣經初步降溫後進入燃燒沉降室。在燃燒沉降室內，煙氣中剩餘的CO會進行完全燃燒，同時煙氣攜帶的粉塵粗顆粒也會經重力除塵沉降下來。其後煙氣進入高壓汽化冷卻煙道進行換熱，進一步降溫後進入列管餘熱鍋爐，降溫至250℃以下後與電爐密閉罩出口的除塵風混合，降溫至80℃後送入布袋除塵器，除塵達標後的煙氣經過風機、消聲器從煙囪排出。
相比前述幾種煙氣冷卻方式，電爐煙氣全餘熱回收裝置具有突出優勢。
汽化煙道（也稱為餘熱鍋爐）是電爐煉鋼的主要配套設備之一，該設備在工作時要最大限度地收集高溫煙氣，承受最高的爐氣溫度與劇烈頻繁的溫度變化，同時工況最為惡劣，最容易粘結噴濺的鋼渣。汽化煙道的使用環境是非常惡劣的，煉鋼過程中產生的煙氣，其溫度高達1100-1400℃，最高可達1600℃，並且含有硫及其化合物，高溫渣、石灰等大量粉塵。爐內鋼水噴濺到煙道內會造成內壁的粘黏，這樣設備頻繁承受高溫高壓的劇烈變化。因此，轉爐汽化煙道有很大的受熱面，用來降低煙氣溫度，一般由20g低碳鋼管組成受熱面。該受熱面承受著固體物料的衝刷，酸性氣體的腐蝕以及高溫氧化。汽化煙道長期在上述環境下工作，特別是其受熱面承受著硫氣腐蝕、高溫氧化和衝蝕磨損，極易在水冷管上產生大量竹節狀熱疲勞裂紋、麻點、穿孔漏水，影響煉鋼的生產效率，而且造成浪費使成本提高，同時給生產帶來了安全隱患。汽化煙道系統主要由活動煙罩、爐口段煙道、二段煙道、末段煙道組成。該系統是煤氣回收和汽化冷卻兩套裝置的首段，它設計的好壞不僅直接影響到煤氣回收和蒸汽的質量，同時也關係到環境保護，其結構的合理性將影響到煙道壽命，即直接影響到煉鋼生產，所以對煙道的設計總結了多年來我們在使用中的經驗、精心設計製造。
2.1電爐煙氣全餘熱回收
從圖2可以看出，電爐煙氣全餘熱回收裝置從水冷滑套開始到列管式餘熱鍋爐，回收電爐第四孔出口煙氣約2100～250℃的全部餘熱。同時該裝置採用高低壓複合循環的冷卻方式，充分回收電爐煙氣餘熱的同時，採用自然循環的列管式餘熱鍋爐，與水冷系統相比，循環水量顯著減小，節約了電能。
2.2最佳的過剩空氣係數
電爐煙氣全餘熱回收裝置根據燃燒沉降室出口的煙氣成分，合理控制水冷滑套的開度，確保了最佳的過剩空氣係數。
電爐煙氣中含有一定濃度的CO，由於CO含量低於煤氣回收下限，一般採用二次燃燒技術回收一氧化碳的潛熱，而不進行煤氣回收。儘管目前國內出現了電爐大量兌鐵水，CO濃度顯著增加的現象，但電爐的優勢主要體現在短流程煉鋼，因此CO進行燃燒而不直接回收煤氣的工藝不會改變，在這種條件下，合理控制電爐餘熱鍋爐系統混風量，既要保證CO的燃盡又要保持餘熱鍋爐儘量高的熱效率就顯得尤為重要。
電爐冶煉過程中，參與爐氣燃燒的氧氣主要來源由3部分組成:
1）吹氧冶煉爐氣中本身含有氧氣，
2）從電爐的觀察孔、電極孔等漏入的空氣，
3）為了保證爐氣中的CO全部燃盡從水冷滑套進入的空氣。
因此根據燃燒沉降室出口煙氣成分控制水冷滑套混入的空氣，就能控制最佳的過剩空氣係數，使得餘熱回收系統及除塵系統更加節能。
2.3高效沉降
電爐煙氣全餘熱回收裝置另一個突出優勢是高效沉降。中冶賽迪根據電爐煙氣粉塵濃度和粉塵粒徑，及粉塵的沉降機理，進行了數值模擬，開發了高效燃燒沉降室。燃燒沉降室的作用主要有3個：
1）冶煉初期加熱煙氣，促進CO的燃燒;
2）促進煙氣與空氣的混合，保證CO等可燃成分的燃盡;
3）對電爐煙氣進行粗除塵，減少進入餘熱鍋爐煙道的煙塵量，保證餘熱鍋爐的換熱效率和使用壽命。
電爐在冶煉過程中，煙氣的成分和煙氣的溫度都是隨時間變化的，電爐煙氣中的可燃成分主要為CO，CO在空氣中的著火點為610℃，即只有當CO和空氣混合後的溫度超過610℃時，才能確保CO在燃燒沉降室內的燃燒。
煙塵的有效沉降可以保障後續對流受熱面餘熱鍋爐的換熱效率，同時減少了煙氣對鍋爐壁面的磨損，因此實現燃燒沉降室內煙塵的有效沉降是非常重要的。
經過對燃燒沉降室內粉塵沉降的機理研究，電爐煙氣全餘熱回收裝置採用直角式的燃燒沉降室，即煙氣從燃燒沉降室頂部進入，然後從側向流出的形式。同時根據模擬分析確定了合理的燃燒沉降室流通截面，確保灰塵的高效沉降。
2.4鍋爐壓力高、壽命長
為了避免熱管餘熱鍋爐在1.3節中提到的缺陷，電爐煙氣全餘熱回收裝置採用了列管式餘熱鍋爐。列管式餘熱鍋爐採用自然循環，吹灰裝置採用激波吹灰，不僅提高對流受熱面餘熱鍋爐的壽命，延長鍋爐換熱失效時間，而且提高汽包出口蒸汽壓力，便於蒸汽的利用。
3、電爐煙氣全餘熱回收裝置工程實踐
3.1參數簡述
基於上述電爐煙氣全餘熱回收裝置的優勢分析，中冶賽迪在永鋼110 t電爐設計上應用了該裝置，並進行了現場測試。運行參數見表1。
3.2現場測試結果
3.2.1出口煙氣溫度
電爐煙氣全餘熱回收裝置在列管餘熱鍋爐出口裝設了煙氣溫度測量裝置，測量裝置收集了3個多月共計1000多爐次的生產數據，兌鐵水的比例從全廢鋼到80 %鐵水，餘熱鍋爐出口溫度均能控制在250℃以下。
3.2.2燃燒沉降室效率
現場進行了燃燒沉降室進出口粉塵濃度測試，以驗證燃燒沉降室的沉降效率。測試粉塵濃度有2個測試點，一個在燃燒沉降室前，入口彎煙道末端;另外一個在燃燒沉降室後，沉降室出口煙道，具體位置見圖2中D1、D2。
2013年6月22日，現場測試9個爐次23組入口彎煙道粉塵濃度數據，6個爐次22組燃燒沉降室後煙道粉塵濃度數據，測試結果分別見圖3、圖4。對沉降室入口、出口的粉塵濃度進行平均，得出在冶煉期間的入口平均粉塵濃度為8.283g / m3（標態），出口平均粉塵濃度為0.457 g /m3（標態），燃燒沉降室的粉塵沉降率為94.48 %，可見，通過燃燒沉降室後，煙氣中接近94 %的粉塵被除去。
3.2.3過剩空氣係數
裝置運行期間，分別對入口彎煙道中部、燃燒沉降室入口、燃燒沉降室出口煙氣的成分進行檢測，測點位置見圖2中的C1、C2、C3，總計測試了3個冶煉周期內，煙氣中的CO、CO2、O2隨冶煉時間的變化情況，共得到樣本數據330組，同時計算冶煉期內的過剩空氣係數。通過煙氣成分計算，得到冶煉期的過剩空氣係數，該值大於設計時要求的過剩空氣係數。經分析，原因是原設計考慮參加燃燒的空氣僅從水冷滑套空隙處進入。實際調試過程中發現有很大一部分參與燃燒的空氣是從電爐爐門、爐蓋的縫隙及電極孔中漏入的，這部分空氣在電爐內被加熱，同時參與了燃燒，因此出現了實際過剩空氣係數較設計值偏大的情況。
通過一個多月的現場測試，以及隨後對運行效果進行的回訪，得知該系統運行穩定，在兌鐵水比例為50 %時，冶煉周期可產生壓力為1.8MPa的飽和蒸汽21t / h，遠高於採用部分餘熱回收的裝置，後續的除塵系統運行穩定。
4、結論
1）電爐煙氣全餘熱回收裝置，採用高低壓、自然、強制複合循環的汽化冷卻系統成功回收了電爐第四孔出口煙氣約2100～80℃的餘熱，同時降低了煙氣溫度，通過與電爐密閉罩及屋頂除塵罩混風後，使得煙氣溫度達到250℃左右的理想除塵溫度。
2）採用列管式餘熱鍋爐，提高了汽化冷卻系統出口蒸汽的壓力和溫度，為後續蒸汽的有效利用創造了條件。同時也避免了熱管餘熱鍋爐短時間內失效和傳熱效率大幅降低的弊端。
3）經過數值模擬及理論計算，設計的燃燒沉降室，流場較均勻，實測除塵效率達到94%左右。
4）在整個冶煉周期，爐氣量和爐氣成分變化很大。採用最優過剩空氣係數，煙氣量也會有較大波動，因此建議要根據燃燒沉降室出口的煙氣成分調節水冷滑套的開度。
5）由於參與燃燒的空氣很大一部分是從電爐的爐門、爐蓋的縫隙及電極孔中漏入的，因此該部分參與燃燒的空氣溫度不應該按常溫考慮，而應該考慮電爐內對空氣的加熱過程，才能使餘熱回收系統設計更加合理。
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