文/北京瀚川鑫冶工程技術(shù)有限公司 張建國(guó)

廢鋼預(yù)熱經(jīng)濟(jì)效益分析

Analysis on economic benefit of preheating of scrap

文/北京瀚川鑫冶工程技術(shù)有限公司 張建國(guó)

本文概述了在電爐煉鋼中節(jié)約能源的重要性和環(huán)保性，分析了電爐煉鋼的能耗情況，對(duì)不同的預(yù)熱形式進(jìn)行了對(duì)比分析，并對(duì)分離式廢鋼預(yù)熱形式的節(jié)能效益和影響因素進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析和評(píng)估，提出了合理的廢鋼預(yù)熱溫度應(yīng)該在1200度左右，采用廢鋼預(yù)熱煉鋼的工藝可取得較好的節(jié)能效果 ，大幅縮短冶煉時(shí)間，能夠取得較好的經(jīng)濟(jì)效益?？傊A(yù)熱廢鋼還可避免濕廢鋼入爐，從而避免爐內(nèi)發(fā)生爆炸，廢鋼預(yù)熱還能保證工廠安全及防止設(shè)備意外損壞事故，減少電爐煉鋼的電力消耗及提高鋼廠生產(chǎn)效率，對(duì)煉鋼企業(yè)及社會(huì)效益都有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

電爐煉鋼 廢鋼預(yù)熱 節(jié)能降耗

追求煉鋼更為經(jīng)濟(jì)、更符合生態(tài)要求及具有更大的生產(chǎn)靈活性是每個(gè)鋼廠永恒的目標(biāo)，為此而盡可能采用維護(hù)少而工效高的設(shè)備。另外，電力成本持續(xù)升高、大氣CO2排放條例以及陸地及水源保護(hù)法規(guī)趨嚴(yán)，這些都促使鋼廠在竭力降低能耗及盡量利用生產(chǎn)廢物及介質(zhì)上做文章想辦法。用廢鋼預(yù)熱方法補(bǔ)償電爐煉鋼能源已有30多年的歷史，通常的做法是在廢鋼裝爐前在料桶里用電爐高溫廢氣將廢鋼加熱。高溫氣體的熱源來自于電爐排出的廢氣，而供給電爐的一次能源則用于將入爐廢鋼加熱至廢鋼熔點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)通過廢鋼預(yù)熱裝爐節(jié)省能源。

近幾年來，隨著鋼鐵業(yè)的飛速發(fā)展，電爐——爐外精煉——連鑄連軋短流程新工藝也有了較快的發(fā)展，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)有多家大型鋼鐵企業(yè)都采用此流程工藝，如興澄特鋼、北滿特鋼、上鋼五廠等。采用此工藝流程具有投資省、建設(shè)快、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。在電爐煉鋼中，電能是最主要的能源消耗品，如何降低電爐的電耗是節(jié)能最重要最主要的環(huán)節(jié)。外供熱源、電爐煤氧混吹、廢鋼預(yù)熱等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電爐的節(jié)能起到了極大的作用。

在上述的幾種節(jié)能措施中，由于廢鋼預(yù)熱方式具有投資少、技術(shù)要求低、不影響生產(chǎn)、見效快等特點(diǎn)而具有一定的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。但由于國(guó)內(nèi)采用廢鋼預(yù)熱節(jié)能煉鋼的廠家很少，具體的節(jié)能效果及影響因素研究的較少。所以非常有必要對(duì)廢鋼預(yù)熱的節(jié)能效果及因素進(jìn)行分析，為推廣該節(jié)能技術(shù)提供一定的技術(shù)依據(jù)。

一、電爐能耗的情況分析

在電爐煉鋼中，電能主要是對(duì)爐料進(jìn)行加熱和熔化。在進(jìn)入氧化期和還原期時(shí)，由于有爐料反應(yīng)放熱，電能消耗相對(duì)少。在熔化廢鋼并將鋼水溫度保持在1520℃的這段時(shí)間內(nèi)，電爐的熱效率只有55～65％，熔化期所需要的能量約為360～380kwh/t，占總能耗的60％～70％，時(shí)間約占全爐冶煉時(shí)間的一半多。現(xiàn)在發(fā)展的超高功率電爐就是為了強(qiáng)化熔化期供熱而縮短熔化時(shí)間和用能，從而大大提高生產(chǎn)率。但是，從實(shí)質(zhì)來說，超高功率電爐并沒有提高能源的實(shí)際利用效率。

電爐生產(chǎn)中，不同階段的熱效率不一樣，在實(shí)際生產(chǎn)中的變化情況分為以下幾點(diǎn)。

(1)開始裝入廢鋼時(shí)，電弧傳熱效率為60％左右，隨著電弧被廢鋼埋入，熱效率不斷提高，高峰時(shí)可達(dá)到80％～90％，在廢鋼熔化逐漸露出電弧時(shí)，電弧熱效率隨著下降，低是達(dá)到50％～60％；

(2)再裝料時(shí)，熱效率為50％～70％左右；

(3)在精煉期，熱效率大約在75％左右。

眾所周知，雖然電能作為優(yōu)質(zhì)能源，使用中具有很高的效率，但如果考慮到發(fā)電效率，用電能對(duì)廢鋼加熱，其相對(duì)于一次能源而言，能源的利用率并不高，基本不大于28％。在目前世界能源日趨緊張，節(jié)能減排成為一項(xiàng)基本國(guó)策的發(fā)展中的我國(guó)來說，如此低的能源利用率是令人難以接受的。

圖-1 大冶特鋼廠內(nèi)等著卸廢鋼的車隊(duì)

圖-2 大治特鋼的廢鋼堆場(chǎng)

二、廢鋼預(yù)熱技術(shù)

1.廢鋼預(yù)熱技術(shù)的提出

早期的廢鋼預(yù)熱系統(tǒng)采用單獨(dú)的熱源，通常是將廢鋼裝在料桶里加熱。據(jù)文獻(xiàn)資料報(bào)道，這種預(yù)熱方式的節(jié)能效果最高可達(dá)30kWh/t，且由于出鋼時(shí)間縮短還能降低電極及耐材消耗。隨著電爐技術(shù)的發(fā)展，有些廠家做了用爐子廢氣預(yù)熱廢鋼的嘗試。但是，缺點(diǎn)是預(yù)熱中粉塵會(huì)附著在廢鋼上，且由于熱循環(huán)中溫度起伏不定，很難控制廢鋼預(yù)熱中的廢氣溫度，此外在被預(yù)熱的廢鋼內(nèi)部會(huì)形成溫度梯度。而從廢鋼預(yù)熱技術(shù)要求上，則希望對(duì)溫度加以控制，以免廢鋼料桶燒毀和防止料桶內(nèi)細(xì)小廢鋼燃燒或粘附。

那么，在電爐煉鋼生產(chǎn)中，如何提高能源利用率呢？目前有不少公司在這方面做了很好的探索研究，并取得了較好的節(jié)能效果。德國(guó)BSW公司的80t交流電爐，平均輸入電功率為66MW，電爐上配置天然氣燒嘴3支，吹氧、噴煤，平均電耗355kwh/t，每爐冶煉時(shí)間28.2min.日本NKK公司開發(fā)的100t環(huán)保型高效電弧爐于2001年就在岸和田制鋼投產(chǎn)，為節(jié)約電能，大量使用了其他能源，電能占總能耗的比例只有25.7％，由此可以看出，對(duì)電爐補(bǔ)充外供熱，對(duì)電耗和冶煉時(shí)間都有較大的影響。

據(jù)有關(guān)資料介紹，當(dāng)廢鋼進(jìn)行預(yù)熱后，如果廢鋼入爐前的預(yù)熱溫度為500℃時(shí)，可節(jié)省電能25％；如果溫度為600℃～700℃時(shí)，可節(jié)省電能33％；如果溫度達(dá)到900℃時(shí)，則可以節(jié)省電能50％，冶煉時(shí)間也將大幅縮短。

由此可以看出，利用一次能源直接對(duì)廢鋼進(jìn)行加熱，再將加熱后的廢鋼在電爐中利用電能進(jìn)行熔化冶煉，能夠更加充分利用能源，對(duì)提高電爐的綜合能耗是一條切實(shí)可行的節(jié)能措施，這就是我們之所以要大力推廣廢鋼預(yù)熱技術(shù)的原因所在。

2.廢鋼的預(yù)熱形式

廢鋼的預(yù)熱技術(shù)，從設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式來分，可分為整體式和分離式。整體式為預(yù)熱設(shè)備和電爐體結(jié)合在一起，形成整體，或者直接利用電爐體作為廢鋼預(yù)熱設(shè)備，從而可充分利用電爐廢氣對(duì)廢鋼進(jìn)行預(yù)熱，使高溫廢氣的物理熱得以回收利用，并可根據(jù)預(yù)熱的溫度需要再外供熱源。分離式結(jié)構(gòu)為預(yù)熱爐與電爐體分離，靠外供熱源先對(duì)廢鋼進(jìn)行加熱，廢鋼達(dá)到一定溫度后，用專用設(shè)備投入電爐中，再利用電能進(jìn)行熔化冶煉。

整體式廢鋼預(yù)熱設(shè)備與電爐聯(lián)接的方式可分為幾種方式，主要有豎爐電弧爐法、雙殼式直流電弧爐和連續(xù)加料電弧爐。此種結(jié)構(gòu)形式的最大特點(diǎn)是可以充分利用電爐的高溫爐氣，以直接提高電爐的熱效率來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。新日鐵公司開發(fā)的雙殼式電弧爐，一臺(tái)爐冶煉的同時(shí)，另外一臺(tái)爐利用其廢氣對(duì)廢鋼進(jìn)行預(yù)熱，廢鋼溫度可達(dá)500℃。因此，整體式廢鋼預(yù)熱技術(shù)其節(jié)能效果更加明顯。但由于預(yù)熱設(shè)備與電爐爐體結(jié)合在一起，在建設(shè)過程中影響因素較多，需要對(duì)電爐進(jìn)行較大的改造，建設(shè)期長(zhǎng)并影響生產(chǎn)，為了充分利用高溫?zé)煔鈱?duì)廢鋼進(jìn)行預(yù)熱，還需要做好爐蓋的密封，并增加設(shè)置排煙設(shè)備，投資較大。對(duì)于中小容量的電爐來說，由于投資大，節(jié)能和產(chǎn)生的效益有限，采用此方式受到限制。對(duì)于大容量的電爐，采用此方式更為有利。

分離式廢鋼預(yù)熱設(shè)備由于與電爐爐體分離，不能利用電爐的高溫?zé)煔?，完全靠外供熱能將廢鋼進(jìn)行加熱預(yù)熱，再將加熱后的廢鋼在電爐中利用電能進(jìn)行熔化冶煉，因此節(jié)能效果與整體式結(jié)構(gòu)相比較有所降低，但該形式可將廢鋼預(yù)熱到更高的溫度。其他的有點(diǎn)還可表現(xiàn)為：預(yù)熱與熔化冶煉分開，更加便于組織生產(chǎn)；廢鋼預(yù)熱量和加熱溫度容易控制；外供能源的利用率高，設(shè)備使用率高，可以充分發(fā)揮設(shè)備能力；可分別建設(shè)，不影響電爐的生產(chǎn)；設(shè)備改造投資少，見效快。從以上的優(yōu)點(diǎn)可以看出，分離式結(jié)構(gòu)更適合對(duì)老電爐、小電爐進(jìn)行改造，并可實(shí)現(xiàn)多爐共用，對(duì)減少投資更加有利。

某公司目前主要電爐的容量在10～30t，平均電耗為540～570kwh/t，平均冶煉時(shí)間為225min，期中熔化期時(shí)間大約為120min左右，與采用廢鋼預(yù)熱的電爐冶煉工藝相比較，電耗較高，冶煉時(shí)間較長(zhǎng)。針對(duì)該問題，公司組織進(jìn)行了投資改造，補(bǔ)建廢鋼加熱系統(tǒng)，結(jié)果節(jié)能效果得到很大的提高。其工藝流程為，廢鋼在預(yù)熱加熱爐中加熱到一定溫度后，再投入電爐進(jìn)行熔化冶煉。預(yù)熱爐可采用連續(xù)式或分批式加料方式，這個(gè)主要決定于設(shè)計(jì)產(chǎn)量及電爐的配套情況。而且，由于對(duì)廢鋼預(yù)熱溫度的均勻性要求不高，因此，預(yù)熱爐只需要采取較為簡(jiǎn)單的燃燒控制技術(shù)即可，也有利于前期的投資。

另外，對(duì)于在電爐上直接安裝燒嘴外供熱量進(jìn)行煉鋼，進(jìn)行強(qiáng)化加熱，雖然是用一次能源來代替了很大一部分電能，但是它占用了電爐的冶煉時(shí)間，所以雖然有較好的綜合節(jié)能效果，但對(duì)提高電爐的生產(chǎn)能力不具有明顯優(yōu)勢(shì)。而采用分離式廢鋼預(yù)熱形式，能實(shí)現(xiàn)節(jié)能又增產(chǎn)的效果。

3.節(jié)能效果統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)于整體式廢鋼預(yù)熱系統(tǒng)，由于是直接利用電爐內(nèi)的高溫爐氣，其節(jié)能效果很明確，更應(yīng)該關(guān)注的是投資回報(bào)的問題。而對(duì)于分離式廢鋼預(yù)熱系統(tǒng)，由于需要使用外供能源，其節(jié)能增產(chǎn)的效果將直接影響該技術(shù)的推廣及應(yīng)用。采用分離式廢鋼預(yù)熱系統(tǒng)，結(jié)合某公司電爐的能耗數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算其節(jié)能效果見表-1。由表可以看出，采用廢鋼預(yù)熱煉鋼，綜合節(jié)能率在10～15％，節(jié)約電耗在150～170kwh/t。

采用此技術(shù)，還將大幅縮短冶煉時(shí)間，提高生產(chǎn)率，在對(duì)電爐不做改造，供電方式及操作工藝不變的情況下，對(duì)產(chǎn)能的影響程度按照以下公式計(jì)算：

t1=電爐中所需電耗 ～120/160 min

總冶煉時(shí)間t2=t1+100 min

產(chǎn)能增加率 η=(1-t2/220)x100

計(jì)算結(jié)果見表-2，從表中可看出，隨著預(yù)熱溫度的提高，鋼在電爐中的熔化時(shí)間不短縮短。當(dāng)預(yù)熱溫度為1200℃時(shí)，熔化時(shí)間可縮短40％，總的冶煉時(shí)間可縮短23％。如果充分利用爐外精煉設(shè)備對(duì)鋼水的后處理，讓電爐只作為熔煉爐使用，則廢鋼預(yù)熱對(duì)電爐產(chǎn)能的提高將更為明顯。

表-1 預(yù)熱溫度 能耗對(duì)比分析表

表-2 不同預(yù)熱溫度對(duì)冶煉時(shí)間的影響分析表

另外，廢鋼預(yù)熱冶煉工藝產(chǎn)生的效益不只體現(xiàn)在節(jié)能上，因縮短冶煉時(shí)間其效益還表現(xiàn)在：

(1)由于冶煉周期縮短，電極消耗和耐火材料的消耗都將有一定的下降，并延長(zhǎng)爐體的使用壽命，降低電爐維修成本。

(2)廢鋼經(jīng)過加熱后，可充分除去廢鋼中的水分和表面有機(jī)廢物，有利于降低鋼水中的含氣量，為后續(xù)精煉工藝階段提供有力條件。

(3)因?yàn)橐睙挄r(shí)間縮短，廢鋼在爐內(nèi)的氧化減少，排出的煙塵量將有較大的降低，同時(shí)也減少了除塵設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷，具有較好的社會(huì)環(huán)保效益。

4.影響因素分析

對(duì)于整體式結(jié)構(gòu)，由于在大型電爐已經(jīng)有所應(yīng)用，經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較多。在此主要對(duì)分離式結(jié)構(gòu)做重點(diǎn)分析，以了解各種因素對(duì)節(jié)能效果的影響程度。

預(yù)熱溫度的影響，從表-2可以看出，預(yù)熱溫度越高，節(jié)能及縮短的冶煉時(shí)間的效果越明顯。但對(duì)于預(yù)熱爐而言，隨著預(yù)熱溫度的提高，其自身的熱效率將降低，從而影響總的節(jié)能效果。隨著預(yù)熱溫度的提高，當(dāng)大于1300℃時(shí)，對(duì)于預(yù)熱爐的結(jié)構(gòu)、材料、燃燒控制、使用壽命都提出了更高的要求，投資也會(huì)相應(yīng)增加，因此預(yù)熱溫度不宜超過1200℃。

吊運(yùn)及出爐時(shí)間的影響：應(yīng)該盡量縮短這些時(shí)間，否則將大大減少實(shí)際帶入電爐中剛料的有效熱，明顯減少廢鋼預(yù)熱的節(jié)能效果。為縮短這些時(shí)間，預(yù)熱爐與電爐在工藝上的布置上要盡量靠近，以便于熱廢鋼的裝爐。對(duì)于分離式預(yù)熱爐結(jié)構(gòu)，還需要考慮縮短裝爐時(shí)間，以一到二次操作就完成全部的裝爐為宜。這樣不會(huì)因?yàn)椴僮鞔螖?shù)太多而影響預(yù)熱爐內(nèi)廢鋼的溫度和爐溫，從而提高預(yù)熱爐的熱效率。

預(yù)熱爐的結(jié)構(gòu)及燃燒方式：其結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有裝爐出爐操作方便，投資少，熱效率高的特點(diǎn)。目前運(yùn)用較多的高溫空氣蓄熱燃燒技術(shù)的熱效率可達(dá)到60％，高的還可達(dá)70％。這還是在軋鋼生產(chǎn)的加熱爐上統(tǒng)計(jì)測(cè)量的，如果應(yīng)用于預(yù)熱爐，應(yīng)該還可達(dá)到更高一些的熱效率。因此說，高溫空氣蓄熱燃燒技術(shù)應(yīng)該是一種較為理想的燃燒技術(shù)，能獲得較高的熱效率。

三、結(jié)束語

一項(xiàng)技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵，在于證明其工藝及環(huán)境效益的同時(shí)，還要證明其相對(duì)便捷及無損于生產(chǎn)效率。沒有哪種技術(shù)方案可以滿足各種煉鋼操作要求，相反，煉鋼廠家必須優(yōu)先考慮重點(diǎn)目標(biāo)，再考慮不同爐子設(shè)計(jì)對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)的貢獻(xiàn)。

毫無疑問，當(dāng)前電爐設(shè)計(jì)趨勢(shì)表明，今后爐子設(shè)計(jì)在電能利用及化學(xué)能輸入上都將達(dá)到極高水平。一種能源與另一種能源相比，各用多少取決于當(dāng)?shù)馗鞣N能源成本及使用效率。許多煉鋼新技術(shù)現(xiàn)正轉(zhuǎn)向商業(yè)化，幾乎所有這些技術(shù)目的都是降低輸入功率及達(dá)到最高煉鋼能效。因此有些技術(shù)力圖在煉鋼中最大限度利用化學(xué)能，這類技術(shù)幾乎完全是根據(jù)假設(shè)平衡條件，用氧與燃料(碳、CO、天然氣)充分反應(yīng)使煉鋼達(dá)到最大限度能量輸入。而另一些技術(shù)是力圖通過回收廢氣中的能量，利用爐子的輸入能(豎爐、Consteel、EOF爐)。這類技術(shù)的立足點(diǎn)是依賴廢氣向廢鋼的高效傳熱，這就需要廢鋼與廢氣之間的最佳接觸。各種廢鋼預(yù)熱技術(shù)只要按最新環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，就都會(huì)有助于降低能耗，提高產(chǎn)量并會(huì)因此減少溫室氣體排放。

煉鋼技術(shù)會(huì)繼續(xù)改進(jìn)，不但會(huì)設(shè)法再優(yōu)化電爐能源利用效率，還會(huì)力求整個(gè)煉鋼系統(tǒng)總體最佳?？傊钪匾囊稽c(diǎn)是優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，而不是優(yōu)化生產(chǎn)鏈上的某個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)。提高工藝靈活性的同時(shí)，操作技術(shù)將變得更為復(fù)雜。這就需對(duì)操作技術(shù)有深刻的了解，只有這樣才能更好地控制煉鋼技術(shù)，進(jìn)而對(duì)電爐結(jié)構(gòu)的選擇作出更周密的思考。預(yù)計(jì)，今后幾年會(huì)產(chǎn)生更多的新型爐子設(shè)計(jì)。只要有電爐煉鋼存在，這種努力就不會(huì)止步。

在電爐煉鋼生產(chǎn)工藝中，應(yīng)用廢鋼預(yù)熱技術(shù)可取得較好的節(jié)能效果，對(duì)于小型電爐，采用分離式廢鋼預(yù)熱形式，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能增產(chǎn)，在廢鋼預(yù)熱到1200℃時(shí)，可取得節(jié)能16％，增產(chǎn)20％左右的綜合效益，是一項(xiàng)很有實(shí)用價(jià)值和環(huán)保意義的一項(xiàng)工藝技術(shù)，值得大力推廣使用。