90t電弧爐煙氣余熱回收設備選型與實踐

王學義，馬全峰，宋智宇

（天津鋼管集團股份有限公司特鋼公司，天津300301）

由于我國廢鋼資源的短缺，電弧爐煉鋼生產中普遍使用鐵水熱裝技術，鐵水為煉鋼過程提供大量的物理熱和化學熱。隨著鐵水的裝入比例的增加、碳氧槍的應用和供氧強度的加大，電弧爐產生的煙氣量增加，其最高溫度可達1 400 ℃[1]。高溫煙氣顯熱帶走的熱量約為電弧爐輸入總能量的15%以上[2]。

當前國內電弧爐煉鋼余熱回收主要存在以下問題：部分電弧爐沒有配套余熱回收系統(tǒng)，致使電弧爐生產過程中產生的大量余熱直接浪費；另一部分電弧爐配備的傳統(tǒng)余熱回收工藝技術落后，不但余熱回收效率低，而且滿足不了電弧爐生產升級改造的需要。

為了充分回收利用電弧爐的余熱，同時滿足生產需要，達到節(jié)能減排的目的，對電弧爐煉鋼余熱綜合利用勢在必行。

1 電弧爐概況及其煙氣特點

1.1 電弧爐工藝參數

電弧爐主要工藝技術參數見表1。

表1 電弧爐主要工藝技術參數

1.2 電弧爐煙氣特點

電弧爐產生的煙氣含塵量較高、粒度小，其粒度通常小于20 μm，附著性強、沖刷力大，用傳統(tǒng)余熱回收工藝常常出現系統(tǒng)堵塞、設備沖刷損壞等問題。電弧爐生產是間斷模式，煙氣流量、溫度、成分隨冶煉過程周期性波動，所產生蒸汽也是間斷式的，難以直接利用。

1.3 電弧爐煙氣余熱利用現狀

某公司90 t 電弧爐在冶煉過程中，爐內煙氣由第四孔進入水冷彎煙道，然后進入水冷沉降室，煙氣從水冷沉降室出來后再經過水冷煙道進入空氣冷卻器，溫度降至350 ℃左右，并與來自屋頂罩溫度為60 ℃的二次煙氣相混合，經過混合后的煙氣溫度低于130 ℃，進入袋式除塵器除塵凈化后排放，造成大量能源浪費，進行煙氣余熱利用改造迫在眉睫。

2 汽化冷卻技術與熱管換熱技術對比分析

2.1 技術簡介

汽化冷卻技術和熱管換熱技術是在電弧爐余熱回收中常用的兩種技術，兩種技術各有優(yōu)劣，選用時要按照實際情況綜合考量。

汽化冷卻是采用軟化水以汽化的方式冷卻高溫煙氣并吸收大量的熱量從而產生蒸汽的裝置。其工作過程是：高溫煙氣通過汽化冷卻煙道壁面，將熱量傳導給壁面另一側管道中的水使其部分蒸發(fā)在蒸發(fā)管內形成汽水混合物，蒸汽上升進入汽包，經過汽水分離后，蒸汽引出進入蓄熱器儲存，最終送入蒸汽管網供給外部，而水則下降重新進入汽化器下聯箱，補充的水供給繼續(xù)蒸發(fā)，循環(huán)往復，達到冷卻和產生蒸汽的目的[3]。

熱管利用了熱傳導原理與工質在相變過程中吸收或釋放潛熱原理，將熱量高效快速的傳遞出去[4]。熱管作為熱管換熱器的核心部件，將高溫煙氣的熱量傳遞給水套內的飽和水并使其汽化，產生的蒸汽經過上升管升至汽包，集中分離后輸出蒸汽，通過外部汽-水管道的上升及下降完成汽-水循環(huán)，使汽包內的水轉化為飽和蒸汽，達到利用余熱的目的[5]。

2.2 兩種技術的對比分析

2.2.1 煙氣的利用效率

汽化冷卻技術：包含高溫汽化冷卻系統(tǒng)和低溫汽化冷卻系統(tǒng)，可以將煙氣從1 200 ℃冷卻到200 ℃以下。其蒸汽量供給較為穩(wěn)定，并不會隨時間而降低或衰減。

熱管換熱技術：采用水作為熱管工作介質，靠對流輻射傳導熱量，最佳熱能回收區(qū)在500 ℃以下，因而只有低溫汽化冷卻系統(tǒng)，無高溫汽化冷卻系統(tǒng)，高溫段熱能不能得到利用。

2.2.2 使用壽命和可維護性

汽化冷卻技術：該技術較成熟。其系統(tǒng)在保證制作質量基礎上使用壽命可達8年以上，且維修方便。由于電弧爐后端采取了布袋除塵，如果出現管道漏水，不會產生泄爆現象，用戶可以在合適的時候進行維修。系統(tǒng)采用機械清灰方式，運行可靠性良好。

熱管換熱技術：作為近年來新興起的余熱回收技術，在低溫和穩(wěn)定溫度下有較好的效果。如果熱管一端損壞，不影響系統(tǒng)正常運行。如果兩端損壞，則同樣會產生漏水，而且熱管損壞的部位很難被發(fā)現，難以維修。所以，隨著損壞熱管增加，產生的蒸汽會越來越少。由于熱管系統(tǒng)不容易發(fā)現壞管，易造成壞管累積而導致系統(tǒng)壽命衰減，一般在投入運行4 年左右須考慮系統(tǒng)的更換問題。熱管系統(tǒng)采用氣體爆破清灰，效果并不理想。

2.2.3 蒸汽生產的穩(wěn)定性及輸送

汽化冷卻技術：由于系統(tǒng)運行穩(wěn)定，其蒸汽量供給也較為穩(wěn)定，并不會隨時間而降低或衰減。該系統(tǒng)產生的蒸汽壓力可達3.5～4 MPa，高壓蒸汽有利于降低蒸汽傳輸成本。

熱管換熱技術：熱管內部會產生原理性的化學相容反應，在內部產生滯凝氣體氫氣，致使導熱性能的下降從而導致蒸汽量的衰減。由熱管系統(tǒng)產生的蒸汽壓力只有1.5 MPa 左右，在蒸氣傳輸過程中，需要采用較大口徑的管道輸送蒸汽，使得保溫層的成本投入大。

經過綜合對比，本文所研究的90 t 電弧爐余熱回收系統(tǒng)改造選用汽化冷卻技術。

3 90t電弧爐余熱回收系統(tǒng)改造與實踐

3.1 系統(tǒng)組成和工作原理

3.1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成如圖1 所示。該系統(tǒng)分為高溫汽化冷卻系統(tǒng)和低溫汽化冷卻系統(tǒng)，由水冷汽化煙道、廢熱鍋爐、除鹽水包、高壓汽水包、儲汽包等組成。

3.1.2 煙氣余熱利用

電弧爐高溫煙氣的余熱回收經過兩級處理。

第一級采用汽化冷卻方式，將高達1 500 ℃的高溫煙氣通過汽化冷卻方式換熱降至500～600℃的中溫煙氣，同時生產出部分蒸汽。

電弧爐第四孔出來的高溫煙氣（1 300～1 500 ℃）首先進入汽化彎煙道，隨后進入汽化燃燒沉降室，在燃燒沉降室內完成煙氣可燃成分的完全燃燒以及大顆粒物的沉降；經過沉降室除去大顆粒后的高溫煙氣再進入汽化冷卻煙道進一步換熱降溫，溫度降至500～600 ℃。

第二級采用對流鍋爐方式，溫度降至500～600 ℃的煙氣進入對流余熱鍋爐后進行換熱，經余熱鍋爐換熱后的煙氣溫度再降至180 ℃，同時生產出另一部分蒸汽。

最后經余熱鍋爐排出的煙氣，同頂吸低溫煙氣混合后，溫度降至130 ℃以下后進入布袋除塵器。

3.1.3 汽水系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)供水。從除鹽水站接入的除鹽水，首先進入除氧器除氧，經除氧后的水由鍋爐給水泵經省煤器提溫后給汽包補水。

（2）汽水循環(huán)。該系統(tǒng)的汽水循環(huán)分為兩部分，分別為自然循環(huán)和強制循環(huán)。其中，汽化冷卻部分為強制循環(huán)，汽包水經強制循環(huán)水泵供至各汽化冷卻裝置，換熱后產生的汽水混合再回到汽包；余熱鍋爐采用自然循環(huán)，汽包水下降至鍋爐下聯箱，經換熱后產生的汽水混合經鍋爐上聯箱回到汽包。回到汽包的汽水混合經汽水分離后，生產出蒸汽。

圖1 余熱回收系統(tǒng)組成及煙氣流程圖

（3）蒸汽的穩(wěn)定連續(xù)性。因電弧爐生產的間斷性，導致蒸汽生產波動性很大，為形成穩(wěn)定可用的蒸汽，在系統(tǒng)后部配置3臺蓄熱器，經蓄熱器穩(wěn)定后，根據用戶需求向外輸出所需的蒸汽。

3.2 關鍵部件

3.2.1 活動滑套

活動滑套的設計是為了第四孔彎頭和沉降室上的彎管配合的適當。電弧爐和沉降室上方彎管處的縫隙可以放進稀釋空氣，用于二次燃燒從電弧爐工藝中耗散出來的未燃盡的C，CO，H2等。與此同時，除了二次燃燒所必須的稀釋空氣，滑套也用來優(yōu)化/最小化混風量。特別是，要控制二次燃燒后的殘氧含量大約在10%～12%，才可以確保未燃氣體完全燃燒。在電弧爐冶煉過程中，可以通過改變滑套的位置來控制間隙開口度，此過程是通過專用的自動控制的液壓缸來實現的。

某公司90 t電弧爐改造采用了內置滑套的冷卻導流裝置，包括導流主體和內置滑套，導流主體的上端通過內置滑套與第四孔相連通，導流主體的下端與燃燒沉降室相連通。通過設計內置滑套，將原本煙道的水平直段省略簡化，使煙塵沒有沉積空間，杜絕了煙氣對導流裝置的沉積。此處設計使導流主體與燃燒沉降室具有一定夾角，便于煙塵在重力的作用下自然滑入燃燒沉降室內，同時還緩沖了煙氣對導流裝置的側壁沖擊和磨損，導流更加順暢。

3.2.2 角管式余熱鍋爐

角管式鍋爐利用不受熱的下降管和靈活的混合物管，是一種水循環(huán)特性非常好的鍋爐。由于這種鍋爐的下降管布置在角上，不僅作為水循環(huán)通道，而且還是鍋爐支撐框架的一部分，節(jié)省了材料。電弧爐角管式余熱鍋爐具有以下特點：

（1）余熱鍋爐為臥式結構，煙氣與列管換熱器橫向沖刷，具有氣流通暢、阻力小、易清灰等優(yōu)點。

（2）角管式鍋爐的四角為大直徑厚壁的下降管與汽包、集箱、受熱面、加強梁等組成框架式結構，無鋼架結構，抗震性好。

（3）角管式鍋爐的汽包為外置式縱向布置或橫向布置，汽包布置在余熱回收系統(tǒng)的最高點，減小了汽包和冷卻段之間的距離。

（4）受熱面通道四周均采用全封閉膜式壁結構，密封性好，適于電弧爐高低溫頻繁交替的工況。

（5）鍋爐設計為輕型的爐墻保溫結構，外側敷設一定厚度（200 mm 左右）的保溫材料，外面再包以外護板，鍋爐啟動運行爐墻的蓄熱量小，鍋爐保溫性能好，外表美觀整潔。

3.2.3 煙氣蓄熱裝置

電弧爐煉鋼時，會產生大量的高溫間歇性煙氣，而大量的高溫間歇性煙氣對于余熱回收產生了諸多不利影響：高溫煙氣尖峰溫度高，繼而導致余熱回收裝置超溫損壞；造成余熱回收裝置產汽不穩(wěn)定，同時不利于保證設備的穩(wěn)定性；無法利用煙氣自身熱量對蒸汽進行加熱；加大了余熱回收系統(tǒng)設計、制造、操作、維護難度；余熱回收系統(tǒng)投資大，壽命短。

某公司90 t電弧爐改造時采用了一種新型間歇性高溫煙氣蓄熱裝置。該裝置可蓄熱、平抑煙氣溫度波動，實現煙氣溫度平穩(wěn)輸出，同時還可滿足后續(xù)余熱回收裝置飽和蒸汽過熱需求。該系統(tǒng)包括蓄熱主體、煙氣入口和煙氣出口，蓄熱主體通過煙氣入口與燃燒沉降室的高溫煙氣出口相連通，蓄熱主體包括殼體、在殼體內部由下而上依次設置有支撐架、支撐篦子板、蓄熱用耐材和頂部吹灰裝置；蓄熱用耐材包括多條供煙氣導流的通道。

該系統(tǒng)最終實現了出口煙氣溫度的基本穩(wěn)定。煙氣穩(wěn)定后，余熱回收系統(tǒng)設計耐溫大幅下降，其設計、制造、操作、維護難度也相應大幅下降，余熱回收系統(tǒng)投資大大降低，系統(tǒng)使用壽命也得以延長。

3.2.4 換熱器清灰系統(tǒng)

考慮到來自于電弧爐的煙氣煙塵含量大（大約20～30 g/m3（標準）），余熱鍋爐的流道必須配有全自動的振打清灰系統(tǒng)，此系統(tǒng)安裝在熱對流段可以實現對熱交換器的清潔工作。振打系統(tǒng)通過振動來清理熱交換器表面積灰。運行時通過下落錘旋轉打擊撞桿，以此敲擊加強端頭板的背面，產生的沖擊能量傳導到管壁表面從而去除煙塵沉積。這種清灰系統(tǒng)可以24小時不間斷運行，也可以根據實際測量的灰塵量去設定工作時間、選擇運行周期。特別是當灰塵量很少時，振打系統(tǒng)可以停機。清理下來的粉塵在換熱器底部的灰斗內不斷堆積，通過刮板機，斗提機輸送至灰倉儲存，然后定期外運。

3.3 控制系統(tǒng)

整套余熱回收系統(tǒng)全部由PLC 系統(tǒng)自動控制。在控制系統(tǒng)中，設置了多達15個與電弧爐生產相連鎖的參數，以保證余熱系統(tǒng)與電弧爐生產的完美匹配。根據電弧爐工作狀態(tài)實時調控煙氣量，從而實現煙氣量的優(yōu)化控制，使得電弧爐熱損失減少的同時，提高余熱回收效率；通過分析煙氣中的CO濃度，控制空氣配風量，以實現CO 的完全燃燒，在提高熱效率的同時，避免了CO 的安全事故。對爐水進行導電率監(jiān)測，并自動連鎖排污，保證爐水鹽分控制在規(guī)定的范圍內，以保障系統(tǒng)的換熱效率和安全性。

余熱回收系統(tǒng)設備通過專有的本地控制箱可以直接控制（用于所有信號的控制）?，F場控制箱與自動化系統(tǒng)可以進行通訊，下達所有現場指令和報警控制信號。所有的現場控制箱與主要控制站（PLC）通過以太網/Profibus 連接。

余熱回收系統(tǒng)設有不同的控制站，控制站可以設定工藝參數。余熱回收系統(tǒng)參數，如相關的物理特性參數，閥的工作狀態(tài)，流量等，通過人機交互界面可以連續(xù)的監(jiān)控。圖2為余熱回收系統(tǒng)的運行界面。

圖2 余熱回收系統(tǒng)運行控制界面圖例

3.4 具體改造內容實施效果

3.4.1 改造內容

（1）將電弧爐現有燃燒室、沉降室、水冷煙道拆除，全部改造為水冷汽化煙道，使水冷汽化煙道末端煙氣溫度降至650 ℃以下。現電弧爐水冷煙道循環(huán)水系統(tǒng)停用。

（2）將現有除塵機力風冷器拆除，新建廢熱鍋爐，并配置水泵房、除鹽水包、高壓汽水包、儲汽包、PLC室等。

（3）配套建設一個供水量為40 t/h的除鹽水處理系統(tǒng)。

3.4.2 實施效果

電弧爐余熱綜合利用技術應用于90 t 電弧爐，經過實踐檢驗，效果良好，具有以下主要優(yōu)點：

（1）取消了原有的水冷卻、風冷卻裝置，小時節(jié)電400kW·h；

（2）充分利用電弧爐煙氣余熱，產生11 MPa飽和蒸汽，回收蒸汽量242 kg/t鋼；

（3）停用了原有VD抽真空用的20 t/h燃氣鍋爐

（4）關停了30 t/h燃煤采暖鍋爐；

（5）第四孔后的冷卻煙道從6個月的使用壽命提高到2年以上，提高了電弧爐作業(yè)率；

（6）降低了余熱鍋爐的排煙溫度，提升了除塵布袋的使用壽命；

（7）降低了原來水、電等介質的消耗；

（8）各設備及輔機運行效果良好，系統(tǒng)運行安全可靠，保證了電弧爐的正常生產。

4 結論

（1）余熱回收能夠有效節(jié)約能源，減少能耗，是實現綠色電弧爐煉鋼的一個重要環(huán)節(jié)。

（2）汽化冷卻技術相比熱管換熱技術，具有煙氣利用效率高、易于維護、壽命長等優(yōu)勢。（3）90 t電弧爐余熱回收系統(tǒng)改造采用了電弧爐余熱綜合利用技術，完全符合國家關于節(jié)能減排，余熱回收的指導方針，能降低電弧爐煉鋼的噸鋼能耗指標，為企業(yè)及社會帶來切實的利益，開拓了一條新途徑。