高鈦渣直流電爐煤氣干法冷卻及凈化系統(tǒng)設計要點

王 斌，曾萬川，華志宇

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650231)

0 引 言

國內鈦渣、錳硅合金、高碳錳鐵、高碳鉻鐵等行業(yè)冶煉通常采用大型三相交流礦熱爐，多為敞口或半密閉電爐。生產工藝多為一次性加料，爐膛熱量總結從煙道散出，電爐熱損失大，能源嚴重浪費，加之因煤氣無效燃燒產生的尾氣體積巨大，較煤氣增加4～10倍，加大了后續(xù)除塵的體量和電耗。總而言之，敞開式及半密閉電爐裝備落后，污染嚴重、熱輻射高、電耗高、操作環(huán)境惡劣、對電網沖擊大等，缺陷嚴重。

目前世界上最為先進的高鈦渣冶煉方法是密閉直流電爐(以下簡稱DC爐)空心電極連續(xù)加料冶煉方式。

鈦氧化物的鈦-氧鍵很牢固，導致鈦鐵礦按其組成熔點在1 580～1 700 ℃，且鈦渣的熔點隨其中TiO2的含量增加而升高，故熔煉鈦渣要在高溫下進行，電極發(fā)熱量必須高度集中在還原熔煉區(qū)。鈦鐵礦在融化狀態(tài)具有較大的電導性，在1 500 ℃為2.0～2.5 ks/m，在1 800 ℃時為5.5～6.0 ks/m，隨著還原熔煉過程的進行，熔體內的FeO減少，TiO2和低價鈦氧化物的含量增加，電導率迅速上升，而一般的爐渣在1 750 ℃時電導率僅為100 s/m。鈦鐵礦的這一特性奠定了熔煉鈦渣直流電爐的開弧熔煉的特征優(yōu)勢：即熔煉鈦渣的熱量主要產生于電極末端至熔池表面之間的電弧熱。

DC爐在爐膛內為垂直導電方式，爐底為陽極，冶煉時不受電阻率的影響，易于實現高電壓長弧冶煉操作，提高冶煉速度，提高爐容利用系數，降低電耗，可比交流電爐節(jié)電10 %～15 %，在鋼鐵企業(yè)基本取代了交流爐煉鋼。

DC爐在其冶煉過程中因開弧冶煉，產生大量的1 800 ℃高溫煤氣，因煙氣帶走的熱量，包括煙氣顯熱、煤氣的化學能，相當于輸入爐內電能轉化的熱量，因此，充分進行高鈦渣電爐余熱回收，是鈦渣生產降耗的重要措施之一。如將煤氣顯熱回收，加之煤氣燃燒鍋爐，產生蒸汽向下游用戶供熱或發(fā)電，可實現回收輸入電能的35 %～45 %的能源。

龍佰集團將武定新立鈦業(yè)公司收購，現擬國內自行開發(fā)設計制造2臺高鈦渣DC爐，在DC爐煤氣系統(tǒng)擬進行干法冷卻、凈化、煤氣回收，實現多爐煤氣并網運行。

1 高鈦渣直流電爐煤氣冷卻、凈化、回收現狀及難點

1.1 國內外已有工藝

我國高鈦渣冶煉行業(yè)，目前大多使用三相交流電爐進行高鈦渣冶煉生產，2010年前多用敞開式或半密閉式電爐，能耗3 500～4 500 kW/t；2009年，云南冶金集團在武定新立公司，由德國DEMAKE公司引進1臺30 MVA高鈦渣直流電爐，系目前國內唯一應用于高鈦渣生產的直流電爐，因生產技術消化不足、生產管理、市場行情等因素，時斷時續(xù)生產，一直未能達產達標，但在未回收余熱資源的條件下，已經將電爐能耗降至2 600～2 800 kW/t；自2011年開始，國內佰利聯(lián)公司、攀枝花鋼鐵公司分別實施了1×25 MVA、2×30 MVA高鈦渣交流電爐冶煉項目，并獲得成功，電爐能耗2 800～3 000 kW/t。

原有的敞開式或半密閉式高鈦渣電爐大多進行煙氣濕法除塵降溫后排放，能耗極高，并有二次污染的可能；部分半密閉式電爐參照硅鐵、鉻鐵電爐設置了煙道式余熱鍋爐進行回收余熱，降溫后的煙氣進入收塵系統(tǒng)除塵后排放，但在經濟效益、環(huán)境保護上仍然具有較大的差距。

在2005年前的鉻鐵、錳鐵全密閉交流電爐生產設施當中，煤氣凈化系統(tǒng)大多使用濕法除塵技術，帶來體量巨大的冷卻污水凈化工作，存在極大的環(huán)保風險。

由德國DEMAKE公司引進的30 MVA高鈦渣直流電爐配套使用了Theisen公司煙氣凈化洗滌系統(tǒng)濕法除塵技術，以克服高溫煤氣帶來的種種難題。如，濕法除塵可快速將電爐高溫煤氣當中未燃燒完全的火星熄滅，同時將煤氣溫度降低至飽和溫度，消除爆炸安全隱患，并將煤氣當中的SO2、SO3清洗干凈。事實上，國外鐵合金行業(yè)鮮有干法冷卻、凈化煤氣的工藝應用。

25 MVA與30 MVA高鈦渣交流電爐系引進烏克蘭電爐技術，目前在國內僅3座。其中，在高鈦渣交流電爐煤氣凈化系統(tǒng)中，使用了由成都易態(tài)科技有限公司開發(fā)的高溫YT膜除塵器作為主要精細除塵設備，工作溫度在400～500 ℃運行。但此工藝仍然具有一定的限制性，如煤氣溫度低于360 ℃，則煤氣當中的煤焦油將形成，容易將過濾元件氣孔敷死，而溫度高于800 ℃，煤氣當中的熔融粉塵亦可粘附于過濾元件表面，使反吹系統(tǒng)失效。目前，該技術已經應用于較多的鉻鐵、錳鐵全密閉交流電爐煤氣凈化系統(tǒng)當中。

另外在鐵合金全密閉交流電爐煤氣凈化系統(tǒng)當中，亦有使用高溫不銹鋼濾網除塵器、高溫電除塵器進行高溫精細除塵，并獲得一定成果。

國內鐵合金電爐煤氣顯熱已有企業(yè)開始回收，但因煤氣顯熱體量小，故以生產熱水和低品質蒸汽為主，用于冬季取暖和烘干原料使用。

1.2 直流電爐煤氣干法降溫回收難點

國內有色冶金企業(yè)在DC爐煤氣干法降溫除塵工藝尚未實際運用，但三相交流高鈦渣電爐干法收塵近年已經較為成熟，尤其是YT膜干法除塵器、高溫不銹鋼濾網除塵器，工作溫度控制在370～550 ℃之間，可以利用在DC爐煤氣冷卻回收系統(tǒng)的局部環(huán)節(jié)上。

該項目系世界上第一座使用干法收塵的直流DC爐，與三相交流高鈦渣電爐干法收塵、DC爐濕法收塵相比，DC爐煤氣干法降溫、除塵、回收系統(tǒng)設計工程具有以下難點：

(1)因DC爐開弧冶煉，煤氣出口溫度極高，達到1 800 ℃，而交流爐埋弧冶煉，煤氣出口溫度僅800～1 100 ℃，故交流爐煤氣只需一般的水套煙道即可將煤氣冷卻至YT膜除塵器所需的400～500 ℃，DC爐需設置換熱面積更大的冷卻煙道，為交流爐的3～4倍。

(2)交流爐煤氣粉塵為固體粉塵，僅需設置一定的傾斜角度及振動下料；DC爐煤氣粉塵呈熔融狀態(tài)，一般在800～850 ℃凝固，凝固時容易粘結在冷卻煙道內表面，需要合理布置冷卻煙道溫度區(qū)間，設置防結渣措施，同時加設檢修孔和振動裝置。

(3)DC爐煤氣降溫需要管道長度較長，發(fā)生爆炸事故的概率較交流爐大，需設置可靠的防爆、泄爆裝置，要求該裝置在泄爆過程，可快速關閉，保證外部空氣不進入煤氣管道內部。

(4)根據其他行業(yè)的大量高溫煤氣冷卻降溫實際操作經驗，高溫段的磨損遠遠較溫度低于900 ℃以下的水冷煙道為重，故DC爐煤氣冷卻系統(tǒng)高溫段、水冷煙道彎曲段需考慮防磨損措施。

(5)DC爐煤氣冷卻系統(tǒng)高溫段還需考慮足夠的溫度補償措施，如高溫膨脹節(jié)、恒力支座等。

(6)因DC爐使用無煙煤作為還原劑，故煤氣當中的SO2、SO3含量經測算在400 mg/Nm3以上，遠遠高于使用焦炭的交流電爐，并且在煤氣溫度低于150 ℃后，將對煤氣系統(tǒng)的設備產生嚴重的電化學腐蝕和晶間腐蝕。

(7)目前的高溫干法除塵器仍然受溫度限制較為嚴重，工作溫度一般控制在400～550 ℃之間，僅短時可達800 ℃。

2 DC爐煤氣冷卻、凈化系統(tǒng)設計

根據工藝條件、武定DC爐實際取樣及測量，電爐煙氣主要成分為可利用的CO氣體，約70 %～85 %，含塵濃度為5～15 g/Nm3；煙氣正常生產溫度1 775 ℃，出口平均氣量8 416 Nm3/h，最大11 000 Nm3/h，煙氣成分見表1。

表1 電爐出口煙氣成分表

煙氣中的O2系在加料過程及系統(tǒng)密封因素進入的空氣形成。

按照目前國家針對冶金企業(yè)提出的《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》(國發(fā)〔2018〕22號)和《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》(環(huán)大氣〔2019〕35號的要求，經過凈化后的凈煤氣含塵宜<10 mg/Nm3，即如不與可產生粉塵的物料混燒，煙氣粉塵含量達到可直接排放標準。凈化過程中產生的含TiO2煙塵經收集返回料倉。經處理后的爐氣如下：

凈煤氣量：9 071 Nm3/h，爐氣溫度：50 ℃；爐氣成分見表2。

表2 凈煤氣成分表

凈煤氣中N2的變化系因凈化除塵系統(tǒng)為保證爐內微正壓操作，由氮氣反吹、回流(合計655 Nm3/h)而成。

2.1 DC爐顯熱回收及經濟效益

按照DC爐實際生產的煙氣參數看，具有巨大的回收經濟價值。每標方的DC爐煤氣，由1 800 ℃冷卻至100 ℃，可有效釋放2 923 kJ/Nm3的熱量；而交流爐煤氣可有效釋放的熱量僅為1 150 kJ/Nm3，為DC爐的40 %。按單臺DC爐的平均煤氣發(fā)生量計算，設計DC爐汽化冷卻煙道，可產生0.8 MPa飽和水蒸氣8.8 t/h，按最大煤氣發(fā)生量，可生產0.8 MPa飽和水蒸氣11.5 t/h，年經濟效益1 254.5 萬元/年。按照實際蒸汽發(fā)電經驗折算，0.8 MPa飽和水蒸氣8.8 t/h，有效發(fā)電750～780 kW/h，可將高鈦渣生產能耗由2 600～2 800 kW/t降低至2 000 kW/t內。

針對DC爐煙氣生產特性，進行3種方案比對：①設計DC爐汽化冷卻煙道，2臺DC爐配合1臺1 500 kW/h透平發(fā)電機組，預計投資3 000 萬元，余熱回收量占輸入電量的26.79 %；②考慮到目前國內鮮有發(fā)電量小于3 000 kW/h的蒸汽發(fā)電機組，故考慮使用高溫水冷煙道，每臺DC爐配合1臺ORC(有機朗肯循環(huán))發(fā)電機組，單臺發(fā)電機組裝機容量400 kW/h，輸出300 kW/h，預計投資1 400 萬元，余熱回收量占輸入電量的10.71 %；③按全部普通水冷煙道考慮，不考慮余熱回收，預計投資45 萬元，此時僅有投入，無回報。見表3。

表3 DC爐煙氣熱平衡比對表

項目名稱單位數量備注高溫水套進水溫度℃65出水溫度℃95用水量t/h196.2配用水泵功率kW37.0揚程40 m系統(tǒng)裝機功率kW400汽化冷卻水套進水溫度℃105出汽溫度℃170.4蒸汽產量t/h11.5配用水泵功率kW18.5揚程100 m系統(tǒng)裝機功率kW1500

根據熱平衡理論計算結果，進行余熱回收經濟效益比對：①投資回報率以高溫熱水方案為佳，在扣除普通煙道投資450萬元的基礎上，增加投資750萬元，5年可收回增加的投資，而汽化冷卻方案，需要6.5年時間；②從整體余熱回收效率而言，汽化冷卻方案為佳；③從安全運行角度出發(fā)，則普通水套的安全程度最高。見表4。

表4 余熱回收經濟效益比對表

結合上述，就DC爐煙道冷卻，擬采取高溫熱水方案進行，初期運行仍然按照水冷煙道標準運行，在DC爐系統(tǒng)運行達標后，投入ORC發(fā)電機組運行。

2.2 冷卻凈化系統(tǒng)設計

針對DC爐荒煤氣溫度極高、設備布置緊湊的特點，人字水冷煙道設計為一種帶翅片的膜式水冷煙道，增大了換熱面積；設計研發(fā)了一種帶煤氣冷卻功能的重力除塵器，以保證高溫精細除塵器煤氣入口溫度控制在370～550 ℃。

DC爐煤氣冷卻凈化系統(tǒng)由6個子系統(tǒng)組成：①人字水冷煙道系統(tǒng)；②重力除塵器系統(tǒng)；③高溫精細除塵系統(tǒng)；④凈煤氣冷凝引風系統(tǒng)；⑤除鹽水給排水系統(tǒng)；⑥ORC發(fā)電機組系統(tǒng)。

2.2.1 人字水冷煙道系統(tǒng)

由人字水冷煙道、重力除塵器及凈煤氣的一二級煤氣冷凝器共同組成高溫煤氣冷卻降溫系統(tǒng)，將由DC爐煤氣溫度由1 800 ℃降至50 ℃。

DC爐系統(tǒng)操作存在4種典型工況，煤氣溫度控制在1 500～1 800 ℃之間：

(1)正常生產工況，全負荷運行，煤氣發(fā)生量最高可達9 000～11 000 Nm3/h。

(2)出渣、出鐵工況，煤氣發(fā)生量3 000～3 500 Nm3/h。

(3)爐內產生泡沫渣工況，電極迅速提起，煤氣發(fā)生量3 000～3 200 Nm3/h。

(4)爐內爐壁掛渣時期，50 %負荷運行，煤氣發(fā)生量6 000～7 000 Nm3/h。

人字水冷煙道參照煉鋼轉爐的汽化冷卻煙道轉換設計而來，根據各典型工況確定了邊界條件類型，建立了物理模型，由于該模型存在一定的化學反應過程，因此煙氣的物性參數采用混合定律來處理。因煙氣溫度非常高，在600～1 800 ℃區(qū)間，氣體傳熱的方式由輻射傳熱和對流傳熱兩種組成；在50～600 ℃區(qū)間，氣體傳熱的方式主要為對流傳熱。

考慮DC爐設備布置空間狹小，冷卻煙道采用翅片膜式壁水冷煙道形式，煙道流通直徑DN1 200，每段由44根φ57×7換熱管及扁鋼-40×6構成。水冷煙道由5段組成，分為高溫入口段、煤氣上升段、人字段、煤氣下降段、重力除塵器入口段，每段根據所處部位特點設置不同附屬設施。全部人字水冷煙道均按照汽化冷卻煙道標準設計。人字水冷煙道管道材質根據不同部位，選用15CrMo、Q345R、Q245R鋼管。鈦渣爐冷卻降溫凈化系統(tǒng)布置見圖1。

圖1 高鈦渣DC爐煤氣冷卻凈化設備布置圖

(1)高溫入口段考慮內部換熱管道磨損，在入口段2 m范圍內設置7層導流板，避免熔融狀態(tài)粉塵粘結和磨損換熱管，見圖2。導流板材質使用310 s(工作溫度1 150 ℃)，與換熱管夾角25°，在每2根換熱管之間設置導流腰圓孔1個；換熱管與連接扁鋼焊接考慮熱膨脹應力變化，內側焊腳高度2.5～3 mm，外側焊縫4～4.5 mm；全管段設置雙翅片換熱管，見圖3。增加流動阻力，可有效防止煤氣粉塵對換熱管的長期磨損，翅片與換熱管連續(xù)滿焊，焊腳高度2 mm；中部吊架設置為滑移恒力吊架。

圖3 換熱管與扁鋼、翅片焊接

圖2 入口段高溫導流板

(2)煤氣上升段吊架亦設置為固定恒力吊架，并于人字段之間、高溫入口段之間設置非金屬耐高溫膨脹節(jié)，以吸收高溫入口段、煤氣上升段之間的熱膨脹，膨脹量按汽化冷卻煙道考慮，便于日后技改；上升管全管段設置單翅片，見圖4。

圖4 上升管單翅片

(3)人字煙道為固定段，設置檢修口和煤氣彈簧式泄爆口，在下降側設置防磨導流板，見圖5。導流板材質Q345R，與換熱管中心線夾角25°。

圖5 人字段導流板

(4)煤氣下降段材質使用Q245R，內設單翅片，以增加換熱面積，同時減小凝固粉塵對換熱管的磨損，其熱膨脹由設置于下降管和人字管之間的非金屬耐高溫膨脹節(jié)吸收。

(5)煤氣粉塵凝固區(qū)主要考慮在重力除塵器內，故入口段要考慮水冷煙道彎角的磨損，在磨損大的區(qū)間設置導流板。

(6)高密封型耐高溫非金屬補償器可以適應100～1 200 ℃的劇烈的交變高溫，自帶水冷盤管，在管道軸向、徑向的位移具有較大的補償量，同時該非金屬補償器具有很高的密封性能。在轉爐一次煙氣管道系統(tǒng)中已有良好的實用性，見表5。

表5 人字水冷煙道技術參數表

2.2.2 重力除塵器系統(tǒng)

重力除塵器系為滿足高溫精細除塵設備工作溫度要求而單獨開發(fā)研制的帶有煤氣冷卻功能的預沉降室。

重力除塵是利用粉塵的質量將粉塵除去。除塵效率與粉塵質量密切相關，其可以輕易除去質量較大的顆粒，但不容易除去質量較小的顆粒，特別是對細微粉塵(do<1 μm)的去除基本無能為力。在鐵合金礦熱爐中，粉塵大部分為微細顆粒，約占含塵的55 %～70 %；故系統(tǒng)當中的重力除塵器的凈化效率僅35 %～40 %。

該重力除塵器公稱直徑DN3 400，煤氣入口DN1 200，出口2×DN600，入口壓力-1 kPa，出口壓力-2 kPa，阻力小于1 kPa；有效換熱面積96 m2，除塵器體積：，煤氣流速≤1 m/s，煤氣在重力除塵器內部停留時間：3.5 s。

重力除塵器煤氣進口溫度925～900 ℃，出口溫度400 ℃。

其中，重力除塵器給水分為兩2個回路，單獨給水，可有效調節(jié)煤氣出口溫度，確保煤氣出口溫度控制在400～550 ℃區(qū)間內。

2.2.3 高溫精細除塵系統(tǒng)

國內高溫精細除塵制備設計及制造已經較為成熟，對高溫精細除塵系統(tǒng)提出技術要求，工藝、電氣、儀表進行系統(tǒng)集成即可，如下：

(1)進口最大流量11 000 Nm3/h，進口含塵量>6 g/Nm3，出口含塵量<10 mg/Nm3；

(2)除塵器阻力：<3 kPa

(3)除塵系統(tǒng)要求滿足介質溫度400～550 ℃區(qū)間內運行；

(4)使用高溫惰性氣體進行反吹；

(5)設置防結露系統(tǒng)，防止開、停機結露和焦油糊膜；

(6)荒煤氣溫度高于550 ℃或低于煤焦油析出溫度，均不得進入高溫精細除塵器。

(7)高溫排灰，排灰溫度≥400 ℃。

(8)在線監(jiān)測，PLC或DCS自動控制。

2.2.4 煤氣過濾后冷凝引風系統(tǒng)

在高溫精細除塵器后設置煤氣一級冷凝器一臺、煤氣引風機2臺(一開一備)、煤氣二級冷凝器2臺。

(1)煤氣一級冷凝器，進氣溫度：450 ℃，進氣工作壓力：-6 kPa；出氣溫度：200 ℃，出氣工作壓力-7 kPa；換熱管規(guī)格：φ57×3，根數：196根，換熱面積：140 m2；阻力損失：1 kPa。

(2)引風機設置于地面。額定風量27 000 m3/h，額定全壓23 kPa，升壓23 kPa，功率280 kW，采用變頻電機。引風機入口壓力>-9 kPa，出口壓力>9 kPa。

(3)煤氣二級冷凝器，進氣溫度：220 ℃，進氣工作壓力：9 kPa；出氣溫度：50 ℃，出氣工作壓力8 kPa；換熱管規(guī)格：φ57×3，根數：164根，換熱面積：160 ；阻力損失：1 kPa。

煤氣二級冷凝器大多無法克服SO2形成的晶間腐蝕，故障率高。故此處設置了一種可抵御晶間腐蝕的專用煤氣冷凝器。

2.2.5 除鹽水給排水系統(tǒng)

整個煤氣冷凝系統(tǒng)用水量為196 t/h，進水溫度65 ℃，出口溫度95 ℃。冷卻水經過換熱面后進入ORC發(fā)電機組系統(tǒng)換熱冷卻至65 ℃后，返回回用水槽，回用水槽容積40 m3。

系統(tǒng)設置熱水泵3臺，兩開一備，流量120 t/h，揚程H=50 m，以滿足冷卻水系統(tǒng)及ORC發(fā)電機組的給水要求。

為保證系統(tǒng)工作順暢、高效，除鹽水給排水系統(tǒng)設置5個回路：①高溫煙氣入口段回路；②煤氣上升管及人字管回路；③下降管及重力除塵器入口管回路；④重力除塵器回路；⑤煤氣一級冷凝器及二級冷凝器回路。每個回路單獨設置排空閥、低點排水閥、進出水溫度檢測、進出水壓力檢測。每個回路(除高溫煙氣入口段外)根據DC爐系統(tǒng)煤氣溫度、流量，通過PLC自控系統(tǒng)進行給水閥門的開閉控制。高溫煙氣入口段回路設置手動閘閥控制，避免系統(tǒng)誤操作。

2.3 ORC發(fā)電系統(tǒng)

ORC發(fā)電工作原理和汽輪機發(fā)電機組相同，只是常規(guī)的汽輪機發(fā)電機組使用的介質是水，而ORC發(fā)電機組使用的是有機物質。有機介質的選定是由余熱的溫度水平決定的，常用的介質有R134、R245fa等，是目前國際通用的制冷劑，安全可靠、無毒不易燃，物理化學特性穩(wěn)定。利用有機介質低沸點特性(35～65 ℃蒸發(fā))，當95 ℃的熱水進入蒸發(fā)器，有機工質在蒸發(fā)器內汽化，當工質溫度達到70℃時，其氣體壓力可達到1.0～1.5 MPa，推動螺桿膨脹機旋轉拖動發(fā)電機，高溫熱水降溫至65 ℃流出。做功后氣體的溫度和壓力降到效率低點，為氣液兩相，經冷凝器冷凝為全液相，進入儲液槽，工質泵將液態(tài)工質泵入蒸發(fā)器，完成一個做功循環(huán)。

ORC發(fā)電裝置效率比中、高溫水平的汽輪機發(fā)電要低很多，ORC發(fā)電效率一般在10 %～15 %左右，目前世界各國的技術水平都是這樣，這是ORC發(fā)電機組的自身特性決定的。

該項目裝機配置為單臺DC爐，設置1臺套，如下：

進水溫度：95 ℃；出口溫度：65 ℃給水壓力：≥0.1 MPa；熱水流量：200 t/h；裝機容量：200 kW自用電：40 kW；輸出功率：160 kW；輸出電壓：380 V。

3 預計運行效果

按照鋼鐵直流電爐尾氣冷卻、高鈦渣交流爐精細除塵和邯鋼動力廠ORC發(fā)電的實際經驗，預計冷卻凈化系統(tǒng)運行效果見表6。

表6 DC爐煤氣冷卻凈化運行預計效果

4 結 語

目前，武定DC爐生產系統(tǒng)在全廠熱平衡方面有較大欠缺，尤其是煤氣的使用不盡合理，如用爐底冷卻的熱風資源進行原料的預熱烘干，則可將大量煤氣用于生產蒸汽，與煙氣冷卻生產的蒸汽進行透平機組的發(fā)電，可獲得最佳經濟效益。