曾錦波，卜文平

（1.中鋁環(huán)保節(jié)能科技（湖南）有限公司，長沙 410019；2.新奧（北京）電力服務(wù)有限公司，北京 101102）

硅錳合金是鋼鐵產(chǎn)品的重要原料，其生產(chǎn)工藝具有高耗能、高污染、高排放特征。硅錳合金采用礦熱爐（又稱埋弧還原電爐）生產(chǎn)，其出口高溫?zé)煔饨?jīng)水冷煙道和風(fēng)冷器冷卻降溫、除塵凈化后，將合格的煤氣送入氣柜利用。硅錳合金礦熱爐排出高溫?zé)煔?，但煙塵濃度高、易吸附，容易堵塞換熱設(shè)施，目前暫沒有硅錳合金礦熱爐余熱回收高效的成功案例，大量煙氣余熱經(jīng)煙氣凈化設(shè)施耗散在冷卻水和空氣中。

長期以來，我國鐵合金行業(yè)存在設(shè)備與技術(shù)落后、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，早在2012年，我國鐵合金產(chǎn)能就超過4 000萬t，鐵合金相關(guān)企業(yè)超過2 000家，其主要分布在礦產(chǎn)和電力資源豐富的中西部地區(qū)。錳系鐵合金主要分布在我國西南地區(qū)。隨著國家不斷提高鐵合金行業(yè)準(zhǔn)入門檻，部分落后企業(yè)被淘汰，科技感更強(qiáng)、功率更大的礦熱爐在鐵合金行業(yè)的應(yīng)用率越來越高，目前從整個鐵合金行業(yè)來看，仍有很多礦熱爐存在運行效率低的問題。為了適應(yīng)環(huán)境保護(hù)要求，鐵合金企業(yè)必須加大對清潔生產(chǎn)的投入，如密閉生產(chǎn)、余熱余壓利用、廢棄物利用等。

硅錳合金生產(chǎn)工藝的余熱資源主要有高溫?zé)煔庥酂?、渣余熱、產(chǎn)品余熱等，一般直接外排或者經(jīng)冷卻介質(zhì)耗散到環(huán)境中，造成企業(yè)能耗大，中間介質(zhì)不能回收，增加環(huán)境熱污染和水汽污染。硅錳合金礦熱爐出口煙氣流量大，煙氣經(jīng)水冷夾套冷卻后，出口煙溫為500～800 ℃，煙塵濃度為120～150 g/Nm，煙塵容易黏結(jié)積灰。因此，本文分析了礦熱爐外排高溫?zé)煔獾挠酂峄厥辗椒ā?/p>

1 概述

某企業(yè)礦熱爐生產(chǎn)單位硅錳合金產(chǎn)品的電能消耗約為4 300 kW·h/t，單臺設(shè)備的有功功率約為33 000 kW，其中水冷夾套帶走的熱量約占總熱量的16%，煙氣帶走的熱量約占總熱量的9%。因煙氣含塵量高，該企業(yè)利用余熱回收工藝進(jìn)行回收，但換熱設(shè)施堵塞嚴(yán)重，嚴(yán)重影響余熱回收。為實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，該企業(yè)深挖節(jié)能潛力，盡可能降低能源消費強(qiáng)度。

2 煙氣成分分析

硅錳合金礦熱爐出口煙氣成分如下：H含量為3.5%～12.0%，CO含量約為70%，煙塵含量約為150 g/Nm。煙塵濃度高，成分不同，在不同溫度下，各自特性也不一樣，采集煙塵進(jìn)行成分測試，結(jié)果如表1所示。

表1 煙塵成分測試結(jié)果

數(shù)據(jù)顯示，煙塵主要成分為MnO、SiO、AlO、FeO、KO、SO、CaO等。經(jīng)灰熔融性測試，煙塵變形溫度（）為1 100 ℃，軟化溫度（）為1 140 ℃，半球溫度（）為1 160 ℃，流動溫度（）為1 170 ℃。煙塵測試結(jié)果表明，其含有大量堿金屬，煙塵微粉直徑大多介于0.1～0.5 μm，灰密度小，靜電吸附和微粒間的吸附能力強(qiáng)，易黏結(jié)、不易沉降，容易搭橋積灰，形成熱阻影響通流。

3 余熱回收方案分析

3.1 爐料反應(yīng)機(jī)理

硅錳合金是在礦熱爐內(nèi)用碳還原錳礦和硅石煉成的，在不同反應(yīng)區(qū)按照順序進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。硅錳合金生產(chǎn)過程的還原反應(yīng)如下：

式中：為與錳原子結(jié)合的碳原子數(shù)量。

由式（1）至式（3）可知，錳礦和硅石還原，在高溫下生成更加穩(wěn)定的硅化錳，硅錳合金中溶解的碳隨高溫鎮(zhèn)靜時間的延長而減少，礦熱爐排出的煙氣中，CO占比為70%。其中，碳還原二氧化硅的過程有復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)理。首先，中間產(chǎn)物碳化硅和一氧化硅產(chǎn)生，二者的生成與分解在二氧化硅還原過程中起著重要作用。1 500～1 600 ℃溫度區(qū)間產(chǎn)生以下反應(yīng)：

在爐膛高溫區(qū)域，1 700～1 800 ℃溫度區(qū)間發(fā)生以下反應(yīng)：

溫度大于1 827 ℃時，碳化硅和二氧化硅、一氧化硅發(fā)生反應(yīng)而分解，生成硅和CO。具體反應(yīng)如下：

SiO在爐內(nèi)高溫區(qū)以氣態(tài)形式隨反應(yīng)產(chǎn)生的爐氣在爐料內(nèi)上升，高溫反應(yīng)區(qū)的氣體從料面逸出時，氣體中的SiO與氧氣接觸，發(fā)生如下反應(yīng)：

SiO在1 100 ℃溫度以下不穩(wěn)定，還可能發(fā)生下列反應(yīng)：

但是，還原劑表面優(yōu)先發(fā)生下列反應(yīng)：

從以上反應(yīng)判斷，高硅錳合金含硅量大，如果爐內(nèi)電極上抬、爐料表面溫度高或者原料炭材布料不均勻，均會造成大量SiO氣體外溢，而SiO極易與錳礦中分解出或爐蓋泄漏進(jìn)入的氧氣結(jié)合生成SiO，加上其本身在低溫下的凝析作用，其極易堵塞煙道及凈化設(shè)備。

通過對比礦熱爐正常運行時煙氣中煙塵成分和礦熱爐煙道發(fā)生堵塞時煙塵成分，硅錳合金礦熱爐生產(chǎn)時硅的揮發(fā)是堵塞煙道的主要因素。

3.2 煙氣余熱回收原理

該企業(yè)單臺礦熱爐外排煙氣量約為10 000 Nm/h，爐內(nèi)壓力約為10 MPa，爐體采用水冷除塵降溫處理，未經(jīng)冷卻處理的礦熱爐出口煙氣溫度高達(dá)1 000 ℃。經(jīng)計算，出口煙氣攜帶熱量約15 GJ/h，考慮硫酸露點腐蝕溫度后，余熱排煙熱量約為4 GJ/h，本次可利用余熱資源約為11 GJ/h。實踐經(jīng)驗表明，黏結(jié)性積灰只有在壁面溫度超過某一臨界值時才會出現(xiàn)，一般壁溫不小于500 ℃才能促進(jìn)黏結(jié)性積灰的形成。本次擬采用2.0 MPa、300 ℃蒸汽吸收煙氣余熱，從單位時間消耗來看，折合成2.0 MPa蒸汽約4.1 t/h，折標(biāo)準(zhǔn)煤約397 kgce/h，減少二氧化碳排放約1 103 kg CO/h。

3.3 余熱回收設(shè)施結(jié)構(gòu)

根據(jù)煙塵成分測試結(jié)果，該企業(yè)煙塵含有18.91%的SiO，說明煙氣中SiO、SiO含量高，而礦熱爐出口煙氣溫度約為1 000 ℃，SiO處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，易與爐蓋泄漏進(jìn)入的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，堵塞煙道。余熱回收設(shè)施是煙氣余熱回收的核心設(shè)備，考慮到煙氣CO含量約為70%，余熱回收設(shè)施需要起到安全降塵吸熱的作用，保證煙氣凈化系統(tǒng)正常運行。該企業(yè)擬采用密閉式壓力容器回收煙氣余熱，避免氧氣進(jìn)入，保證煙氣中CO濃度在安全范圍，同時避免漏入氧氣與SiO反應(yīng)而堵塞換熱面。

堿金屬在800 ℃溫度以上即可升華，升華會引起結(jié)焦。高溫?zé)煔夂睙捴猩A的堿金屬氧化物，其易在受熱面管壁冷凝，進(jìn)而與煙氣中SO反應(yīng)形成硫酸鹽，硫酸鹽與煙塵中AlO、MnO反應(yīng)形成復(fù)合鹽，這些反應(yīng)物在500～800 ℃溫度下呈熔融態(tài)或黏性。該企業(yè)擬在煙道入口設(shè)置節(jié)能器，將大空腔密閉式壓力容器入口煙溫控制在煙塵黏結(jié)溫度以下，利用旋風(fēng)除塵方式分離煙氣中煙塵，通過降塵吸熱回收煙氣余熱。大空腔密閉式壓力容器可采用立式或臥式，其流通面積約為9.2 m。

3.4 余熱回收設(shè)施清灰方式

清灰問題一直是制約礦熱爐余熱回收的難點，礦熱爐采用的清灰法有鉻丸法、激波法、爆破法、壓縮空氣法和機(jī)械法等，除塵效果各有差異，近年常用的為鋼球清灰法和鋼刷清灰法。鋼球清灰不易卡澀，可靠性高，但需要專門的鋼球輸送系統(tǒng)，清灰不徹底，局部有積灰。鋼刷清灰效果好，但高溫下易變形，需要定期更換。該企業(yè)擬在余熱回收設(shè)施內(nèi)部采用旋風(fēng)除塵方式，經(jīng)大空腔密閉式壓力容器借助離心力和重力將大部分塵粒從氣流中分離，使塵粒落入余熱回收設(shè)施底部的灰斗，再經(jīng)特殊位置設(shè)置的人孔定期清灰，底部采用螺旋輸粉機(jī)清灰。

3.5 余熱回收設(shè)施的布置

余熱回收設(shè)施的布置綜合考慮礦熱爐煙道出口位置、煙氣凈化設(shè)施的進(jìn)出口參數(shù)要求。其間選擇合適接入點，將余熱回收設(shè)施與煙道出口煙氣凈化設(shè)施旁通布置，控制調(diào)節(jié)閥的開度來調(diào)節(jié)煙氣流量，最大限度回收余熱資源，同時不影響礦熱爐的正常生產(chǎn)。

4 碳減排分析

節(jié)能減排和降碳達(dá)峰是社會發(fā)展的客觀要求，高耗能企業(yè)有市場壓力和社會責(zé)任履行科學(xué)用能義務(wù)，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。礦熱爐屬于高耗能工序，采用余熱回收，投資回收期約為3年，可減少二氧化碳排放約1 103 kg CO/h，折合8 737 t CO/a。

5 結(jié)語

冶煉過程產(chǎn)生大量余熱資源，目前常規(guī)的可利用高溫余熱已經(jīng)基本利用，高粉塵、高黏結(jié)的周期性余熱資源尚未得到經(jīng)濟(jì)有效的回收利用，隨著能源控制的加強(qiáng)，高耗能企業(yè)需要優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)。本研究采用密閉煙氣凈化除塵的原理解決余熱回收降塵難題，實現(xiàn)硅錳合金礦熱爐煙氣余熱回收。余熱回收項目經(jīng)濟(jì)效益可靠，回收期短，但其和場地位置與冶煉工藝緊密相關(guān)?？傮w來看，回收余熱資源，可以降低冶煉能源消耗，節(jié)能減排，最終促進(jìn)企業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。