廢鋼預熱經濟效益分析

文/北京瀚川鑫冶工程技術有限公司 張建國

廢鋼預熱經濟效益分析

Analysis on economic benefit of preheating of scrap

文/北京瀚川鑫冶工程技術有限公司 張建國

本文概述了在電爐煉鋼中節約能源的重要性和環保性，分析了電爐煉鋼的能耗情況，對不同的預熱形式進行了對比分析，并對分離式廢鋼預熱形式的節能效益和影響因素進行了簡單的分析和評估，提出了合理的廢鋼預熱溫度應該在1200度左右，采用廢鋼預熱煉鋼的工藝可取得較好的節能效果 ，大幅縮短冶煉時間，能夠取得較好的經濟效益。總之，預熱廢鋼還可避免濕廢鋼入爐，從而避免爐內發生爆炸，廢鋼預熱還能保證工廠安全及防止設備意外損壞事故，減少電爐煉鋼的電力消耗及提高鋼廠生產效率，對煉鋼企業及社會效益都有重大的現實意義。

電爐煉鋼 廢鋼預熱 節能降耗

追求煉鋼更為經濟、更符合生態要求及具有更大的生產靈活性是每個鋼廠永恒的目標，為此而盡可能采用維護少而工效高的設備。另外，電力成本持續升高、大氣CO2排放條例以及陸地及水源保護法規趨嚴，這些都促使鋼廠在竭力降低能耗及盡量利用生產廢物及介質上做文章想辦法。用廢鋼預熱方法補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，從而實現通過廢鋼預熱裝爐節省能源。

近幾年來，隨著鋼鐵業的飛速發展，電爐——爐外精煉——連鑄連軋短流程新工藝也有了較快的發展，現在國內有多家大型鋼鐵企業都采用此流程工藝，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、建設快、能耗低等優點。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能最重要最主要的環節。外供熱源、電爐煤氧混吹、廢鋼預熱等技術的發展，對電爐的節能起到了極大的作用。

在上述的幾種節能措施中，由于廢鋼預熱方式具有投資少、技術要求低、不影響生產、見效快等特點而具有一定的發展優勢。但由于國內采用廢鋼預熱節能煉鋼的廠家很少，具體的節能效果及影響因素研究的較少。所以非常有必要對廢鋼預熱的節能效果及因素進行分析，為推廣該節能技術提供一定的技術依據。

一、電爐能耗的情況分析

在電爐煉鋼中，電能主要是對爐料進行加熱和熔化。在進入氧化期和還原期時，由于有爐料反應放熱，電能消耗相對少。在熔化廢鋼并將鋼水溫度保持在1520℃的這段時間內，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％，時間約占全爐冶煉時間的一半多。現在發展的超高功率電爐就是為了強化熔化期供熱而縮短熔化時間和用能，從而大大提高生產率。但是，從實質來說，超高功率電爐并沒有提高能源的實際利用效率。

電爐生產中，不同階段的熱效率不一樣，在實際生產中的變化情況分為以下幾點。

(1)開始裝入廢鋼時，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，高峰時可達到80％～90％，在廢鋼熔化逐漸露出電弧時，電弧熱效率隨著下降，低是達到50％～60％；

(2)再裝料時，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，雖然電能作為優質能源，使用中具有很高的效率，但如果考慮到發電效率，用電能對廢鋼加熱，其相對于一次能源而言，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，節能減排成為一項基本國策的發展中的我國來說，如此低的能源利用率是令人難以接受的。

圖-1 大冶特鋼廠內等著卸廢鋼的車隊

圖-2 大治特鋼的廢鋼堆場

二、廢鋼預熱技術

1.廢鋼預熱技術的提出

早期的廢鋼預熱系統采用單獨的熱源，通常是將廢鋼裝在料桶里加熱。據文獻資料報道，這種預熱方式的節能效果最高可達30kWh/t，且由于出鋼時間縮短還能降低電極及耐材消耗。隨著電爐技術的發展，有些廠家做了用爐子廢氣預熱廢鋼的嘗試。但是，缺點是預熱中粉塵會附著在廢鋼上，且由于熱循環中溫度起伏不定，很難控制廢鋼預熱中的廢氣溫度，此外在被預熱的廢鋼內部會形成溫度梯度。而從廢鋼預熱技術要求上，則希望對溫度加以控制，以免廢鋼料桶燒毀和防止料桶內細小廢鋼燃燒或粘附。

那么，在電爐煉鋼生產中，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，并取得了較好的節能效果。德國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，每爐冶煉時間28.2min.日本NKK公司開發的100t環保型高效電弧爐于2001年就在岸和田制鋼投產，為節約電能，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，對電爐補充外供熱，對電耗和冶煉時間都有較大的影響。

據有關資料介紹，當廢鋼進行預熱后，如果廢鋼入爐前的預熱溫度為500℃時，可節省電能25％；如果溫度為600℃～700℃時，可節省電能33％；如果溫度達到900℃時，則可以節省電能50％，冶煉時間也將大幅縮短。

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

2.廢鋼的預熱形式

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

整體式廢鋼預熱設備與電爐聯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加料電弧爐。此種結構形式的最大特點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現節能。新日鐵公司開發的雙殼式電弧爐，一臺爐冶煉的同時，另外一臺爐利用其廢氣對廢鋼進行預熱，廢鋼溫度可達500℃。因此，整體式廢鋼預熱技術其節能效果更加明顯。但由于預熱設備與電爐爐體結合在一起，在建設過程中影響因素較多，需要對電爐進行較大的改造，建設期長并影響生產，為了充分利用高溫煙氣對廢鋼進行預熱，還需要做好爐蓋的密封，并增加設置排煙設備，投資較大。對于中小容量的電爐來說，由于投資大，節能和產生的效益有限，采用此方式受到限制。對于大容量的電爐，采用此方式更為有利。

分離式廢鋼預熱設備由于與電爐爐體分離，不能利用電爐的高溫煙氣，完全靠外供熱能將廢鋼進行加熱預熱，再將加熱后的廢鋼在電爐中利用電能進行熔化冶煉，因此節能效果與整體式結構相比較有所降低，但該形式可將廢鋼預熱到更高的溫度。其他的有點還可表現為：預熱與熔化冶煉分開，更加便于組織生產；廢鋼預熱量和加熱溫度容易控制；外供能源的利用率高，設備使用率高，可以充分發揮設備能力；可分別建設，不影響電爐的生產；設備改造投資少，見效快。從以上的優點可以看出，分離式結構更適合對老電爐、小電爐進行改造，并可實現多爐共用，對減少投資更加有利。

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

另外，對于在電爐上直接安裝燒嘴外供熱量進行煉鋼，進行強化加熱，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間，所以雖然有較好的綜合節能效果，但對提高電爐的生產能力不具有明顯優勢。而采用分離式廢鋼預熱形式，能實現節能又增產的效果。

3.節能效果統計分析

對于整體式廢鋼預熱系統，由于是直接利用電爐內的高溫爐氣，其節能效果很明確，更應該關注的是投資回報的問題。而對于分離式廢鋼預熱系統，由于需要使用外供能源，其節能增產的效果將直接影響該技術的推廣及應用。采用分離式廢鋼預熱系統，結合某公司電爐的能耗數據，經過計算其節能效果見表-1。由表可以看出，采用廢鋼預熱煉鋼，綜合節能率在10～15％，節約電耗在150～170kwh/t。

采用此技術，還將大幅縮短冶煉時間，提高生產率，在對電爐不做改造，供電方式及操作工藝不變的情況下，對產能的影響程度按照以下公式計算：

t1=電爐中所需電耗 ～120/160 min

總冶煉時間t2=t1+100 min

產能增加率 η=(1-t2/220)x100

計算結果見表-2，從表中可看出，隨著預熱溫度的提高，鋼在電爐中的熔化時間不短縮短。當預熱溫度為1200℃時，熔化時間可縮短40％，總的冶煉時間可縮短23％。如果充分利用爐外精煉設備對鋼水的后處理，讓電爐只作為熔煉爐使用，則廢鋼預熱對電爐產能的提高將更為明顯。

表-1 預熱溫度 能耗對比分析表

表-2 不同預熱溫度對冶煉時間的影響分析表

另外，廢鋼預熱冶煉工藝產生的效益不只體現在節能上，因縮短冶煉時間其效益還表現在：

(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，并延長爐體的使用壽命，降低電爐維修成本。

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

(3)因為冶煉時間縮短，廢鋼在爐內的氧化減少，排出的煙塵量將有較大的降低，同時也減少了除塵設備的運行負荷，具有較好的社會環保效益。

4.影響因素分析

對于整體式結構，由于在大型電爐已經有所應用，經驗相對較多。在此主要對分離式結構做重點分析，以了解各種因素對節能效果的影響程度。

預熱溫度的影響，從表-2可以看出，預熱溫度越高，節能及縮短的冶煉時間的效果越明顯。但對于預熱爐而言，隨著預熱溫度的提高，其自身的熱效率將降低，從而影響總的節能效果。隨著預熱溫度的提高，當大于1300℃時，對于預熱爐的結構、材料、燃燒控制、使用壽命都提出了更高的要求，投資也會相應增加，因此預熱溫度不宜超過1200℃。

吊運及出爐時間的影響：應該盡量縮短這些時間，否則將大大減少實際帶入電爐中剛料的有效熱，明顯減少廢鋼預熱的節能效果。為縮短這些時間，預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。對于分離式預熱爐結構，還需要考慮縮短裝爐時間，以一到二次操作就完成全部的裝爐為宜。這樣不會因為操作次數太多而影響預熱爐內廢鋼的溫度和爐溫，從而提高預熱爐的熱效率。

預熱爐的結構及燃燒方式：其結構應該具有裝爐出爐操作方便，投資少，熱效率高的特點。目前運用較多的高溫空氣蓄熱燃燒技術的熱效率可達到60％，高的還可達70％。這還是在軋鋼生產的加熱爐上統計測量的，如果應用于預熱爐，應該還可達到更高一些的熱效率。因此說，高溫空氣蓄熱燃燒技術應該是一種較為理想的燃燒技術，能獲得較高的熱效率。

三、結束語

一項技術開發的關鍵，在于證明其工藝及環境效益的同時，還要證明其相對便捷及無損于生產效率。沒有哪種技術方案可以滿足各種煉鋼操作要求，相反，煉鋼廠家必須優先考慮重點目標，再考慮不同爐子設計對重點目標的貢獻。

毫無疑問，當前電爐設計趨勢表明，今后爐子設計在電能利用及化學能輸入上都將達到極高水平。一種能源與另一種能源相比，各用多少取決于當地各種能源成本及使用效率。許多煉鋼新技術現正轉向商業化，幾乎所有這些技術目的都是降低輸入功率及達到最高煉鋼能效。因此有些技術力圖在煉鋼中最大限度利用化學能，這類技術幾乎完全是根據假設平衡條件，用氧與燃料(碳、CO、天然氣)充分反應使煉鋼達到最大限度能量輸入。而另一些技術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)。這類技術的立足點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。各種廢鋼預熱技術只要按最新環境標準設計，就都會有助于降低能耗，提高產量并會因此減少溫室氣體排放。

煉鋼技術會繼續改進，不但會設法再優化電爐能源利用效率，還會力求整個煉鋼系統總體最佳。總之最重要的一點是優化整個系統的生產成本，而不是優化生產鏈上的某個作業環節。提高工藝靈活性的同時，操作技術將變得更為復雜。這就需對操作技術有深刻的了解，只有這樣才能更好地控制煉鋼技術，進而對電爐結構的選擇作出更周密的思考。預計，今后幾年會產生更多的新型爐子設計。只要有電爐煉鋼存在，這種努力就不會止步。

在電爐煉鋼生產工藝中，應用廢鋼預熱技術可取得較好的節能效果，對于小型電爐，采用分離式廢鋼預熱形式，可實現節能增產，在廢鋼預熱到1200℃時，可取得節能16％，增產20％左右的綜合效益，是一項很有實用價值和環保意義的一項工藝技術，值得大力推廣使用。