高鈦渣直流電爐煤氣干法冷卻及凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

王 斌，曾萬(wàn)川，華志宇

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650231)

0 引 言

國(guó)內(nèi)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(chǎn)工藝多為一次性加料，爐膛熱量總結(jié)從煙道散出，電爐熱損失大，能源嚴(yán)重浪費(fèi)，加之因煤氣無(wú)效燃燒產(chǎn)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(yán)重、熱輻射高、電耗高、操作環(huán)境惡劣、對(duì)電網(wǎng)沖擊大等，缺陷嚴(yán)重。

目前世界上最為先進(jìn)的高鈦渣冶煉方法是密閉直流電爐(以下簡(jiǎn)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(dǎo)致鈦鐵礦按其組成熔點(diǎn)在1 580～1 700 ℃，且鈦渣的熔點(diǎn)隨其中TiO2的含量增加而升高，故熔煉鈦渣要在高溫下進(jìn)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(dǎo)性，在1 500 ℃為2.0～2.5 ks/m，在1 800 ℃時(shí)為5.5～6.0 ks/m，隨著還原熔煉過程的進(jìn)行，熔體內(nèi)的FeO減少，TiO2和低價(jià)鈦氧化物的含量增加，電導(dǎo)率迅速上升，而一般的爐渣在1 750 ℃時(shí)電導(dǎo)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(shì)：即熔煉鈦渣的熱量主要產(chǎn)生于電極末端至熔池表面之間的電弧熱。

DC爐在爐膛內(nèi)為垂直導(dǎo)電方式，爐底為陽(yáng)極，冶煉時(shí)不受電阻率的影響，易于實(shí)現(xiàn)高電壓長(zhǎng)弧冶煉操作，提高冶煉速度，提高爐容利用系數(shù)，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(chǎn)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(xué)能，相當(dāng)于輸入爐內(nèi)電能轉(zhuǎn)化的熱量，因此，充分進(jìn)行高鈦渣電爐余熱回收，是鈦渣生產(chǎn)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(chǎn)生蒸汽向下游用戶供熱或發(fā)電，可實(shí)現(xiàn)回收輸入電能的35 %～45 %的能源。

龍佰集團(tuán)將武定新立鈦業(yè)公司收購(gòu)，現(xiàn)擬國(guó)內(nèi)自行開發(fā)設(shè)計(jì)制造2臺(tái)高鈦渣DC爐，在DC爐煤氣系統(tǒng)擬進(jìn)行干法冷卻、凈化、煤氣回收，實(shí)現(xiàn)多爐煤氣并網(wǎng)運(yùn)行。

1 高鈦渣直流電爐煤氣冷卻、凈化、回收現(xiàn)狀及難點(diǎn)

1.1 國(guó)內(nèi)外已有工藝

我國(guó)高鈦渣冶煉行業(yè)，目前大多使用三相交流電爐進(jìn)行高鈦渣冶煉生產(chǎn)，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(tuán)在武定新立公司，由德國(guó)DEMAKE公司引進(jìn)1臺(tái)30 MVA高鈦渣直流電爐，系目前國(guó)內(nèi)唯一應(yīng)用于高鈦渣生產(chǎn)的直流電爐，因生產(chǎn)技術(shù)消化不足、生產(chǎn)管理、市場(chǎng)行情等因素，時(shí)斷時(shí)續(xù)生產(chǎn)，一直未能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)，但在未回收余熱資源的條件下，已經(jīng)將電爐能耗降至2 600～2 800 kW/t；自2011年開始，國(guó)內(nèi)佰利聯(lián)公司、攀枝花鋼鐵公司分別實(shí)施了1×25 MVA、2×30 MVA高鈦渣交流電爐冶煉項(xiàng)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(jìn)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(shè)置了煙道式余熱鍋爐進(jìn)行回收余熱，降溫后的煙氣進(jìn)入收塵系統(tǒng)除塵后排放，但在經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)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(chǎn)設(shè)施當(dāng)中，煤氣凈化系統(tǒng)大多使用濕法除塵技術(shù)，帶來(lái)體量巨大的冷卻污水凈化工作，存在極大的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

由德國(guó)DEMAKE公司引進(jìn)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(shù)，以克服高溫煤氣帶來(lái)的種種難題。如，濕法除塵可快速將電爐高溫煤氣當(dāng)中未燃燒完全的火星熄滅，同時(shí)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(dāng)中的SO2、SO3清洗干凈。事實(shí)上，國(guó)外鐵合金行業(yè)鮮有干法冷卻、凈化煤氣的工藝應(yīng)用。

25 MVA與30 MVA高鈦渣交流電爐系引進(jìn)烏克蘭電爐技術(shù)，目前在國(guó)內(nèi)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(xì)除塵設(shè)備，工作溫度在400～500 ℃運(yùn)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(dāng)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(dāng)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(shù)已經(jīng)應(yīng)用于較多的鉻鐵、錳鐵全密閉交流電爐煤氣凈化系統(tǒng)當(dāng)中。

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

國(guó)內(nèi)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(chǎn)熱水和低品質(zhì)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(diǎn)

國(guó)內(nèi)有色冶金企業(yè)在DC爐煤氣干法降溫除塵工藝尚未實(shí)際運(yùn)用，但三相交流高鈦渣電爐干法收塵近年已經(jīng)較為成熟，尤其是YT膜干法除塵器、高溫不銹鋼濾網(wǎng)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(xiàng)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(shè)計(jì)工程具有以下難點(diǎn)：

(1)因DC爐開弧冶煉，煤氣出口溫度極高，達(dá)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(shè)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(shè)置一定的傾斜角度及振動(dòng)下料；DC爐煤氣粉塵呈熔融狀態(tài)，一般在800～850 ℃凝固，凝固時(shí)容易粘結(jié)在冷卻煙道內(nèi)表面，需要合理布置冷卻煙道溫度區(qū)間，設(shè)置防結(jié)渣措施，同時(shí)加設(shè)檢修孔和振動(dòng)裝置。

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

(4)根據(jù)其他行業(yè)的大量高溫煤氣冷卻降溫實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，高溫段的磨損遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(bǔ)償措施，如高溫膨脹節(jié)、恒力支座等。

(6)因DC爐使用無(wú)煙煤作為還原劑，故煤氣當(dāng)中的SO2、SO3含量經(jīng)測(cè)算在400 mg/Nm3以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用焦炭的交流電爐，并且在煤氣溫度低于150 ℃后，將對(duì)煤氣系統(tǒng)的設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的電化學(xué)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(yán)重，工作溫度一般控制在400～550 ℃之間，僅短時(shí)可達(dá)800 ℃。

2 DC爐煤氣冷卻、凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝條件、武定DC爐實(shí)際取樣及測(cè)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(chǎn)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(jìn)入的空氣形成。

按照目前國(guó)家針對(duì)冶金企業(yè)提出的《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》(國(guó)發(fā)〔2018〕22號(hào))和《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》(環(huán)大氣〔2019〕35號(hào)的要求，經(jīng)過凈化后的凈煤氣含塵宜<10 mg/Nm3，即如不與可產(chǎn)生粉塵的物料混燒，煙氣粉塵含量達(dá)到可直接排放標(biāo)準(zhǔn)。凈化過程中產(chǎn)生的含TiO2煙塵經(jīng)收集返回料倉(cāng)。經(jīng)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(nèi)微正壓操作，由氮?dú)夥创怠⒒亓?合計(jì)655 Nm3/h)而成。

2.1 DC爐顯熱回收及經(jīng)濟(jì)效益

按照DC爐實(shí)際生產(chǎn)的煙氣參數(shù)看，具有巨大的回收經(jīng)濟(jì)價(jià)值。每標(biāo)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?jī)H為1 150 kJ/Nm3，為DC爐的40 %。按單臺(tái)DC爐的平均煤氣發(fā)生量計(jì)算，設(shè)計(jì)DC爐汽化冷卻煙道，可產(chǎn)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(chǎn)0.8 MPa飽和水蒸氣11.5 t/h，年經(jīng)濟(jì)效益1 254.5 萬(wàn)元/年。按照實(shí)際蒸汽發(fā)電經(jīng)驗(yàn)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(chǎn)能耗由2 600～2 800 kW/t降低至2 000 kW/t內(nèi)。

針對(duì)DC爐煙氣生產(chǎn)特性，進(jìn)行3種方案比對(duì)：①設(shè)計(jì)DC爐汽化冷卻煙道，2臺(tái)DC爐配合1臺(tái)1 500 kW/h透平發(fā)電機(jī)組，預(yù)計(jì)投資3 000 萬(wàn)元，余熱回收量占輸入電量的26.79 %；②考慮到目前國(guó)內(nèi)鮮有發(fā)電量小于3 000 kW/h的蒸汽發(fā)電機(jī)組，故考慮使用高溫水冷煙道，每臺(tái)DC爐配合1臺(tái)ORC(有機(jī)朗肯循環(huán))發(fā)電機(jī)組，單臺(tái)發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量400 kW/h，輸出300 kW/h，預(yù)計(jì)投資1 400 萬(wàn)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(yù)計(jì)投資45 萬(wàn)元，此時(shí)僅有投入，無(wú)回報(bào)。見表3。

表3 DC爐煙氣熱平衡比對(duì)表

項(xiàng)目名稱單位數(shù)量備注高溫水套進(jìn)水溫度℃65出水溫度℃95用水量t/h196.2配用水泵功率kW37.0揚(yáng)程40 m系統(tǒng)裝機(jī)功率kW400汽化冷卻水套進(jìn)水溫度℃105出汽溫度℃170.4蒸汽產(chǎn)量t/h11.5配用水泵功率kW18.5揚(yáng)程100 m系統(tǒng)裝機(jī)功率kW1500

根據(jù)熱平衡理論計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行余熱回收經(jīng)濟(jì)效益比對(duì)：①投資回報(bào)率以高溫?zé)崴桨笧榧眩诳鄢胀煹劳顿Y450萬(wàn)元的基礎(chǔ)上，增加投資750萬(wàn)元，5年可收回增加的投資，而汽化冷卻方案，需要6.5年時(shí)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(yùn)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(jīng)濟(jì)效益比對(duì)表

結(jié)合上述，就DC爐煙道冷卻，擬采取高溫?zé)崴桨高M(jìn)行，初期運(yùn)行仍然按照水冷煙道標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，在DC爐系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)標(biāo)后，投入ORC發(fā)電機(jī)組運(yùn)行。

2.2 冷卻凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)DC爐荒煤氣溫度極高、設(shè)備布置緊湊的特點(diǎn)，人字水冷煙道設(shè)計(jì)為一種帶翅片的膜式水冷煙道，增大了換熱面積；設(shè)計(jì)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(xì)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(gè)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(xì)除塵系統(tǒng)；④凈煤氣冷凝引風(fēng)系統(tǒng)；⑤除鹽水給排水系統(tǒng)；⑥ORC發(fā)電機(jī)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(jí)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(chǎn)工況，全負(fù)荷運(yùn)行，煤氣發(fā)生量最高可達(dá)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(nèi)產(chǎn)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(nèi)爐壁掛渣時(shí)期，50 %負(fù)荷運(yùn)行，煤氣發(fā)生量6 000～7 000 Nm3/h。

人字水冷煙道參照煉鋼轉(zhuǎn)爐的汽化冷卻煙道轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)而來(lái)，根據(jù)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(xué)反應(yīng)過程，因此煙氣的物性參數(shù)采用混合定律來(lái)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(duì)流傳熱兩種組成；在50～600 ℃區(qū)間，氣體傳熱的方式主要為對(duì)流傳熱。

考慮DC爐設(shè)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(gòu)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(jù)所處部位特點(diǎn)設(shè)置不同附屬設(shè)施。全部人字水冷煙道均按照汽化冷卻煙道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。人字水冷煙道管道材質(zhì)根據(jù)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(shè)備布置圖

(1)高溫入口段考慮內(nèi)部換熱管道磨損，在入口段2 m范圍內(nèi)設(shè)置7層導(dǎo)流板，避免熔融狀態(tài)粉塵粘結(jié)和磨損換熱管，見圖2。導(dǎo)流板材質(zhì)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(shè)置導(dǎo)流腰圓孔1個(gè)；換熱管與連接扁鋼焊接考慮熱膨脹應(yīng)力變化，內(nèi)側(cè)焊腳高度2.5～3 mm，外側(cè)焊縫4～4.5 mm；全管段設(shè)置雙翅片換熱管，見圖3。增加流動(dòng)阻力，可有效防止煤氣粉塵對(duì)換熱管的長(zhǎng)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(shè)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(dǎo)流板

(2)煤氣上升段吊架亦設(shè)置為固定恒力吊架，并于人字段之間、高溫入口段之間設(shè)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(shè)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(shè)置檢修口和煤氣彈簧式泄爆口，在下降側(cè)設(shè)置防磨導(dǎo)流板，見圖5。導(dǎo)流板材質(zhì)Q345R，與換熱管中心線夾角25°。

圖5 人字段導(dǎo)流板

(4)煤氣下降段材質(zhì)使用Q245R，內(nèi)設(shè)單翅片，以增加換熱面積，同時(shí)減小凝固粉塵對(duì)換熱管的磨損，其熱膨脹由設(shè)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(nèi)，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(shè)置導(dǎo)流板。

(6)高密封型耐高溫非金屬補(bǔ)償器可以適應(yīng)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(bǔ)償量，同時(shí)該非金屬補(bǔ)償器具有很高的密封性能。在轉(zhuǎn)爐一次煙氣管道系統(tǒng)中已有良好的實(shí)用性，見表5。

表5 人字水冷煙道技術(shù)參數(shù)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(xì)除塵設(shè)備工作溫度要求而單獨(dú)開發(fā)研制的帶有煤氣冷卻功能的預(yù)沉降室。

重力除塵是利用粉塵的質(zhì)量將粉塵除去。除塵效率與粉塵質(zhì)量密切相關(guān)，其可以輕易除去質(zhì)量較大的顆粒，但不容易除去質(zhì)量較小的顆粒，特別是對(duì)細(xì)微粉塵(do<1 μm)的去除基本無(wú)能為力。在鐵合金礦熱爐中，粉塵大部分為微細(xì)顆粒，約占含塵的55 %～70 %；故系統(tǒng)當(dāng)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(nèi)部停留時(shí)間：3.5 s。

重力除塵器煤氣進(jìn)口溫度925～900 ℃，出口溫度400 ℃。

其中，重力除塵器給水分為兩2個(gè)回路，單獨(dú)給水，可有效調(diào)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(nèi)。

2.2.3 高溫精細(xì)除塵系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)高溫精細(xì)除塵制備設(shè)計(jì)及制造已經(jīng)較為成熟，對(duì)高溫精細(xì)除塵系統(tǒng)提出技術(shù)要求，工藝、電氣、儀表進(jìn)行系統(tǒng)集成即可，如下：

(1)進(jìn)口最大流量11 000 Nm3/h，進(jìn)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(zhì)溫度400～550 ℃區(qū)間內(nèi)運(yùn)行；

(4)使用高溫惰性氣體進(jìn)行反吹；

(5)設(shè)置防結(jié)露系統(tǒng)，防止開、停機(jī)結(jié)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(jìn)入高溫精細(xì)除塵器。

(7)高溫排灰，排灰溫度≥400 ℃。

(8)在線監(jiān)測(cè)，PLC或DCS自動(dòng)控制。

2.2.4 煤氣過濾后冷凝引風(fēng)系統(tǒng)

在高溫精細(xì)除塵器后設(shè)置煤氣一級(jí)冷凝器一臺(tái)、煤氣引風(fēng)機(jī)2臺(tái)(一開一備)、煤氣二級(jí)冷凝器2臺(tái)。

(1)煤氣一級(jí)冷凝器，進(jìn)氣溫度：450 ℃，進(jìn)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(shù)：196根，換熱面積：140 m2；阻力損失：1 kPa。

(2)引風(fēng)機(jī)設(shè)置于地面。額定風(fēng)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(jī)。引風(fēng)機(jī)入口壓力>-9 kPa，出口壓力>9 kPa。

(3)煤氣二級(jí)冷凝器，進(jìn)氣溫度：220 ℃，進(jìn)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(shù)：164根，換熱面積：160 ；阻力損失：1 kPa。

煤氣二級(jí)冷凝器大多無(wú)法克服SO2形成的晶間腐蝕，故障率高。故此處設(shè)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(gè)煤氣冷凝系統(tǒng)用水量為196 t/h，進(jìn)水溫度65 ℃，出口溫度95 ℃。冷卻水經(jīng)過換熱面后進(jìn)入ORC發(fā)電機(jī)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(shè)置熱水泵3臺(tái)，兩開一備，流量120 t/h，揚(yáng)程H=50 m，以滿足冷卻水系統(tǒng)及ORC發(fā)電機(jī)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(shè)置5個(gè)回路：①高溫?zé)煔馊肟诙位芈罚虎诿簹馍仙芗叭俗止芑芈罚虎巯陆倒芗爸亓Τ龎m器入口管回路；④重力除塵器回路；⑤煤氣一級(jí)冷凝器及二級(jí)冷凝器回路。每個(gè)回路單獨(dú)設(shè)置排空閥、低點(diǎn)排水閥、進(jìn)出水溫度檢測(cè)、進(jìn)出水壓力檢測(cè)。每個(gè)回路(除高溫?zé)煔馊肟诙瓮?根據(jù)DC爐系統(tǒng)煤氣溫度、流量，通過PLC自控系統(tǒng)進(jìn)行給水閥門的開閉控制。高溫?zé)煔馊肟诙位芈吩O(shè)置手動(dòng)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(jī)發(fā)電機(jī)組相同，只是常規(guī)的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組使用的介質(zhì)是水，而ORC發(fā)電機(jī)組使用的是有機(jī)物質(zhì)。有機(jī)介質(zhì)的選定是由余熱的溫度水平?jīng)Q定的，常用的介質(zhì)有R134、R245fa等，是目前國(guó)際通用的制冷劑，安全可靠、無(wú)毒不易燃，物理化學(xué)特性穩(wěn)定。利用有機(jī)介質(zhì)低沸點(diǎn)特性(35～65 ℃蒸發(fā))，當(dāng)95 ℃的熱水進(jìn)入蒸發(fā)器，有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)汽化，當(dāng)工質(zhì)溫度達(dá)到70℃時(shí)，其氣體壓力可達(dá)到1.0～1.5 MPa，推動(dòng)螺桿膨脹機(jī)旋轉(zhuǎn)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)，高溫?zé)崴禍刂?5 ℃流出。做功后氣體的溫度和壓力降到效率低點(diǎn)，為氣液兩相，經(jīng)冷凝器冷凝為全液相，進(jìn)入儲(chǔ)液槽，工質(zhì)泵將液態(tài)工質(zhì)泵入蒸發(fā)器，完成一個(gè)做功循環(huán)。

ORC發(fā)電裝置效率比中、高溫水平的汽輪機(jī)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(guó)的技術(shù)水平都是這樣，這是ORC發(fā)電機(jī)組的自身特性決定的。

該項(xiàng)目裝機(jī)配置為單臺(tái)DC爐，設(shè)置1臺(tái)套，如下：

進(jìn)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(jī)容量：200 kW自用電：40 kW；輸出功率：160 kW；輸出電壓：380 V。

3 預(yù)計(jì)運(yùn)行效果

按照鋼鐵直流電爐尾氣冷卻、高鈦渣交流爐精細(xì)除塵和邯鋼動(dòng)力廠ORC發(fā)電的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)冷卻凈化系統(tǒng)運(yùn)行效果見表6。

表6 DC爐煤氣冷卻凈化運(yùn)行預(yù)計(jì)效果

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，武定DC爐生產(chǎn)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(fēng)資源進(jìn)行原料的預(yù)熱烘干，則可將大量煤氣用于生產(chǎn)蒸汽，與煙氣冷卻生產(chǎn)的蒸汽進(jìn)行透平機(jī)組的發(fā)電，可獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益。