電弧爐煙氣全余熱回收裝置的研究

董茂林，廖 強(qiáng)(.重慶大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400004；2.中冶賽迪技術(shù)研究中心有限公司，重慶400020)

1 概述

在電弧爐冶煉的過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔猓液瑝m量高[1]。高溫含塵煙氣攜帶的熱量約為電弧爐輸入總能量的11%,有的甚至高達(dá)20%。這些高溫?zé)煔獠粌H帶走大量的熱，而且給電弧爐的除塵系統(tǒng)帶來了巨大的負(fù)擔(dān)，不但降低了氧化鐵的回收率，而且造成了嚴(yán)重的污染問題[2-3]。國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)為了進(jìn)一步降低電弧爐煉鋼成本，電弧爐工序普遍出現(xiàn)鐵水兌廢鋼冶煉模式，有的鐵水比例高達(dá)70%左右，呈現(xiàn)電弧爐設(shè)備“轉(zhuǎn)爐化”的趨勢(shì)[4]。隨著電弧爐入爐鐵水比例增加，產(chǎn)生的煙氣溫度、流量、CO含量及含塵量相對(duì)全廢鋼電弧爐均有大幅增加。如何將這部分高溫?zé)煔庵械娘@熱充分地回收，變廢為寶，使余熱回收系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，同時(shí)降低除塵系統(tǒng)運(yùn)行成本和企業(yè)的生產(chǎn)成本，是電弧爐煉鋼企業(yè)必須重視的問題。

目前國(guó)內(nèi)和國(guó)際上的電弧爐仍有很多沒有回收煙氣余熱[5]，有的只是部分回收了煙氣余熱[6]，隨著兌鐵水比例的增加，電弧爐煙氣的溫度變得更高。電弧爐蓋頂部主要有4個(gè)孔，3個(gè)電極孔用來插入電極，第4個(gè)孔用來引出煙氣，因此業(yè)內(nèi)通常稱電弧爐的一次煙氣為四孔煙氣，以區(qū)別于電弧爐密閉罩內(nèi)的煙氣和屋頂罩的煙氣。若不回收四孔煙氣的全部余熱，將會(huì)造成大量的能源浪費(fèi)。因此筆者參與研發(fā)、中試建設(shè)了一套電弧爐煙氣全余熱回收裝置，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，以便對(duì)電弧爐煙氣余熱回收系統(tǒng)的煙氣溫度、換熱系數(shù)、煙氣組成、煙氣流量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究。

2 電弧爐煙氣全余熱回收裝置

研發(fā)的電弧爐煙氣全余熱回收裝置見圖1，裝置設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。該裝置采用高低壓復(fù)合循環(huán)的冷卻方式，Ⅰ段煙道、燃燒沉降室頂蓋、Ⅱ段煙道、列管余熱鍋爐均采用汽化冷卻方式(指與水進(jìn)行換熱，使水汽化，從而煙氣降溫)回收電弧爐四孔煙氣約250～2 100 ℃的全部余熱，具有顯著的節(jié)能效果。

圖1 電弧爐煙氣全余熱回收裝置1.密閉罩 2.電弧爐 3.水冷彎頭 4.水冷滑套 5.Ⅰ段煙道 6.燃燒沉降室 7.Ⅱ段煙道 8.列管余熱鍋爐 9.布袋除塵器 10.風(fēng)機(jī) 11.煙囪 12.3個(gè)電極 T1～T7.溫度測(cè)點(diǎn) C1～C3.煙氣組成測(cè)點(diǎn)

表1 電弧爐煙氣全余熱回收裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

煙氣從電弧爐抽出后，與從水冷彎頭和水冷滑套間環(huán)縫混入的空氣一起進(jìn)入Ⅰ段煙道，在Ⅰ段煙道內(nèi)，煙氣降溫后進(jìn)入燃燒沉降室。燃燒沉降室頂蓋采用了汽化冷卻結(jié)構(gòu),下半部分采用混凝土和耐火材料。燃燒沉降室設(shè)計(jì)的目的是，在燃燒沉降室內(nèi)，煙氣中的CO燃盡，同時(shí)煙氣攜帶的粉塵粗顆粒也經(jīng)重力除塵沉降下來。其后煙氣進(jìn)入Ⅱ段煙道進(jìn)行換熱，進(jìn)一步降溫后進(jìn)入列管余熱鍋爐，降溫至250 ℃以下后與密閉罩出口的除塵風(fēng)混合送入布袋除塵器，除塵達(dá)標(biāo)后的煙氣經(jīng)過風(fēng)機(jī)從煙囪排出。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

為了研究不同鐵水加入量(本文中鐵水比例均指質(zhì)量分?jǐn)?shù))下電弧爐煙氣全余熱回收裝置的煙氣組成、溫度及換熱情況，沿?zé)煔饬飨虿贾脺囟葴y(cè)點(diǎn)7個(gè)，分別是Ⅰ段煙道入口處T1、Ⅰ段煙道中部T2、Ⅰ段煙道出口處T3、燃燒沉降室中部T4、燃燒沉降室出口處T5、Ⅱ段煙道出口T6、列管余熱鍋爐出口T7。煙氣組成測(cè)點(diǎn)3個(gè)，C1、C2、C3。

3.1 煙氣全余熱回收裝置總體情況

研發(fā)團(tuán)隊(duì)在電弧爐煙氣全余熱回收裝置的列管余熱鍋爐出口裝設(shè)了煙氣溫度測(cè)點(diǎn)T7，收集了3個(gè)多月共計(jì)1 000多爐次的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，兌鐵水的比例從全廢鋼到80%鐵水，列管余熱鍋爐出口的煙氣溫度均能控制在250 ℃以下，說明煙氣全余熱回收裝置在變工況條件下能夠回收電弧爐四孔煙氣250～2 100 ℃的全部余熱。

3.2 Ⅰ段煙道煙氣溫度及換熱情況

鐵水加入量不同的情況下，四孔煙氣的溫度、組成均有顯著的不同。選取鐵水加入比例接近50%時(shí)的典型工況進(jìn)行測(cè)試，此時(shí)鐵水加入量為53.7 t，廢鋼加入量為58.4 t，鐵水加入比例為47.9%。冶煉過程大體分為3個(gè)階段:加料階段、冶煉階段(包括通電、吹氧工序)和出鋼階段。圖2給出該典型工況在一個(gè)正常冶煉周期內(nèi)，Ⅰ段煙道入口、中部、出口處煙氣溫度隨時(shí)間的變化曲線。從圖2可看出，Ⅰ段煙道煙氣溫度在加料階段和冶煉階段初期(前10 min)由于沒有CO的燃燒放熱，溫度較低，并且沿程的溫度變化不大。在冶煉階段吹氧開始后，Ⅰ段煙道入口處的溫度迅速升高，并且在高溫(800 ℃以上)保持約31 min，該時(shí)段是吹氧過程CO大量產(chǎn)生的時(shí)間。Ⅰ段煙道入口處的溫度明顯高于Ⅰ段煙道中部的溫度，原因是Ⅰ段煙道入口處于CO的燃燒區(qū)域，此時(shí)煙氣的溫度很高，而且Ⅰ段煙道采用汽化冷卻，煙道外壁接近于定壁溫，煙氣與煙道之間的輻射和對(duì)流換熱都很強(qiáng)，因此Ⅰ段煙道中部與Ⅰ段煙道入口的煙氣溫差很大，最大溫差達(dá)574 ℃。到了冶煉后期，煙氣溫度開始下降，并且沿程的溫度差異減小。測(cè)試的Ⅰ段煙道入口最高溫度達(dá)1 982 ℃(遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[7]報(bào)道的1 600 ℃)，中部最高溫度為1 408 ℃，出口最高溫度為1 267 ℃，Ⅰ段煙道中部和出口的最大溫差為141 ℃。經(jīng)測(cè)試，此時(shí)煙氣的流量為226 341 m3/h。

圖2 Ⅰ段煙道冶煉周期內(nèi)的煙氣溫度

煙道入口到中部、中部到出口的平均熱流密度計(jì)算式為：

式中q——平均熱流密度，kW/m2

在完成出塊者選舉之后，出塊者負(fù)責(zé)完成區(qū)塊生成的工作。區(qū)塊一般要包括本輪產(chǎn)生的交易、上個(gè)區(qū)塊的哈希值、時(shí)間戳等內(nèi)容。在這里，區(qū)塊生成又可以分為2類：第1類是一個(gè)出塊者只負(fù)責(zé)生成一個(gè)區(qū)塊，下一個(gè)區(qū)塊由新的出塊者生成，如比特幣；第2類是一個(gè)出塊者對(duì)應(yīng)多個(gè)區(qū)塊，一個(gè)出塊者工作的整個(gè)時(shí)間周期被稱為一個(gè)時(shí)期，一個(gè)時(shí)期包括多個(gè)輪，每一輪對(duì)應(yīng)一個(gè)區(qū)塊，如Bitcoin-NG等。出塊者在生成區(qū)塊之后，將區(qū)塊在全網(wǎng)進(jìn)行廣播。

hin——入口煙氣的單位體積焓，kJ/m3

hout——出口煙氣的單位體積焓，kJ/m3

qV——煙氣流量，m3/h

A——換熱面積，m2

煙道各測(cè)試段的傳熱系數(shù)計(jì)算公式為：

式中K——傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

通過計(jì)算，在該典型工況下，Ⅰ段煙道上半部分(從入口到中部)的平均熱流密度達(dá)999.8 kW/m2,Ⅰ段煙道下半部分(中部到出口)的平均熱流密度為327.2 kW/m2，Ⅰ段煙道上半部分的平均熱流密度為下半部分平均熱流密度的3.06倍。Ⅰ段煙道上半部分的傳熱系數(shù)為657 W/(m2·K),下半部分的傳熱系數(shù)為277 W/(m2·K),上半部分的傳熱系數(shù)為下半部分的2.37倍。

3.3 燃燒沉降室煙氣溫度及換熱情況

燃燒沉降室冶煉周期內(nèi)的煙氣溫度見圖3。從圖3可以看出，燃燒沉降室中部和燃燒沉降室出口溫度比較接近，Ⅰ段煙道出口到燃燒沉降室中部，到燃燒沉降室出口溫差均不大，Ⅰ段煙道出口最高溫度與燃燒沉降室中部最高溫度差僅為27 ℃，燃燒沉降室中部最高溫度和燃燒沉降室出口最高溫度差僅為21 ℃。雖然燃燒沉降室頂部采用了汽化冷卻結(jié)構(gòu)，但其冷卻降溫的效果并不明顯，反而由于燃燒沉降室四壁均采用耐火保溫結(jié)構(gòu)，其保溫效果明顯，在冶煉初期，出現(xiàn)燃燒沉降室出口煙氣溫度高于燃燒沉降室中部煙氣溫度的情況，燃燒沉降室對(duì)煙氣進(jìn)行了加溫。燃燒沉降室是一個(gè)大的蓄熱體，熱惰性較大，且煙氣在燃燒沉降室內(nèi)的流動(dòng)比較緩慢，因此燃燒沉降室充分起到了沉降和蓄熱的作用，減小了余熱鍋爐出口的煙氣溫度波動(dòng)。

圖3 燃燒沉降室冶煉周期內(nèi)的煙氣溫度

3.4 Ⅱ段煙道的煙氣溫度及換熱情況

燃燒沉降室出口就是Ⅱ段煙道的入口，Ⅱ段煙道入口及出口在冶煉周期內(nèi)煙氣的溫度曲線見圖4。從圖4可以看出，冶煉初期燃燒沉降室出口與Ⅱ段煙道出口煙氣溫差較小，隨著冶煉的進(jìn)行，煙氣溫度升高，進(jìn)出口溫差也加大。Ⅱ段煙道入口最高溫度為1 219 ℃，此時(shí)Ⅱ段煙道出口溫度為853 ℃，溫差為366 ℃，此時(shí)Ⅱ段煙道的平均熱流密度為226.4 kW/m2,Ⅱ段煙道傳熱系數(shù)為273.6 W/(m2·K)，該傳熱系數(shù)與Ⅰ段煙道下半部分的傳熱系數(shù)相近。

圖4 Ⅱ段煙道冶煉周期內(nèi)的煙氣溫度

3.5 煙氣組成

研發(fā)團(tuán)隊(duì)分別測(cè)試了鐵水比例為47.9%時(shí)Ⅰ段煙道中部及出口煙氣組成在冶煉周期內(nèi)的變化，分別見圖5和圖6。圖中只給出了CO、CO2和O2體積分?jǐn)?shù)的變化，剩余氣體為N2。在3個(gè)不同位置測(cè)試了煙氣中主要組分CO、CO2、O2的含量，所取的3個(gè)測(cè)試點(diǎn)為：Ⅰ段煙道中部C1、Ⅰ段煙道出口C2、燃燒沉降室出口C3。

圖5 Ⅰ段煙道中部冶煉周期內(nèi)煙氣組成

圖6 Ⅰ段煙道出口冶煉周期內(nèi)煙氣組成

從圖5可以看出，在整個(gè)冶煉周期內(nèi)，Ⅰ段煙道中部CO體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)很小了，在0.39%以內(nèi)，并且在整個(gè)冶煉周期中變化很小，平均值為0.19%，波動(dòng)范圍為0.06%～0.39%。冶煉周期內(nèi)Ⅰ段煙道中部CO2體積分?jǐn)?shù)變化較大。0～6 min為加料階段，之后進(jìn)入冶煉階段，但冶煉初期(6～10 min)由于沒有吹氧，CO2體積分?jǐn)?shù)均較低，在0.51%～3.08%波動(dòng)，O2體積分?jǐn)?shù)較高，在18.32%～20.18%波動(dòng)。從10 min開始吹氧，CO2體積分?jǐn)?shù)逐漸上升，28 min時(shí)上升到8.97%，此時(shí)O2體積分?jǐn)?shù)相應(yīng)地從18.81%降低到12.04%。28 min左右，吹氧和脫碳進(jìn)入平穩(wěn)期，此時(shí)CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最高值，約9.5%，O2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最低值，約11.5%。28～38 min為平穩(wěn)期，38～46 min吹氧逐漸結(jié)束，CO2體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，O2體積分?jǐn)?shù)逐漸上升。

從圖5、6可以判斷進(jìn)入Ⅰ段煙道中部時(shí)，煙氣中的CO已經(jīng)基本燃盡，到Ⅰ段煙道出口時(shí)，煙氣中的CO已全部燃盡。這是由于通過電弧爐的爐門、電極孔等孔洞的漏氣已經(jīng)讓爐內(nèi)煙氣的CO燃燒了一大部分，在水冷滑套處，較小的開度已經(jīng)能夠保證煙氣中的CO全部燃盡。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了減小空氣的混入量，可以考慮進(jìn)一步減小水冷滑套處的開度，甚至可以將水冷滑套的開度降為0，只需滿足煙氣中CO燃盡即可，這樣可以保持較小的過剩空氣系數(shù)，減小風(fēng)機(jī)的負(fù)荷，同時(shí)能夠回收更多的煙氣余熱。

4 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)大部分電弧爐都沒有做到四孔煙氣余熱的全部回收。研發(fā)了電弧爐煙氣全余熱回收裝置，在某鋼廠110 t電弧爐上進(jìn)行了中試，對(duì)煙氣溫度、煙氣組成及換熱情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論。

① 兌鐵水的比例從全廢鋼到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%鐵水，電弧爐煙氣全余熱回收裝置出口的煙氣溫度均能控制在250 ℃以下，說明煙氣全余熱回收裝置在變工況條件下能夠回收電弧爐四孔煙氣250～2 100 ℃的全部余熱。

② 鐵水加入量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))約50%的典型工況下，Ⅰ段煙道入口煙氣最高溫度可達(dá)1 982 ℃。

③ 鐵水加入量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))約50%的典型工況下，Ⅰ段煙道上半部分平均熱流密度高達(dá)999.8 kW/m2,傳熱系數(shù)高達(dá)657 W/(m2·K)；下半部分平均熱流密度為327.2 kW/m2,傳熱系數(shù)為277 W/(m2·K),Ⅰ段煙道上半部分的平均熱流密度為下半部分熱流密度的3.06倍。一個(gè)冶煉周期內(nèi)的煙氣最大溫差為1 624 ℃。如此高的熱流密度及溫度交變，在Ⅰ段煙道設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮如此大幅波動(dòng)的煙氣溫度所造成的汽化冷卻煙道的疲勞問題。

④ 燃燒沉降室頂蓋雖然采用了汽化冷卻結(jié)構(gòu)，但其換熱量很小。由于燃燒沉降室四周及底部采用了耐火材料結(jié)構(gòu)，具備很好的蓄熱作用，減小了燃燒沉降室出口、Ⅱ段煙道及后續(xù)列管余熱鍋爐的溫度波動(dòng)，在冶煉初期還出現(xiàn)了燃燒沉降室加熱煙氣的情況。

⑤ 從冶煉周期煙氣組成來看，由于漏風(fēng)等原因，電弧爐第四孔出口到Ⅰ段煙道中部時(shí)煙氣中的CO已經(jīng)基本燃盡。主要原因可能是電弧爐的觀火孔、電極孔等孔隙的漏風(fēng)率已經(jīng)很高，造成電弧爐內(nèi)已經(jīng)有大量CO燃燒。因此為了減少漏入空氣量，保持合理的過剩空氣系數(shù)，減小一次風(fēng)機(jī)負(fù)荷，盡量多地回收煙氣余熱，此時(shí)水冷滑套的開度要盡可能小，同時(shí)應(yīng)盡可能減少電弧爐孔隙的漏風(fēng)量。