硅錳合金礦熱爐煙氣余熱回收方法研究

曾錦波，卜文平

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

硅錳合金是鋼鐵產品的重要原料，其生產工藝具有高耗能、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，其出口高溫煙氣經水冷煙道和風冷器冷卻降溫、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煙氣，但煙塵濃度高、易吸附，容易堵塞換熱設施，目前暫沒有硅錳合金礦熱爐余熱回收高效的成功案例，大量煙氣余熱經煙氣凈化設施耗散在冷卻水和空氣中。

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

硅錳合金生產工藝的余熱資源主要有高溫煙氣余熱、渣余熱、產品余熱等，一般直接外排或者經冷卻介質耗散到環境中，造成企業能耗大，中間介質不能回收，增加環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，煙塵容易黏結積灰。因此，本文分析了礦熱爐外排高溫煙氣的余熱回收方法。

1 概述

某企業礦熱爐生產單位硅錳合金產品的電能消耗約為4 300 kW·h/t，單臺設備的有功功率約為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，該企業利用余熱回收工藝進行回收，但換熱設施堵塞嚴重，嚴重影響余熱回收。為實現高質量發展，該企業深挖節能潛力，盡可能降低能源消費強度。

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，采集煙塵進行成分測試，結果如表1所示。

表1 煙塵成分測試結果

數據顯示，煙塵主要成分為MnO、SiO、AlO、FeO、KO、SO、CaO等。經灰熔融性測試，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，易黏結、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 爐料反應機理

硅錳合金是在礦熱爐內用碳還原錳礦和硅石煉成的，在不同反應區按照順序進行化學反應。硅錳合金生產過程的還原反應如下：

式中：為與錳原子結合的碳原子數量。

由式（1）至式（3）可知，錳礦和硅石還原，在高溫下生成更加穩定的硅化錳，硅錳合金中溶解的碳隨高溫鎮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雜的反應機理。首先，中間產物碳化硅和一氧化硅產生，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 ℃溫度區間產生以下反應：

在爐膛高溫區域，1 700～1 800 ℃溫度區間發生以下反應：

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

SiO在爐內高溫區以氣態形式隨反應產生的爐氣在爐料內上升，高溫反應區的氣體從料面逸出時，氣體中的SiO與氧氣接觸，發生如下反應：

SiO在1 100 ℃溫度以下不穩定，還可能發生下列反應：

但是，還原劑表面優先發生下列反應：

從以上反應判斷，高硅錳合金含硅量大，如果爐內電極上抬、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入的氧氣結合生成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生堵塞時煙塵成分，硅錳合金礦熱爐生產時硅的揮發是堵塞煙道的主要因素。

3.2 煙氣余熱回收原理

該企業單臺礦熱爐外排煙氣量約為10 000 Nm/h，爐內壓力約為10 MPa，爐體采用水冷除塵降溫處理，未經冷卻處理的礦熱爐出口煙氣溫度高達1 000 ℃。經計算，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。實踐經驗表明，黏結性積灰只有在壁面溫度超過某一臨界值時才會出現，一般壁溫不小于500 ℃才能促進黏結性積灰的形成。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，折標準煤約397 kgce/h，減少二氧化碳排放約1 103 kg CO/h。

3.3 余熱回收設施結構

根據煙塵成分測試結果，該企業煙塵含有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處于極不穩定狀態，易與爐蓋泄漏進入的氧氣發生化學反應，堵塞煙道。余熱回收設施是煙氣余熱回收的核心設備，考慮到煙氣CO含量約為70%，余熱回收設施需要起到安全降塵吸熱的作用，保證煙氣凈化系統正常運行。該企業擬采用密閉式壓力容器回收煙氣余熱，避免氧氣進入，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，升華會引起結焦。高溫煙氣含冶煉中升華的堿金屬氧化物，其易在受熱面管壁冷凝，進而與煙氣中SO反應形成硫酸鹽，硫酸鹽與煙塵中AlO、MnO反應形成復合鹽，這些反應物在500～800 ℃溫度下呈熔融態或黏性。該企業擬在煙道入口設置節能器，將大空腔密閉式壓力容器入口煙溫控制在煙塵黏結溫度以下，利用旋風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，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。該企業擬在余熱回收設施內部采用旋風除塵方式，經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施底部的灰斗，再經特殊位置設置的人孔定期清灰，底部采用螺旋輸粉機清灰。

3.5 余熱回收設施的布置

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

4 碳減排分析

節能減排和降碳達峰是社會發展的客觀要求，高耗能企業有市場壓力和社會責任履行科學用能義務，實現高質量發展。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 結語

冶煉過程產生大量余熱資源，目前常規的可利用高溫余熱已經基本利用，高粉塵、高黏結的周期性余熱資源尚未得到經濟有效的回收利用，隨著能源控制的加強，高耗能企業需要優化能源消費結構。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，實現硅錳合金礦熱爐煙氣余熱回收。余熱回收項目經濟效益可靠，回收期短，但其和場地位置與冶煉工藝緊密相關?？傮w來看，回收余熱資源，可以降低冶煉能源消耗，節能減排，最終促進企業實現高質量發展。