在電爐冶煉的過程中，要產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?，其最高溫度可達(dá)2 100℃，含塵量高，且所含氧化鐵塵具有工業(yè)回收價(jià)值。高溫含塵煙氣攜帶的熱量約為電爐輸入總能量的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)，不但降低了氧化鐵塵的回收率，而且造成了嚴(yán)重的污染問題。隨著鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，電爐煉鋼的鐵水比例逐漸上升，有的甚至超過了30 %。鐵水比例的升高，引起電爐煉鋼煙氣量增加、熱量浪費(fèi)和除塵問題的日趨嚴(yán)重。如何將這部分高溫?zé)煔庵械娘@熱充分地回收，變“廢”為寶，使之轉(zhuǎn)化為熱能，并使得電爐煙氣更加穩(wěn)定，為高效除塵創(chuàng)造條件，從而降低除塵系統(tǒng)運(yùn)行成本和企業(yè)的生產(chǎn)成本，這是電爐煉鋼企業(yè)必須重視的問題。公司組建了專業(yè)的技術(shù)隊(duì)伍開始了電爐煙氣全余熱回收裝置的研究，從提高余熱回收量、煙塵沉降效率、鍋爐的壓力及使用壽命3個(gè)角度進(jìn)行研發(fā)，從而降低電爐的噸鋼能耗。并在江蘇某企業(yè)110 t電爐成功投運(yùn)，并對(duì)裝置出口煙氣溫度、噸鋼回收蒸汽量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示裝置達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)。

1、電爐煙氣冷卻方式現(xiàn)狀

目前電爐煙氣冷卻的方式有水冷+機(jī)力風(fēng)冷、廢鋼預(yù)熱+水冷、水冷+熱管余熱鍋爐等幾種。

1.1水冷+機(jī)力風(fēng)冷

水冷+機(jī)力風(fēng)冷系統(tǒng)的流程見圖1。電爐第四孔出口的高溫?zé)煔膺M(jìn)入水冷煙道，同時(shí)，混入從電爐四孔水冷彎頭和水冷滑套間的縫隙吸入的空氣，進(jìn)行燃燒，之后進(jìn)入燃燒沉降室，在燃燒沉降室進(jìn)行燃燒和灰塵沉降后，從燃燒沉降室出來的高溫?zé)煔饨?jīng)過水冷煙道冷卻到600℃左右，進(jìn)入機(jī)力風(fēng)冷器，冷卻后的煙氣與電爐密閉罩的除塵煙氣混合降溫后進(jìn)入布袋除塵器除塵，之后通過風(fēng)機(jī)、消聲器，從煙囪排出。

目前國(guó)內(nèi)外有大量電爐煙氣采用水冷方式的案例。例如2006年投產(chǎn)的太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司1座160 t電爐，2009年投產(chǎn)的日本新日鐵1座100 t電爐，2009年投產(chǎn)的印度EASSR公司2座180t電爐，均采用了水冷煙道冷卻煙氣的方式。水冷煙道具有一次投資少、技術(shù)可靠、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，所以目前還在大量應(yīng)用。該方式最大的弊端就是煙氣中大量的顯熱無法被利用，浪費(fèi)了能源，增加了冷卻水的消耗量，同時(shí)工業(yè)水的循環(huán)又消耗大量的電能。

1.2廢鋼預(yù)熱+水冷

電爐煙氣冷卻的另一種方案為廢鋼預(yù)熱+水冷。先利用電爐煙氣預(yù)熱廢鋼，之后800～500℃的高溫?zé)煔庠俳?jīng)過燃燒沉降室、噴霧冷卻器冷卻后進(jìn)入布袋除塵器，其后續(xù)工藝和水冷+機(jī)力風(fēng)冷相同。

因此該種方式也存在較大部分煙氣余熱未利用，噴入大量冷水，增加除塵負(fù)荷等問題。同時(shí)該技術(shù)在二惡英排放、廢鋼預(yù)熱效果等方面仍存在問題。

1.3水冷+熱管余熱鍋爐

該方案中，機(jī)力風(fēng)冷器前流程與水冷+機(jī)力風(fēng)冷相同，僅以熱管余熱鍋爐替代機(jī)力風(fēng)冷器，將原來通過機(jī)力風(fēng)冷器排放到大氣中的余熱加以回收利用，產(chǎn)生蒸汽。2006年投產(chǎn)的山鋼集團(tuán)萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司50 t電爐余熱回收系統(tǒng)便屬于該種形式。

該方案的缺點(diǎn)主要是在建設(shè)余熱鍋爐系統(tǒng)時(shí)，仍需建設(shè)龐大的水冷系統(tǒng)，回收的熱量有限，僅回收部分（約800～250℃）的煙氣余熱。另一個(gè)問題是熱管余熱鍋爐的換熱效率隨時(shí)間下降很快。某鋼廠100 t電爐余熱鍋爐采用熱管形式，投產(chǎn)初期冶煉期內(nèi)蒸汽回收量8 t / h，3年左右下降到3.5 t / h。同時(shí)由于常用的碳鋼-水重力熱管本身結(jié)構(gòu)的原因，溫度過高會(huì)引起其內(nèi)部H2的積累，熱管鍋爐進(jìn)口溫度一般要求低于850℃，這樣使得熱管余熱鍋爐的壓力很難提高，一般情況下其出口蒸汽壓力小于2.0 MPa，蒸汽的利用較為困難。

2、電爐煙氣全余熱回收裝置（汽化煙道）及其優(yōu)勢(shì)

由于目前的幾種電爐煙氣冷卻方式存在部分余熱沒有回收利用、增加除塵裝置負(fù)荷、能耗高、余熱蒸汽利用困難等問題，公司開發(fā)了電爐煙氣全余熱回收裝置，并進(jìn)行了工程實(shí)踐。

電爐煙氣全余熱回收裝置流程見圖2，煙氣由電爐抽出后，與從水冷彎頭和水冷滑套間環(huán)縫混入的空氣一起進(jìn)入汽化冷卻彎管，在汽化冷卻彎管內(nèi)的煙氣經(jīng)初步降溫后進(jìn)入燃燒沉降室。在燃燒沉降室內(nèi)，煙氣中剩余的CO會(huì)進(jìn)行完全燃燒，同時(shí)煙氣攜帶的粉塵粗顆粒也會(huì)經(jīng)重力除塵沉降下來。其后煙氣進(jìn)入高壓汽化冷卻煙道進(jìn)行換熱，進(jìn)一步降溫后進(jìn)入列管余熱鍋爐，降溫至250℃以下后與電爐密閉罩出口的除塵風(fēng)混合，降溫至80℃后送入布袋除塵器，除塵達(dá)標(biāo)后的煙氣經(jīng)過風(fēng)機(jī)、消聲器從煙囪排出。

相比前述幾種煙氣冷卻方式，電爐煙氣全余熱回收裝置具有突出優(yōu)勢(shì)。

汽化煙道（也稱為余熱鍋爐）是電爐煉鋼的主要配套設(shè)備之一，該設(shè)備在工作時(shí)要最大限度地收集高溫?zé)煔?，承受最高的爐氣溫度與劇烈頻繁的溫度變化，同時(shí)工況最為惡劣，最容易粘結(jié)噴濺的鋼渣。汽化煙道的使用環(huán)境是非常惡劣的，煉鋼過程中產(chǎn)生的煙氣，其溫度高達(dá)1100-1400℃，最高可達(dá)1600℃，并且含有硫及其化合物，高溫渣、石灰等大量粉塵。爐內(nèi)鋼水噴濺到煙道內(nèi)會(huì)造成內(nèi)壁的粘黏，這樣設(shè)備頻繁承受高溫高壓的劇烈變化。因此，轉(zhuǎn)爐汽化煙道有很大的受熱面，用來降低煙氣溫度，一般由20g低碳鋼管組成受熱面。該受熱面承受著固體物料的沖刷，酸性氣體的腐蝕以及高溫氧化。汽化煙道長(zhǎng)期在上述環(huán)境下工作，特別是其受熱面承受著硫氣腐蝕、高溫氧化和沖蝕磨損，極易在水冷管上產(chǎn)生大量竹節(jié)狀熱疲勞裂紋、麻點(diǎn)、穿孔漏水，影響煉鋼的生產(chǎn)效率，而且造成浪費(fèi)使成本提高，同時(shí)給生產(chǎn)帶來了安全隱患。汽化煙道系統(tǒng)主要由活動(dòng)煙罩、爐口段煙道、二段煙道、末段煙道組成。該系統(tǒng)是煤氣回收和汽化冷卻兩套裝置的首段，它設(shè)計(jì)的好壞不僅直接影響到煤氣回收和蒸汽的質(zhì)量，同時(shí)也關(guān)系到環(huán)境保護(hù)，其結(jié)構(gòu)的合理性將影響到煙道壽命，即直接影響到煉鋼生產(chǎn)，所以對(duì)煙道的設(shè)計(jì)總結(jié)了多年來我們?cè)谑褂弥械慕?jīng)驗(yàn)、精心設(shè)計(jì)制造。

2.1電爐煙氣全余熱回收

從圖2可以看出，電爐煙氣全余熱回收裝置從水冷滑套開始到列管式余熱鍋爐，回收電爐第四孔出口煙氣約2100～250℃的全部余熱。同時(shí)該裝置采用高低壓復(fù)合循環(huán)的冷卻方式，充分回收電爐煙氣余熱的同時(shí)，采用自然循環(huán)的列管式余熱鍋爐，與水冷系統(tǒng)相比，循環(huán)水量顯著減小，節(jié)約了電能。

2.2最佳的過?？諝庀禂?shù)

電爐煙氣全余熱回收裝置根據(jù)燃燒沉降室出口的煙氣成分，合理控制水冷滑套的開度，確保了最佳的過剩空氣系數(shù)。

電爐煙氣中含有一定濃度的CO，由于CO含量低于煤氣回收下限，一般采用二次燃燒技術(shù)回收一氧化碳的潛熱，而不進(jìn)行煤氣回收。盡管目前國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了電爐大量?jī)惰F水，CO濃度顯著增加的現(xiàn)象，但電爐的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在短流程煉鋼，因此CO進(jìn)行燃燒而不直接回收煤氣的工藝不會(huì)改變，在這種條件下，合理控制電爐余熱鍋爐系統(tǒng)混風(fēng)量，既要保證CO的燃盡又要保持余熱鍋爐盡量高的熱效率就顯得尤為重要。

電爐冶煉過程中，參與爐氣燃燒的氧氣主要來源由3部分組成:

1）吹氧冶煉爐氣中本身含有氧氣，

2）從電爐的觀察孔、電極孔等漏入的空氣，

3）為了保證爐氣中的CO全部燃盡從水冷滑套進(jìn)入的空氣。

因此根據(jù)燃燒沉降室出口煙氣成分控制水冷滑套混入的空氣，就能控制最佳的過?？諝庀禂?shù)，使得余熱回收系統(tǒng)及除塵系統(tǒng)更加節(jié)能。

2.3高效沉降

電爐煙氣全余熱回收裝置另一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)是高效沉降。中冶賽迪根據(jù)電爐煙氣粉塵濃度和粉塵粒徑，及粉塵的沉降機(jī)理，進(jìn)行了數(shù)值模擬，開發(fā)了高效燃燒沉降室。燃燒沉降室的作用主要有3個(gè)：

1）冶煉初期加熱煙氣，促進(jìn)CO的燃燒;

2）促進(jìn)煙氣與空氣的混合，保證CO等可燃成分的燃盡;

3）對(duì)電爐煙氣進(jìn)行粗除塵，減少進(jìn)入余熱鍋爐煙道的煙塵量，保證余熱鍋爐的換熱效率和使用壽命。

電爐在冶煉過程中，煙氣的成分和煙氣的溫度都是隨時(shí)間變化的，電爐煙氣中的可燃成分主要為CO，CO在空氣中的著火點(diǎn)為610℃，即只有當(dāng)CO和空氣混合后的溫度超過610℃時(shí)，才能確保CO在燃燒沉降室內(nèi)的燃燒。

煙塵的有效沉降可以保障后續(xù)對(duì)流受熱面余熱鍋爐的換熱效率，同時(shí)減少了煙氣對(duì)鍋爐壁面的磨損，因此實(shí)現(xiàn)燃燒沉降室內(nèi)煙塵的有效沉降是非常重要的。

經(jīng)過對(duì)燃燒沉降室內(nèi)粉塵沉降的機(jī)理研究，電爐煙氣全余熱回收裝置采用直角式的燃燒沉降室，即煙氣從燃燒沉降室頂部進(jìn)入，然后從側(cè)向流出的形式。同時(shí)根據(jù)模擬分析確定了合理的燃燒沉降室流通截面，確?；覊m的高效沉降。

2.4鍋爐壓力高、壽命長(zhǎng)

為了避免熱管余熱鍋爐在1.3節(jié)中提到的缺陷，電爐煙氣全余熱回收裝置采用了列管式余熱鍋爐。列管式余熱鍋爐采用自然循環(huán)，吹灰裝置采用激波吹灰，不僅提高對(duì)流受熱面余熱鍋爐的壽命，延長(zhǎng)鍋爐換熱失效時(shí)間，而且提高汽包出口蒸汽壓力，便于蒸汽的利用。

3、電爐煙氣全余熱回收裝置工程實(shí)踐

3.1參數(shù)簡(jiǎn)述

基于上述電爐煙氣全余熱回收裝置的優(yōu)勢(shì)分析，中冶賽迪在永鋼110 t電爐設(shè)計(jì)上應(yīng)用了該裝置，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。運(yùn)行參數(shù)見表1。

3.2現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

3.2.1出口煙氣溫度

電爐煙氣全余熱回收裝置在列管余熱鍋爐出口裝設(shè)了煙氣溫度測(cè)量裝置，測(cè)量裝置收集了3個(gè)多月共計(jì)1000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，余熱鍋爐出口溫度均能控制在250℃以下。

3.2.2燃燒沉降室效率

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了燃燒沉降室進(jìn)出口粉塵濃度測(cè)試，以驗(yàn)證燃燒沉降室的沉降效率。測(cè)試粉塵濃度有2個(gè)測(cè)試點(diǎn)，一個(gè)在燃燒沉降室前，入口彎煙道末端;另外一個(gè)在燃燒沉降室后，沉降室出口煙道，具體位置見圖2中D1、D2。

2013年6月22日，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試9個(gè)爐次23組入口彎煙道粉塵濃度數(shù)據(jù)，6個(gè)爐次22組燃燒沉降室后煙道粉塵濃度數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果分別見圖3、圖4。對(duì)沉降室入口、出口的粉塵濃度進(jìn)行平均，得出在冶煉期間的入口平均粉塵濃度為8.283g / m3（標(biāo)態(tài)），出口平均粉塵濃度為0.457 g /m3（標(biāo)態(tài)），燃燒沉降室的粉塵沉降率為94.48 %，可見，通過燃燒沉降室后，煙氣中接近94 %的粉塵被除去。

3.2.3過剩空氣系數(shù)

裝置運(yùn)行期間，分別對(duì)入口彎煙道中部、燃燒沉降室入口、燃燒沉降室出口煙氣的成分進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)點(diǎn)位置見圖2中的C1、C2、C3，總計(jì)測(cè)試了3個(gè)冶煉周期內(nèi)，煙氣中的CO、CO2、O2隨冶煉時(shí)間的變化情況，共得到樣本數(shù)據(jù)330組，同時(shí)計(jì)算冶煉期內(nèi)的過?？諝庀禂?shù)。通過煙氣成分計(jì)算，得到冶煉期的過?？諝庀禂?shù)，該值大于設(shè)計(jì)時(shí)要求的過?？諝庀禂?shù)。經(jīng)分析，原因是原設(shè)計(jì)考慮參加燃燒的空氣僅從水冷滑套空隙處進(jìn)入。實(shí)際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)有很大一部分參與燃燒的空氣是從電爐爐門、爐蓋的縫隙及電極孔中漏入的，這部分空氣在電爐內(nèi)被加熱，同時(shí)參與了燃燒，因此出現(xiàn)了實(shí)際過剩空氣系數(shù)較設(shè)計(jì)值偏大的情況。

通過一個(gè)多月的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，以及隨后對(duì)運(yùn)行效果進(jìn)行的回訪，得知該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在兌鐵水比例為50 %時(shí)，冶煉周期可產(chǎn)生壓力為1.8MPa的飽和蒸汽21t / h，遠(yuǎn)高于采用部分余熱回收的裝置，后續(xù)的除塵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

4、結(jié)論

1）電爐煙氣全余熱回收裝置，采用高低壓、自然、強(qiáng)制復(fù)合循環(huán)的汽化冷卻系統(tǒng)成功回收了電爐第四孔出口煙氣約2100～80℃的余熱，同時(shí)降低了煙氣溫度，通過與電爐密閉罩及屋頂除塵罩混風(fēng)后，使得煙氣溫度達(dá)到250℃左右的理想除塵溫度。

2）采用列管式余熱鍋爐，提高了汽化冷卻系統(tǒng)出口蒸汽的壓力和溫度，為后續(xù)蒸汽的有效利用創(chuàng)造了條件。同時(shí)也避免了熱管余熱鍋爐短時(shí)間內(nèi)失效和傳熱效率大幅降低的弊端。

3）經(jīng)過數(shù)值模擬及理論計(jì)算，設(shè)計(jì)的燃燒沉降室，流場(chǎng)較均勻，實(shí)測(cè)除塵效率達(dá)到94%左右。

4）在整個(gè)冶煉周期，爐氣量和爐氣成分變化很大。采用最優(yōu)過剩空氣系數(shù)，煙氣量也會(huì)有較大波動(dòng)，因此建議要根據(jù)燃燒沉降室出口的煙氣成分調(diào)節(jié)水冷滑套的開度。

5）由于參與燃燒的空氣很大一部分是從電爐的爐門、爐蓋的縫隙及電極孔中漏入的，因此該部分參與燃燒的空氣溫度不應(yīng)該按常溫考慮，而應(yīng)該考慮電爐內(nèi)對(duì)空氣的加熱過程，才能使余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加合理。