电炉烟气除尘及余热回收系统的研发与应用

第一作者:徐启明,男,1980年生,硕士,主要从事暖通设计工作。

电炉烟气除尘及余热回收系统的研发与应用

徐启明　孙振巍　黄晓梅　李海凤

(山东省冶金设计院有限责任公司公用设施一室,山东　济南250014)

摘要　电炉烟气除尘及余热回收系统是在电炉第4孔除尘的基础上发展起来的,其在治理电炉烟气的同时还能回收烟气中的热量,产生蒸气供真空脱气炉(VD 炉)使用。该系统在莱芜钢铁集团特殊钢厂首次使用,给该厂带来了巨大的经济和社会效益,同时也为电炉除尘的发展指明了新的方向。

关键词　电炉　第4孔　烟气　除尘　余热回收

电炉在生产过程中会产生大量的高温烟气,如将这部分烟气直接排放势必会造成对周围环境的污染和对热量的浪费。目前,国内运行的所有电炉除尘系统都只是解决了电炉生产对环境造成的污染问题而没有解决热量的浪费问题。其实,针对电炉烟气中所蕴含热量的回收,国内外都作过大量的研究和探索,但都没有取得实质性的突破。康斯迪电炉(Consteel 电炉)就是基于这种理念的一种较成功的实践,不过其热量回收率普遍较低。在国内运行的Consteel 电炉,烟气通过废钢预热通道后的出口温度在400℃左右,只能回收烟气中一半的热量[1]。

最近,莱芜钢铁集团特殊钢厂(以下简称莱钢特钢厂)成功地运行了1套新型电炉除尘及余热回收系统。该系统不仅除尘效果好,而且更重要的是热量回收率高。系统中的高效余热回收系统已经完全取代该厂真空脱气炉(VD 炉)所配套的燃油锅炉,大大降低了吨钢成本,经济效益非常显著。1　设计思路及难点1.1　余热回收系统

在炼钢厂,一方面电炉生产过程中产生的烟气

可以作为热源产生源源不断的蒸气;另一方面,VD 炉在生产过程中需要稳定的蒸气供射流泵抽真空所用。目前,大部分的炼钢厂都给VD 炉配套专门的锅炉,每年仅燃油费就需要几百万元。由此可见,余热回收系统产生的经济效益可观。

余热回收系统在设计时,首先应核算烟气中所蕴含的热量能否产生足够的蒸气供VD 炉使用。从目前国内电炉产生烟气的实际测量数据看,烟气中的热量足以产生VD 炉1个生产周期所需要的蒸

气。其次,余热回收系统产生的蒸气应同时满足VD 炉对蒸气质量的要求。VD 炉使用的蒸气射流

泵要求蒸气压不低于1.0M Pa ,否则不能得到VD

炉所要求的真空度;且要求蒸气流量必须稳定,否则不能满足VD 炉1个生产周期的用量要求。然而,作为热源的高温烟气在电炉冶炼过程中非常不稳定,其流量和温度都有很剧烈的波动。因此,余热回收系统必须解决这个难点。1.2　除尘及余热回收系统

除尘系统设计的目的是烟气中粉尘浓度达到排放标准,净化车间及厂区环境。

电炉烟气的特点是温度高且波动频繁、烟气瞬时量大、粉尘浓度高,由此给除尘系统的设计带来了一定困难[2]。

(1)烟气温度高导致工况下烟气量大,除尘及余热回收系统高温烟道段的设计能力也要相应增大。电炉第4孔出口烟气温度大约在1400℃,最高可达1800℃,烟气体积较150℃时增加了近3倍,相同流速下烟道直径较150℃时增加约1.7倍。此外,烟气温度太高对整套系统高温烟道段的设计也提出了很高的要求,对系统的安全运行带来了一定隐患。因此,在设计除尘及余热回收系统时首先考虑的是尽量缩短系统高温烟道段的长度,这样不仅节省投资,同时也可以提高系统稳定性。

(2)电炉冶炼周期约为1h ,期间烟气温度在200～1400℃波动。对于余热回收系统而言,入口温度的频繁波动将大大缩短其使用寿命。在工艺流程中,应采取必要的措施稳定余热回收系统的入口温度。此外,温度波动对高温烟道中的耐火材料也会产生消极影响(易出现耐火材料脱落现象),因此高温烟道应选择耐温高、抗热振效果好的材料。

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601・　环境污染与防治　第30卷　第10期　2008年10月

(3)在电炉的1个生产周期内,烟气量最大值产生

于电炉吹氧和通电阶段,在电炉出钢和加料阶段,烟气量几乎为零。整套除尘及余热回收系统处理能力的选择非常关键,如果处理能力过大,会造成建设成本增加,系统长期处于除尘低负荷运行的状态;如果处理能力太小,除尘效果差,车间内粉尘浓度不能达标。

(4)电炉粉尘浓度与铁水包容量有很大关系。目前,国内使用的大部分电炉在冶炼过程中都加入一定量的铁水,使烟气中粉尘的浓度大大提高,有些电炉烟气的粉尘浓度甚至接近转炉水平。高粉尘浓度对除尘及余热回收系统的运行主要有以下几方面的不利影响:堵塞管道、磨损管道及设备、影响余热回收系统的换热效果。2　工艺流程

2.1　余热回收系统工艺流程

余热回收系统艺流程见图1。

原水首先经软水装置后进入软水箱,经热力除

氧器除氧后供锅炉使用。锅炉产生的蒸气在正常情况下全部进入蓄热器,然后通过分气缸供各用户使用。在蓄热器出现故障不能正常工作的情况下,锅炉产生的蒸气也可以直接进入分气缸。整套余热回收系统有两套关键设备,即余热回收装置(汽包、省煤器和蒸发器)和蓄热器。

电炉烟气的性质给余热回收装置的选择提出了很高的要求,不仅要考虑烟气温度的波动,而且要考虑高粉尘浓度对设备造成的影响。此外,设备的余热回收效率对整套系统的运行也至关重要,回收效率越高,得到的蒸气量就越大,出口烟气温度也就越低。

蓄热器的作用是平衡余热回收装置蒸气量的波动,保证系统出口蒸气的流量和压力。其选型与余热回收装置的负荷和用户的蒸气使用制度有很大关系。

余热回收系统中其他设备的使用与普通锅炉没有区别,可根据实际情况选择。2.2　除尘及余热回收系统工艺流程

除尘及余热回收系统工艺流程见图2。

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701・徐启明等　电炉烟气除尘及余热回收系统的研发与应用

移动水冷烟道负责调整水冷烟道和炉盖第4孔的距离。该距离对整套系统运行成败至关重要,因为它直接控制烟气进入高温烟道的温度并且保证除尘效果。如果距离太小,有可能造成烟气温度过高,对后面的高温烟道造成破坏;如果距离太大,则影响除尘效果。

高温烟道是连接移动水冷烟道和蓄热式沉降室的一条通道,这部分管道处于系统最前端,不仅温度高而且粉尘浓度大,使用环境恶劣。为了提高整套系统的稳定性,在场地允许的条件下,这部分管道应尽可能短。

蓄热式沉降室起调温和沉降作用。首先,其通过内置蓄热砖将锅炉入口的温度稳定在合适的范围,保证锅炉的使用寿命;其次,使烟气在蓄热式沉降室内的流速大大降低,沉降部分粉尘。

布袋除尘器和除尘风机与普通除尘系统没有区别,在选型时温度的确定非常重要。3　工程实例及运行参数分析

莱钢特钢厂于2006年底开始建设除尘及余热

回收系统,通过建设和试运行中不断调整和改进,最终达到了满意的效果。

该厂有50t 电炉、包精炼炉(L F 炉)及VD 炉各1座,原有1套外排式除尘系统负责电炉及L F 炉除尘,设计风量80万m 3/h 。该除尘系统自2003年后出现除尘能力不足的现象,电炉生产对车间及厂区周围环境污染严重。新的除尘及余热回收系统建成后,岗位粉尘浓度及排放浓度均符合要求。此外,该系统平均每小时能生产1.2M Pa 的蒸气18t ,除满足蒸气射流泵及生活用气外,还有一定余量,正考虑利用剩余蒸气制冷,最大限度地发挥余热回收系统的经济效益。

该厂的除尘及余热回收系统的参数设计参考了大量的电炉内排除尘系统,从运行情况看,参数选择基本合理,该系统的主要参数简单分析如下。

(1)炉盖第4孔排烟量。电炉生产过程产生的烟气量与电炉的铁水包容量、吹氧强度、冶炼周期、炉体结构都有很大的关系,实际排烟量与理论排烟量往往有很大的出入。根据莱钢特钢厂提供的相关参数,计算第4孔理论排烟量约为3万m 3/h ,在比较国内同类型电炉的内排除尘系统后,最终确定的第4孔排烟量为4万m 3/h ,烟气温度为1200℃。通过一段时间的运行,发现烟气在高峰时期仍然有部分从3个电极孔和炉盖四周外溢。(2)炉盖第4孔烟气温度。该系统第4孔烟气

设计温度为1200℃,实际运行温度基本在1400

℃左右。

(3)烟气系统压力。整套系统的设计压力为6000Pa ,移动水冷烟道入口处负压设计为-300Pa ,该压力基本能保证第4孔的大部分烟气进入除尘及余热回收系统,同时对炼钢工艺不产生任何影响。此外,系统中主要设备的设计压力损失与实际压力损失基本吻合,误差均在允许范围以内。

(4)烟气量与蒸气产量。余热回收系统入口烟气流量为18万m 3/h ,进出口温度分别为800、150℃,蒸气产量为18t/h ,压力为1.2M Pa 。4　存在的问题

莱钢特钢厂的除尘及余热回收系统自投入运行以来经过一段时间的调试和改进,各项技术指标均达到甚至优于设计水平,但也存在以下诸多问题。

(1)剩余蒸气的利用。在蒸气射流泵连续运行的情况下,整套系统产生的蒸气还能保证厂区生活用气的需求,如果蒸气射流泵停止使用,蒸气就会大量剩余。目前,对剩余的蒸气都作放散处理,这对热量和水都是严重浪费。

(2)噪声污染问题。余热回收装置采用声波清灰器,该设备清灰效果好,但工作时产生的噪声非常大,对附近工作人员有一定影响。

(3)余热回收系统出口温度偏高。余热回收系统在经过一段时间运行后,换热效率下降,导致出口温度偏高,布袋除尘器的使用寿命因此受到影响。

(4)蓄热式沉降室沉降效果不理想。就目前使用情况来看,蓄热式沉降室的灰尘沉积量较小,给余热回收系统带来很大负担。5　结　语

电炉除尘及余热回收系统改变了以往电炉除尘系统设计过程中单纯以除尘为目的的做法,是钢铁企业在实施节能减排、发展循环经济过程中的一项成功实践。该系统在莱钢特钢厂的成功应用,给该厂带来了巨大的经济和社会效益,同时也为电炉除尘的发展指明了新的方向。参考文献

[1]　傅杰,朱荣.我国电炉炼钢的发展现状与前景[M ].北京:冶金

工业出版社,2006:3.[2]　周建男.钢铁生产工艺装备新技术[M ].北京:冶金工业出版

社,2004:6.

责任编辑:贺锋萍　(修改稿收到日期:2008209228)

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801・　环境污染与防治　第30卷　第10期　2008年10月