熱管余熱鍋爐在煉鋼電弧爐煙氣余熱回收系統中的應用

本文以電弧爐煉鋼過程煙氣余熱的回收利用及煙氣凈化除塵為主線，以熱管蒸發器為換熱元件，合理控制煙氣流速，解決高溫煙塵的沉降和蒸發器熱管灰堵以及煙氣溫度波動大的難題，完成了50t電弧爐煙氣余熱回收凈化系統設計與施工。對電弧爐煉鋼過程中所產生的高溫煙氣直接進行余熱回收，滿足電弧爐煉鋼過程中VD真空處理對蒸汽的需求，實現了高溫煙氣余熱回收利用和環境凈化，為國內電弧爐節能降耗和清潔生產進行了有益的探索。

進入21世紀后，由于廢鋼資源的限制，我國電弧爐開始普遍使用鐵水裝熱技術，這是中國在特定情況下的資源利用。對于電弧爐煉鋼而言，鐵水提供了大量的物理熱和化學熱，減少了裝料次數，改善了電弧燃燒條件，特別是避免了.廢鋼中殘余金屬元素帶來的污染，是電弧爐煉鋼高效、節能的首選條件。然而使用鐵水后，電弧爐排放煙氣溫度增加，最高溫度可達1400℃，隨煙氣顯熱帶走的熱量占總投入熱量的13%—20%，所以回收電弧爐煙氣余熱是現階段電弧爐高效低耗生產的必由之路。

一、50t電弧爐概況

1、電弧爐工藝參數

50t電弧爐主要工藝技術參數見表1

2、電弧爐的煙氣特點

1）間歇性、波動性

電弧爐在冶煉過程中，排放出的煙氣流量、溫度、含塵量在不斷地變化，呈現周期性波動，氧化期的煙氣溫度最高，流量最大，含塵量最多，在出鋼期的煙氣溫度最低，力量最小，含塵量也最小。

2）煙氣中粉塵濃度大，粒徑小

電弧爐在冶煉過程中，排放出的煙氣中粉塵濃度大、粒徑小，屬于微細塵。煙塵含量一般在8—15g/m3（標態），最大達到30

g/m3（標態）；煙塵粒度小，粒徑分布在0—30μm范圍內，吸附力大。電弧爐煙塵化學成分見表2.3電弧爐能量平衡

50t電弧爐愛配加30%鐵水冶煉時的能量平衡表如圖1所示

由圖1可知，在50t電弧爐的能量平衡中，高溫煙氣帶走的熱量一般約占電弧爐總熱量的11%，冶煉強度增加，單位時間內高溫煙氣帶走的熱量增加。實現電弧爐余熱回收利用，對節能降耗和清潔生產具有重要意義。

4電弧爐煙氣系統概況

為了利用電弧爐煙氣熱能，很多企業將高溫煙氣用來加熱廢鋼，其中典型的案例便是Consteel電路Fuchs豎爐。但是在煙氣加熱廢鋼的過程中，煙塵中對煉鋼有害的元素（如Zn、Sn、Pb等元素）產生富集，對冶煉的產品質量有不利影響，同事在廢鋼預熱的過程中有毒物質二噁英的形成會對環境造成污染。鑒于對以上問題的考慮，此電弧爐選擇在爐蓋第四孔回路上新增一套余熱回收裝置，經余熱回收后的低溫煙氣在進入單獨的一套除塵器進行凈化，余熱回收裝置生產飽和蒸汽，用以滿足VD真空爐生產。改造后的系統示意圖如圖2所示。

二、煙氣余熱回收系統設計

1、余熱回收系統工藝流程

余熱回收系統工藝流程如圖3所示，電弧爐產生的1200℃左右的高溫煙氣，經過爐蓋第四孔靜茹移動煙道，在進入燃燒沉降室，CO等可燃物進一步燃燒，同時大顆粒得以沉降，通過調整燃燒沉降室出口混風閥將煙氣出口溫度控制在800℃以內，在經過高溫煙道進入熱管蒸汽發生器進行熱量回收，熱交換后的溫度降到160℃左右進入除塵器凈化，熱管蒸汽發生器生產的飽和蒸汽通過分氣缸供生產和生活實用。

2、余熱回收系統設備組成1）移動煙道

移動煙道兩端分別連接爐蓋第四孔和燃燒沉降室，移動煙道要滿足爐蓋旋入或旋出時不與第四孔彎煙道發生干涉，并且還要滿足在吸入高溫煙氣的同時，也要吸入足量的外界空氣，供后部沉降室內蓄積的CO的二次燃燒，故設計為活動煙道，其結構如圖4所示。

2）燃燒沉降室

沉降室主要作用有兩個，一是從電弧爐內排出的大顆粒粉塵有足夠的時間沉降，避免大顆粒煙塵進入后部設備，以防導致設備堵塞或損壞；二是煙氣中未燃燒的CO在沉降室內可繼續燃燒，防止CO進入后續工藝設備，導致安全事故發生，燃燒需要的氧氣從第四孔煙道和移動煙道連接處混入空氣中得到。

沉降過程中共受到三個力的作用，重力、浮力和煙氣對顆粒的曳力。重力和浮力之差是使煙塵發生沉降的動力，曳力則是阻礙煙塵發生沉降的力。為保證煙氣中大顆粒粉塵的沉降效果，沉降室煙氣的進、出口設置在頂部。沉降室外形輪廓如圖5所示。

3）高溫煙道

高溫煙道是指連接沉降室與熱管蒸汽發生器之間的管路，為避免熱量散失，從沉降室出口至熱管蒸汽發生器入口管道均采用內保溫形式，內保溫分兩層，分別為耐磨層和隔熱層。

4）熱管蒸汽發生器

為適應電弧爐煉鋼煙氣的特點，要求余熱鍋爐必須具有啟動速度快、負荷適應能力強、連續無故障運行時間長、單向傳熱強度大等特點，故選用熱管蒸汽發生器。

（1）熱管蒸汽發生器的原理

熱管蒸汽發生器由若干根熱管元件組成，工作原理如圖6所示，熱管的受熱段置于高溫煙道內，高溫煙氣橫掠熱管受熱段，熱管元件的放熱段因插在汽—水系統內，則使該系統的受熱及循環完全與熱源分離而獨立存在于高溫煙道之外，不受高溫煙氣的直接沖刷。高溫煙氣的熱量由熱管傳給水套管內的飽和水使其汽化，所產生的蒸汽經蒸汽上升管到達汽包，經過汽水分離后再經主汽閥輸出。這樣，熱管不斷將熱量輸入水套管，通過外部汽—水管道的上升及下降完成基本的汽—水循環，達到將高溫煙氣降溫并轉化為蒸汽的目的。

（2）蒸發器的空間布置

蒸發器在空間上采取垂直布置，設備安裝緊湊，占地面積小，高溫煙氣自上而下，溫度逐漸降低，經過沖擊波震動后，灰塵自上而下靠重力即可散落在最下方，容易清理積灰，整個熱交換過程溫度均勻，交換充分。蒸汽發生器空間布置如圖7所示。

（3）蒸發器設備的基本特點

A

.采用熱管作為傳熱元件，整個汽—水系統的受熱及循環完全與熱流體隔離二獨立在熱流體煙道外，使本系統有別于一般的余熱鍋爐。

B

.設備中熱管元件間相互獨立，熱流體與蒸汽發生區雙重隔離互不影響，即使單根或數根熱管損壞，也不會影響系統正常運行，同時水、汽也不會因熱管的破損而進入熱流體。

C

.實際時通過調節熱管兩端的傳熱面積可有效調節和控制壁溫，防止低溫酸露點腐蝕。

D

.操作簡單、維修方便、工作可靠，整個系統的熱量輸送過程不需要任何外界動力，故障率低，效率高。

（4）熱管蒸汽發生器設計參數

熱管蒸汽發生器設計參數見表3，設備外形尺寸見表4.5）沖擊波清灰裝置

電弧爐冶煉時的煙氣量大，灰塵多，帶有電荷，易吸附，熱管容易堵塞，因此解決在線熱管清灰問題是保證余熱系統正常運行的關鍵。現場運行中發現，聲波清灰對蒸發器殼體損傷太大，蒸汽清灰也是會造成熱管板結堵塞，實踐證明兩種清灰方式在本系統中均不可行，最終選用沖擊波清灰，滿足了熱管在線清灰的需求，保證了余熱系統的安全穩定運行。

6）蓄熱器

蒸汽蓄熱技術是將間斷供汽變為連續、穩定的汽源以利用用戶使用。蓄熱器是利用高壓與低壓時飽和水的焓差使水閃蒸，放出蒸汽。初期使用時充入除氧水，當高壓蒸汽過量時，蒸汽通過內部充熱裝置噴人水中，并迅速凝結放熱，使蓄熱器內水位和壓力升高，直至壓力與蒸汽壓力相等，完成沖熱過程。這是蓄熱器內的水是高壓下的飽和水；當低壓蒸汽用量大于鍋爐產氣量時，與蓄熱器汽空間相連的低壓管道壓力下降，蓄熱器中的飽和水成為過熱水，將自行沸騰放熱，水位下降，產生低壓蒸汽供給設備，完成放熱過程。

為保證余熱回收系統產生穩定流量的蒸汽，該方案配套兩臺150m3的蓄熱器，設計充水系數85%，入口蒸汽壓力1.6MPa，出口蒸汽壓力1.0MPa。實踐證明系統自產蒸汽足以滿足生產生活需要。

3系統控制方案（略）

三、結論

1電弧爐余熱回收利用系統工程的實施實現了余熱回收和環境治理的雙贏，是電弧爐煉鋼企業節能能源、降低能耗和實現清潔生產的有效途徑。

2系統自產蒸汽量平均15t/h左右，折合噸鋼產汽量約為200kg/t，能夠滿足VD正空處理的蒸汽需求。燃油鍋爐的停運，每年可減少的燃油消耗費用2256萬元，經濟效益可觀。

3沖擊波在線清灰系統成功應用于電弧爐余熱系統中，有效的保證了系統的暢通，防止了翅片板結積灰，4風機變頻器技術成功應用于電弧爐余熱回收系統之中，通過風機頻率與沉降室出口溫度的連鎖，完成溫度自動控制，實現熱量回收最大化。

5實踐證明，高溫煙氣余熱回收利用技術是集環境保護、余熱余能回收利用為一體的新型環保項目，在國內外有很高的推廣價值