摘要:
针对电炉烟气冷却中存在的部分余热没有回收、除尘负荷大、蒸汽压力低、利用困难等问题，中冶赛迪集团有限公司开发了电炉烟气全余热回收装置，该装置能够回收电炉烟气约2100～250℃全部余热，且具有合适的过剩空气系数、沉降效率高、蒸汽压力高、锅炉寿命等优势。该装置在110t电炉上进行了工程示范和测试验证，测试结果显示列管余热锅炉出口烟温低于250℃，沉降室沉降效率大于94%，达到了预期指标。
在电炉冶炼的过程中，要产生大量的高温烟气，其最高温度可达2100℃，含尘量高，且所含氧化铁尘具有工业回收价值。高温含尘烟气携带的热量约为电炉输入总能量的11%，有的甚至高达20%。这些高温烟气不仅带走大量的热，而且给电炉的除尘系统带来了巨大的负担，不但降低了氧化铁尘的回收率，而且造成了严重的污染问题。随着钢铁行业的发展，电炉炼钢的铁水比例逐渐上升，有的甚至超过了30%。铁水比例的升高，引起电炉炼钢烟气量增加、热量浪费和除尘问题的日趋严重[1-2]。如何将这部分高温烟气中的显热充分地回收，变“废”为宝，使之转化为热能，并使得电炉烟气更加稳定，为高效除尘创造条件，从而降低除尘系统运行成本和企业的生产成本，这是电炉炼钢企业必须重视的问题。中冶赛迪集团有限公司研发中心(以下简称中冶赛迪)从2010年开始了电炉烟气全余热回收装置的研究，从提高余热回收量、烟尘沉降效率、锅炉的压力及使用寿命3个角度进行研发，从而降低电炉的吨钢能耗。2013年6月该装置在江苏联峰能源装备有限公司(以下简称永钢)110t电炉成功投运，并对装置出口烟气温度、吨钢回收蒸汽量等关键参数进行了现场测试，测试结果显示装置达到了预期指标。
1电炉烟气冷却方式现状
目前电炉烟气冷却的方式有水冷+机力风冷、废钢预热+水冷、水冷+热管余热锅炉等几种。
1.1水冷+机力风冷
水冷+机力风冷系统的流程见图1。电炉第四孔出口的高温烟气进入水冷烟道，同时，混入从电炉四孔水冷弯头和水冷滑套间的缝隙吸入的空气，进行燃烧，之后进入燃烧沉降室，在燃烧沉降室进行燃烧和灰尘沉降后，从燃烧沉降室出来的高温烟气经过水冷烟道冷却到600℃左右，进入机力风冷器，冷却后的烟气与电炉密闭罩的除尘烟气混合降温后进入布袋除尘器除尘，之后通过风机、消声器，从烟囱排出。
目前国内外有大量电炉烟气采用水冷方式的案例。例如2006年投产的太原钢铁(集团)有限公司1座160t电炉，2009年投产的日本新日铁1座100t电炉，2009年投产的印度EASSR公司2座180t电炉，均采用了水冷烟道冷却烟气的方式[3]。水冷烟道具有一次投资少、技术可靠、运行稳定的特点，所以目前还在大量应用。该方式最大的弊端就是烟气中大量的显热无法被利用，浪费了能源，增加了冷却水的消耗量，同时工业水的循环又消耗大量的电能。
1.2废钢预热+水冷
电炉烟气冷却的另一种方案为废钢预热+水冷。先利用电炉烟气预热废钢，之后800～500℃的高温烟气再经过燃烧沉降室、喷雾冷却器冷却后进入布袋除尘器，其后续工艺和水冷+机力风冷相同[4]。
因此该种方式也存在较大部分烟气余热未利用，喷入大量冷水，增加除尘负荷等问题。同时该技术在二恶英排放、废钢预热效果等方面仍存在问题。
1.3水冷+热管余热锅炉
该方案中，机力风冷器前流程与水冷+机力风冷相同，仅以热管余热锅炉替代机力风冷器，将原来通过机力风冷器排放到大气中的余热加以回收利用，产生蒸汽[5]。2006年投产的山钢集团莱芜钢铁集团有限公司50t电炉余热回收系统便属于该种形式。
该方案的缺点主要是在建设余热锅炉系统时，仍需建设庞大的水冷系统，回收的热量有限，仅回收部分(约800～250℃)的烟气余热。另一个问题是热管余热锅炉的换热效率随时间下降很快。某钢厂100t电炉余热锅炉采用热管形式，投产初期冶炼期内蒸汽回收量8t/h，3年左右下降到3.5t/h。同时由于常用的碳钢-水重力热管本身结构的原因，温度过高会引起其内部H2的积累，热管锅炉进口温度一般要求低于850℃。这样使得热管余热锅炉的压力很难提高，一般情况下其出口蒸汽压力小于2.0MPa，蒸汽的利用较为困难。
2电炉烟气全余热回收装置及其优势
由于目前的几种电炉烟气冷却方式存在部分余热没有回收利用、增加除尘装置负荷、能耗高、余热蒸汽利用困难等问题，中冶赛迪开发了电炉烟气全余热回收装置，并进行了工程实践。
电炉烟气全余热回收装置流程见图2，烟气由电炉抽出后，与从水冷弯头和水冷滑套间环缝混入的空气一起进入汽化冷却弯管，在汽化冷却弯管内的烟气经初步降温后进入燃烧沉降室。在燃烧沉降室内，烟气中剩余的CO会进行完全燃烧，同时烟气携带的粉尘粗颗粒也会经重力除尘沉降下来。其后烟气进入高压汽化冷却烟道进行换热，进一步降温后进入列管余热锅炉，降温至250℃以下后与电炉密闭罩出口的除尘风混合，降温至80℃后送入布袋除尘器，除尘达标后的烟气经过风机、消声器从烟囱排出。
相比前述几种烟气冷却方式，电炉烟气全余热回收装置具有突出优势。
2.1电炉烟气全余热回收
从图2可以看出，电炉烟气全余热回收装置从水冷滑套开始到列管式余热锅炉，回收电炉第四孔出口烟气约2100～250℃的全部余热。同时该装置采用高低压复合循环的冷却方式，充分回收电炉烟气余热的同时，采用自然循环的列管式余热锅炉，与水冷系统相比，循环水量显著减小，节约了电能。
2.2最佳的过剩空气系数
电炉烟气全余热回收装置根据燃烧沉降室出口的烟气成分，合理控制水冷滑套的开度，确保了最佳的过剩空气系数。
电炉烟气中含有一定浓度的CO，由于CO含量低于煤气回收下限，一般采用二次燃烧技术回收一氧化碳的潜热，而不进行煤气回收。尽管目前国内出现了电炉大量兑铁水，CO浓度显著增加的现象，但电炉的优势主要体现在短流程炼钢，因此CO进行燃烧而不直接回收煤气的工艺不会改变，在这种条件下，合理控制电炉余热锅炉系统混风量，既要保证CO的燃尽又要保持余热锅炉尽量高的热效率就显得尤为重要。
电炉冶炼过程中，参与炉气燃烧的氧气主要来源由3部分组成:1)吹氧冶炼炉气中本身含有氧气，2)从电炉的观察孔、电极孔等漏入的空气，3)为了保证炉气中的CO全部燃尽从水冷滑套进入的空气。因此根据燃烧沉降室出口烟气成分控制水冷滑套混入的空气，就能控制最佳的过剩空气系数，使得余热回收系统及除尘系统更加节能。
2.3高效沉降
电炉烟气全余热回收装置另一个突出优势是高效沉降。中冶赛迪根据电炉烟气粉尘浓度和粉尘粒径，及粉尘的沉降机理，进行了数值模拟，开发了高效燃烧沉降室。燃烧沉降室的作用主要有3个:1)冶炼初期加热烟气，促进CO的燃烧;2)促进烟气与空气的混合，保证CO等可燃成分的燃尽;3)对电炉烟气进行粗除尘，减少进入余热锅炉烟道的烟尘量，保证余热锅炉的换热效率和使用寿命。
电炉在冶炼过程中，烟气的成分和烟气的温度都是随时间变化的，电炉烟气中的可燃成分主要为CO，CO在空气中的着火点为610℃，即只有当CO和空气混合后的温度超过610℃时，才能确保CO在燃烧沉降室内的燃烧。
烟尘的有效沉降可以保障后续对流受热面余热锅炉的换热效率，同时减少了烟气对锅炉壁面的磨损，因此实现燃烧沉降室内烟尘的有效沉降是非常重要的。
经过对燃烧沉降室内粉尘沉降的机理研究，电炉烟气全余热回收装置采用直角式的燃烧沉降室，即烟气从燃烧沉降室顶部进入，然后从侧向流出的形式。同时根据模拟分析确定了合理的燃烧沉降室流通截面，确保灰尘的高效沉降。
2.4锅炉压力高、寿命长
为了避免热管余热锅炉在1.3节中提到的缺陷，电炉烟气全余热回收装置采用了列管式余热锅炉。列管式余热锅炉采用自然循环，吹灰装置采用激波吹灰，不仅提高对流受热面余热锅炉的寿命，延长锅炉换热失效时间，而且提高汽包出口蒸汽压力，便于蒸汽的利用。
3电炉烟气全余热回收装置工程实践
3.1参数简述
基于上述电炉烟气全余热回收装置的优势分析，中冶赛迪在永钢110t电炉设计上应用了该装置，并进行了现场测试。运行参数见表1。
3.2现场测试结果
3.2.1出口烟气温度
电炉烟气全余热回收装置在列管余热锅炉出口装设了烟气温度测量装置，研发团队收集了3个多月共计1000多炉次的生产数据，兑铁水的比例从全废钢到80%铁水，余热锅炉出口温度均能控制在250℃以下。
3.2.2燃烧沉降室效率
现场进行了燃烧沉降室进出口粉尘浓度测试，以验证燃烧沉降室的沉降效率。测试粉尘浓度有2个测试点，一个在燃烧沉降室前，入口弯烟道末端;另外一个在燃烧沉降室后，沉降室出口烟道，具体位置见图2中D1、D2。
2013年6月22日，现场测试了9个炉次23组入口弯烟道粉尘浓度数据，6个炉次22组燃烧沉降室后烟道粉尘浓度数据，测试结果分别见图3、图4。对沉降室入口、出口的粉尘浓度进行平均，得出在冶炼期间的入口平均粉尘浓度为8.283g/m3(标态)，出口平均粉尘浓度为0.457g/m3(标态)，燃烧沉降室的粉尘沉降率为94.48%，可见，通过燃烧沉降室后，烟气中接近94%的粉尘被除去。
3.2.3过剩空气系数
2013年6月23—25日，分别对入口弯烟道中部、燃烧沉降室入口、燃烧沉降室出口烟气的成分进行检测，测点位置见图2中的C1、C2、C3，总计测试了3个冶炼周期内，烟气中的CO、CO2、O2随冶炼时间的变化情况，共得到样本数据330组，同时计算冶炼期内的过剩空气系数。通过烟气成分计算，得到冶炼期的过剩空气系数，该值大于设计时要求的过剩空气系数。
经分析，原因是原设计考虑参加燃烧的空气仅从水冷滑套空隙处进入。实际调试过程中发现有很大一部分参与燃烧的空气是从电炉炉门、炉盖的缝隙及电极孔中漏入的，这部分空气在电炉内被加热，同时参与了燃烧，因此出现了实际过剩空气系数较设计值偏大的情况。
通过一个多月的现场测试，以及随后对运行效果进行的回访，得知该系统运行稳定，在兑铁水比例为50%时，冶炼周期可产生压力为1.8MPa的饱和蒸汽21t/h，远高于采用部分余热回收的装置，后续的除尘系统运行稳定。
3.3国内外类似装置情况比较
关于电炉烟气采用全余热回收的装置，据相关文献报道，国外在上世纪80年代，德国OSCHATZ公司为欧洲钢铁厂的4座电炉设计和制造了汽化冷却系统，其中德国克虏伯150t超高功率电炉的炉壳和内排烟采用的汽化冷却装置，蒸汽压力1.0～2.5MPa，蒸汽产量10～13t/h。国内相关报道称中冶京诚(营口)装备技术有限公司在2008年投产一套电炉烟气全余热回收装置，对流受热面采用了热管余热锅炉。该装置在兑铁水比例为50%时，冶炼周期的平均产汽量为10t/h，蒸汽压力1.0～1.6MPa[7]，未见燃烧沉降效率的相关报道。
其他企业也未见电炉烟气全余热回收装置的相关报道。从上述报道的参数来了，中冶赛迪开发的电炉烟气全余热回收装置无论是沉降效率还是余热回收量都是较为先进的。
4结论
1)电炉烟气全余热回收装置，采用高低压、自然、强制复合循环的汽化冷却系统成功回收了电炉第四孔出口烟气约2100～80℃的余热，同时降低了烟气温度，通过与电炉密闭罩及屋顶除尘罩混风后，使得烟气温度达到250℃左右的理想除尘温度。
2)采用列管式余热锅炉，提高了汽化冷却系统出口蒸汽的压力和温度，为后续蒸汽的有效利用创造了条件。同时也避免了热管余热锅炉短时间内失效和传热效率大幅降低的弊端。
3)经过数值模拟及理论计算，设计的燃烧沉降室，流场较均匀，实测除尘效率达到94%左右。
4)在整个冶炼周期，炉气量和炉气成分变化很大。采用最优过剩空气系数，烟气量也会有较大波动，因此建议要根据燃烧沉降室出口的烟气成分调节水冷滑套的开度。
5)由于参与燃烧的空气很大一部分是从电炉的炉门、炉盖的缝隙及电极孔中漏入的，因此该部分参与燃烧的空气温度不应该按常温考虑，而应该考虑电炉内对空气的加热过程，才能使余热回收系统设计更加合理。
