熱管余熱鍋爐在煉鋼電弧爐煙氣余熱回收系統(tǒng)中的應(yīng)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(fā)器為換熱元件，合理控制煙氣流速，解決高溫?zé)焿m的沉降和蒸發(fā)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(tǒng)設(shè)計(jì)與施工。對電弧爐煉鋼過程中所產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵苯舆M(jìn)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(shí)現(xiàn)了高溫?zé)煔庥酂峄厥绽煤铜h(huán)境凈化，為國內(nèi)電弧爐節(jié)能降耗和清潔生產(chǎn)進(jìn)行了有益的探索。

進(jìn)入21世紀(jì)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(shù)，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(xué)熱，減少了裝料次數(shù)，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(jié)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(dá)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(xiàn)階段電弧爐高效低耗生產(chǎn)的必由之路。

一、50t電弧爐概況

1、電弧爐工藝參數(shù)

50t電弧爐主要工藝技術(shù)參數(shù)見表1

2、電弧爐的煙氣特點(diǎn)

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(xiàn)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(xì)塵。煙塵含量一般在8—15g/m3（標(biāo)態(tài)），最大達(dá)到30

g/m3（標(biāo)態(tài)）；煙塵粒度小，粒徑分布在0—30μm范圍內(nèi)，吸附力大。電弧爐煙塵化學(xué)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?zé)煔鈳ё叩臒崃恳话慵s占電弧爐總熱量的11%，冶煉強(qiáng)度增加，單位時間內(nèi)高溫?zé)煔鈳ё叩臒崃吭黾?。?shí)現(xiàn)電弧爐余熱回收利用，對節(jié)能降耗和清潔生產(chǎn)具有重要意義。

4電弧爐煙氣系統(tǒng)概況

為了利用電弧爐煙氣熱能，很多企業(yè)將高溫?zé)煔庥脕砑訜釓U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(chǎn)生富集，對冶煉的產(chǎn)品質(zhì)量有不利影響，同事在廢鋼預(yù)熱的過程中有毒物質(zhì)二噁英的形成會對環(huán)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(jīng)余熱回收后的低溫?zé)煔庠谶M(jìn)入單獨(dú)的一套除塵器進(jìn)行凈化，余熱回收裝置生產(chǎn)飽和蒸汽，用以滿足VD真空爐生產(chǎn)。改造后的系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

二、煙氣余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、余熱回收系統(tǒng)工藝流程

余熱回收系統(tǒng)工藝流程如圖3所示，電弧爐產(chǎn)生的1200℃左右的高溫?zé)煔?，?jīng)過爐蓋第四孔靜茹移動煙道，在進(jìn)入燃燒沉降室，CO等可燃物進(jìn)一步燃燒，同時大顆粒得以沉降，通過調(diào)整燃燒沉降室出口混風(fēng)閥將煙氣出口溫度控制在800℃以內(nèi)，在經(jīng)過高溫?zé)煹肋M(jìn)入熱管蒸汽發(fā)生器進(jìn)行熱量回收，熱交換后的溫度降到160℃左右進(jìn)入除塵器凈化，熱管蒸汽發(fā)生器生產(chǎn)的飽和蒸汽通過分氣缸供生產(chǎn)和生活實(shí)用。

2、余熱回收系統(tǒng)設(shè)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(fā)生干涉，并且還要滿足在吸入高溫?zé)煔獾耐瑫r，也要吸入足量的外界空氣，供后部沉降室內(nèi)蓄積的CO的二次燃燒，故設(shè)計(jì)為活動煙道，其結(jié)構(gòu)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(nèi)排出的大顆粒粉塵有足夠的時間沉降，避免大顆粒煙塵進(jìn)入后部設(shè)備，以防導(dǎo)致設(shè)備堵塞或損壞；二是煙氣中未燃燒的CO在沉降室內(nèi)可繼續(xù)燃燒，防止CO進(jìn)入后續(xù)工藝設(shè)備，導(dǎo)致安全事故發(fā)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(fā)生沉降的動力，曳力則是阻礙煙塵發(fā)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(jìn)、出口設(shè)置在頂部。沉降室外形輪廓如圖5所示。

3）高溫?zé)煹?/p>

高溫?zé)煹朗侵高B接沉降室與熱管蒸汽發(fā)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(fā)生器入口管道均采用內(nèi)保溫形式，內(nèi)保溫分兩層，分別為耐磨層和隔熱層。

4）熱管蒸汽發(fā)生器

為適應(yīng)電弧爐煉鋼煙氣的特點(diǎn)，要求余熱鍋爐必須具有啟動速度快、負(fù)荷適應(yīng)能力強(qiáng)、連續(xù)無故障運(yùn)行時間長、單向傳熱強(qiáng)度大等特點(diǎn)，故選用熱管蒸汽發(fā)生器。

（1）熱管蒸汽發(fā)生器的原理

熱管蒸汽發(fā)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?zé)煹纼?nèi)，高溫?zé)煔鈾M掠熱管受熱段，熱管元件的放熱段因插在汽—水系統(tǒng)內(nèi)，則使該系統(tǒng)的受熱及循環(huán)完全與熱源分離而獨(dú)立存在于高溫?zé)煹乐?，不受高溫?zé)煔獾闹苯記_刷。高溫?zé)煔獾臒崃坑蔁峁軅鹘o水套管內(nèi)的飽和水使其汽化，所產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)蒸汽上升管到達(dá)汽包，經(jīng)過汽水分離后再經(jīng)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(huán)，達(dá)到將高溫?zé)煔饨禍夭⑥D(zhuǎn)化為蒸汽的目的。

（2）蒸發(fā)器的空間布置

蒸發(fā)器在空間上采取垂直布置，設(shè)備安裝緊湊，占地面積小，高溫?zé)煔庾陨隙?，溫度逐漸降低，經(jīng)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(fā)生器空間布置如圖7所示。

（3）蒸發(fā)器設(shè)備的基本特點(diǎn)

A

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

B

.設(shè)備中熱管元件間相互獨(dú)立，熱流體與蒸汽發(fā)生區(qū)雙重隔離互不影響，即使單根或數(shù)根熱管損壞，也不會影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，同時水、汽也不會因熱管的破損而進(jìn)入熱流體。

C

.實(shí)際時通過調(diào)節(jié)熱管兩端的傳熱面積可有效調(diào)節(jié)和控制壁溫，防止低溫酸露點(diǎn)腐蝕。

D

.操作簡單、維修方便、工作可靠，整個系統(tǒng)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(fā)生器設(shè)計(jì)參數(shù)

熱管蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)參數(shù)見表3，設(shè)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(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵?，F(xiàn)場運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，聲波清灰對蒸發(fā)器殼體損傷太大，蒸汽清灰也是會造成熱管板結(jié)堵塞，實(shí)踐證明兩種清灰方式在本系統(tǒng)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(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

6）蓄熱器

蒸汽蓄熱技術(shù)是將間斷供汽變?yōu)檫B續(xù)、穩(wěn)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(dāng)高壓蒸汽過量時，蒸汽通過內(nèi)部充熱裝置噴人水中，并迅速凝結(jié)放熱，使蓄熱器內(nèi)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(nèi)的水是高壓下的飽和水；當(dāng)?shù)蛪赫羝昧看笥阱仩t產(chǎn)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(chǎn)生低壓蒸汽供給設(shè)備，完成放熱過程。

為保證余熱回收系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)定流量的蒸汽，該方案配套兩臺150m3的蓄熱器，設(shè)計(jì)充水系數(shù)85%，入口蒸汽壓力1.6MPa，出口蒸汽壓力1.0MPa。實(shí)踐證明系統(tǒng)自產(chǎn)蒸汽足以滿足生產(chǎn)生活需要。

3系統(tǒng)控制方案（略）

三、結(jié)論

1電弧爐余熱回收利用系統(tǒng)工程的實(shí)施實(shí)現(xiàn)了余熱回收和環(huán)境治理的雙贏，是電弧爐煉鋼企業(yè)節(jié)能能源、降低能耗和實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的有效途徑。

2系統(tǒng)自產(chǎn)蒸汽量平均15t/h左右，折合噸鋼產(chǎn)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(yùn)，每年可減少的燃油消耗費(fèi)用2256萬元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

3沖擊波在線清灰系統(tǒng)成功應(yīng)用于電弧爐余熱系統(tǒng)中，有效的保證了系統(tǒng)的暢通，防止了翅片板結(jié)積灰，4風(fēng)機(jī)變頻器技術(shù)成功應(yīng)用于電弧爐余熱回收系統(tǒng)之中，通過風(fēng)機(jī)頻率與沉降室出口溫度的連鎖，完成溫度自動控制，實(shí)現(xiàn)熱量回收最大化。

5實(shí)踐證明，高溫?zé)煔庥酂峄厥绽眉夹g(shù)是集環(huán)境保護(hù)、余熱余能回收利用為一體的新型環(huán)保項(xiàng)目，在國內(nèi)外有很高的推廣價值