張衛(wèi)東,施 劍,曹春華，楊乙斌

（1.無錫三達環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇無錫，214131;2.西格斯先進技術(shù)有限公司上海辦事處，上海，200085）

AOD爐煙塵處理及余熱回收技術(shù)開發(fā)應(yīng)用

張衛(wèi)東1,施 劍2,曹春華1，楊乙斌1

（1.無錫三達環(huán)保科技有限公司，江蘇無錫，214131;2.西格斯先進技術(shù)有限公司上海辦事處，上海，200085）

AOD爐在冶煉過程中產(chǎn)生大量高溫?zé)焿m，溫度達到1850益左右，煙塵量達100 g/m3，在降溫除塵的同時，產(chǎn)生飽和蒸汽，再利用蒸汽使汽輪機電機混合驅(qū)動除塵風(fēng)機，達到資源利用的目的。

AOD爐；混合驅(qū)動；回收余熱；潔凈處理

1 概況和趨勢

我國是世界上最大的冶金生產(chǎn)大國，全國現(xiàn)有冶金行業(yè)用于冶煉的40~100 t AOD爐約800多座，AOD爐市場更多。余熱據(jù)統(tǒng)計，我國大中型企業(yè)噸鋼產(chǎn)生的余熱總量為8.44 GJ，各種熔渣的顯熱約占9%，各種廢(煙)氣占37%，余熱資源豐富。而國外先進鋼鐵企業(yè)余熱余能的回收利用率平均達80%以上，如日本新日鐵高達92%。我國大型鋼鐵企業(yè)余熱利用率約為30%耀50%。

目前余熱最新發(fā)展趨勢：國內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)，重視高溫余能回收等重大節(jié)能技術(shù)應(yīng)用和相關(guān)裝備的投入，如高溫高壓干熄焦(CDQ)發(fā)電技術(shù)、燒結(jié)余熱回收技術(shù)、高爐余熱發(fā)電技術(shù)等。近幾年，余熱回收工作逐步向中低溫余熱回收利用方向發(fā)展，大批中低溫余熱回收利用項目的陸續(xù)投產(chǎn)，如加熱爐、退火爐煙氣余熱回收等，都在向中低溫余熱回收利用降耗和節(jié)能方向發(fā)展。

2 本項目研究的目的和意義

通常鋼廠大多只考慮實施除塵這一方面，在資源再利用方面還很欠缺，余熱技術(shù)的利用不夠。本項目的研發(fā)不僅僅局限于除塵，還能有副產(chǎn)品如飽和蒸汽、電能、動能的產(chǎn)生。本項目采用多項專利技術(shù)是為了解決AOD爐除塵技術(shù)諸多共性難題。如冶金行業(yè)現(xiàn)有余熱利用技術(shù)中：

（1）高溫?zé)焿m燒布袋、排放濃度達不到國家最新標(biāo)準(zhǔn)及無法余熱回收綜合利用。

（2）傳統(tǒng)余熱發(fā)電系統(tǒng)從熱能原電能原動能的多環(huán)節(jié)，在節(jié)能量轉(zhuǎn)化中損失能量，降低了能量利用率。

（3）汽輪機發(fā)出的電能要并網(wǎng)需要電力部門批準(zhǔn)，要交納電網(wǎng)使用費，增加企業(yè)成本。

本項目研究開發(fā)及推廣應(yīng)用，可提高國內(nèi)冶金領(lǐng)域的環(huán)境保護及余熱利用技術(shù)水平。

3 國內(nèi)外情況對比

目前，國內(nèi)針對爐窯高溫?zé)焿m除塵及余熱利用技術(shù)都在深入的研究，方法各異。如下：

（1）德國魯奇公司和蒂森鋼廠在上世紀(jì)60年代聯(lián)合開發(fā)了AOD爐干法（LT法）凈化技術(shù)。該技術(shù)有如下缺點：(a)是除塵凈化效率不高，粉塵質(zhì)量濃度降至50 mg/m3左右；(b)是該系統(tǒng)阻力大，能耗高，回收余熱能力差。

（2）寶鋼工程技術(shù)集團有限公司開發(fā)的余熱利用設(shè)備“汽化煙道+布袋除塵器”，存在的缺陷：汽化煙道的安裝和維護比較麻煩，廠房高度要高，建設(shè)廠房成本大；余熱利用效率不高，產(chǎn)蒸汽量少，不穩(wěn)定，系統(tǒng)投資大。

表1 國內(nèi)外余熱除塵系統(tǒng)對比

4 解決的關(guān)鍵技術(shù)

AOD爐在冶煉過程中產(chǎn)生大量高溫?zé)焿m，溫度高，煙塵量大，在降溫除塵的同時，產(chǎn)生飽和蒸汽，在利用蒸汽使汽輪機電機混合驅(qū)動除塵風(fēng)機?，F(xiàn)新開發(fā)的技術(shù)：是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，重點研發(fā)本項目除塵器本體運用重力和慣性原理；內(nèi)配置一種火花捕集裝置；新型脈沖噴吹裝置；汽化煙道和余熱鍋爐采用輻射換熱和對流換熱原理；汽輪機混合驅(qū)動風(fēng)機采用ORC有機朗肯循環(huán)原理，防磨隔熱層保溫?zé)煹啦捎谬敿拙W(wǎng)結(jié)構(gòu)。

重點解決的關(guān)鍵技術(shù)：

(1)解決創(chuàng)新設(shè)計變流式屋頂煙罩改變斷面吸捕速度（公司專利），為方錐體或長菱錐體，錐體壁板傾角以45耀60益為佳，罩內(nèi)設(shè)有導(dǎo)流增速板，為“活動式平行連桿機構(gòu)調(diào)速板”，提高屋頂煙罩?jǐn)嗝嫖端俣取?/p>

（2）解決HMD—火花捕集式低壓脈沖布袋除塵器（專利產(chǎn)品）：在低壓脈沖袋除塵器內(nèi)連接一種火花捕集裝置，能把20um以上粗顆粒捕集下來，用高效濾料來過濾，環(huán)保要求達到國家最新標(biāo)準(zhǔn)，將除塵器阻力控制在1500耀1600 Pa之內(nèi)(中阻),20um以上粗顆粒捕集效率逸95%,布袋壽命15個月以上,除塵效率逸99.5%。

(3)解決采用”汽化煙道+耐高溫耐磨保溫?zé)煹?翅片式余熱”聯(lián)合的工藝技術(shù)（發(fā)明專利），煙塵的高、中溫區(qū)的余熱熱能全部回收，產(chǎn)出飽和蒸汽量大，實現(xiàn)能源再利用.

(4)解決利用汽輪機與電機聯(lián)合拖動除塵風(fēng)機工作，即“電機+除塵風(fēng)機+機電一體化摩擦式離合器+汽輪機”工藝（專利產(chǎn)品），內(nèi)部可以避免能量轉(zhuǎn)換過程中能量損耗，有效提高了能量利用率。外部減少除塵電機的使用時間，節(jié)約電能。

5 本項目的技術(shù)指標(biāo)

70 t AOD爐煙塵潔凈處理后回收余熱驅(qū)動主機系統(tǒng)項目為例的技術(shù)指標(biāo)：

額定處理煙氣量:11伊104m3/h;

布袋使用壽命:逸15月;

崗位粉塵濃度:臆8 mg/m3（扣除本底值）;

排放濃度:臆10 mg/m3;

余熱鍋爐進口煙氣溫度:630益（最高900益）;

出廢熱鍋爐裝置煙氣溫度:臆230益;

余熱鍋爐煙氣流量:110000 m3/h;

余熱鍋爐額定產(chǎn)汽壓力:臆2.4 MPa;

蓄熱器出口飽和蒸汽壓力:1.0 MPa（飽和）;

蓄熱器出口飽和蒸汽流量:15耀25 t/h;

蓄熱器出口飽和蒸汽溫度:臆180益;

汽輪機進汽壓力:1.0依0.6 MPa（飽和）;

汽輪機排氣壓力:0.1 MPa;

汽輪機驅(qū)動能力:1000耀2300 kW;

汽輪機轉(zhuǎn)速范圍:2100耀3150 r/min;

汽輪機正常工況汽耗:7.34 kg/kW.h。

6 研究試驗方法、工藝流程

6.1 研究試驗方法

根據(jù)AOD爐冶煉的工藝、溫度、煙塵性質(zhì)做了1：700實驗?zāi)Ｐ?，處理風(fēng)量1000 m3/h，AOD爐冶煉周期100 min，檢測如表2（各爐除氧器溫度最高106益，平均99益）、表3(AOD爐實際測量余熱鍋爐溫度)。

表2 五爐鋼水余熱鍋爐進口最高煙氣溫度表

表3 一爐鋼水時間溫度表

從表2、3中得到余熱鍋爐最高煙氣920益，平均溫度在：40 min內(nèi)：500 益，60 min內(nèi)：410 益，60 min內(nèi)：300益,從AOD爐溫度上看呈“M”型。因此看出AOD爐冶煉工藝不確定因素高，導(dǎo)致余熱產(chǎn)生蒸汽量波動性大。

6.2 工藝流程

AOD爐在正常冶煉時，煙氣主要通過爐口上方捕集（一次煙氣捕集）；在吹氧氣、加料、出鋼的時候煙氣是通過變流式屋頂煙罩捕集（二次煙氣捕集），通過管道上電動閥門來控制風(fēng)量大小，將一次煙氣和二次煙氣排煙系統(tǒng)合并設(shè)置，其最大的優(yōu)點是利用二次煙氣較低的含塵濃度很低的煙氣溫度以及大風(fēng)量的特點，來稀釋和降低一次煙氣中的高塵和溫度狀況；在這同時熱煙塵經(jīng)過翅片管式余熱鍋爐系統(tǒng)，通過輻射對流將熱能吸收，產(chǎn)生飽和蒸汽并收集起來，用該蒸汽帶動汽輪機直接拖動除塵主風(fēng)機，就不需要用發(fā)電機來發(fā)電給除塵電動機供電，也不需要電廠的電能來驅(qū)動電動機，這樣避免能量轉(zhuǎn)換過程中能量損失。整個系統(tǒng)工藝可分為：除塵工藝、余熱鍋爐工藝、汽輪機和電機混合驅(qū)動除塵風(fēng)機工藝。見圖1。

6.2.1 除塵工藝

(1)一次煙氣捕集：正常冶煉時，異性式水冷密排管吸口對準(zhǔn)固定保溫?zé)煹揽?，增壓風(fēng)機產(chǎn)生負(fù)壓作用，使?fàn)t口高溫?zé)釤焿m被吸入異性式水冷密排管吸口罩中至沉降室和耐高溫耐磨保溫?zé)煹?，進入翅片管式余熱鍋爐系統(tǒng)，余氣通過增壓風(fēng)機進入鰭片管道到HMD—火花捕集式低壓脈沖布袋除塵器，除塵凈化達標(biāo)從排氣筒排出。

(2)二次煙氣捕集：高溫?zé)焿m在風(fēng)機站負(fù)壓和煙塵熱抬升力作用下：加料、出鋼時，煙氣通過變流式屋頂煙罩，進入低溫鋼管道到HMD—火花捕集式低壓脈沖布袋除塵器，除塵凈化達標(biāo)排放。

圖1 整個系統(tǒng)工藝

6.2.2 余熱鍋爐工藝

余熱鍋爐系統(tǒng)可分為：熱力除氧系統(tǒng)、產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、加藥裝置、取樣裝置、排污擴容器等。

（1）熱力除氧系統(tǒng)

氣體在水中的溶解度與水的溫度（逸104益）有關(guān)。在一定的壓力下，隨著水溫升高，氣體的溶解度相應(yīng)降低。熱力除氧就是利用這個原理，將水加熱到沸點，使水中的氣體溶解度為零，而達到除氧和除二氧化碳的目的。在AOD爐高溫?zé)煔饨?jīng)過低壓蒸發(fā)器進行熱交換作用下，低壓鍋筒水進入低壓蒸發(fā)器將換熱出來汽水混合進入低壓鍋筒進行汽水分離，產(chǎn)生低壓蒸汽到熱力除氧器進行除氧。

（2）產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)

AOD爐高溫?zé)煔饨?jīng)過中壓蒸發(fā)器進行熱交換作用下,中壓鍋筒水進入中壓蒸發(fā)器將換熱出來汽水混合物在熱升力作用下進入中壓鍋筒進行汽水分離產(chǎn)生蒸汽再到蓄熱器。蓄熱器是一種節(jié)能裝置，一般可節(jié)能5%耀15%，當(dāng)余熱鍋爐負(fù)荷減小時，多余蒸汽供入蒸汽蓄熱器內(nèi)，使蒸汽在一定壓力下變?yōu)楦邏猴柡退?，?dāng)汽輪機負(fù)荷增加大，余熱鍋爐蒸發(fā)量供不應(yīng)求時，降低蓄熱器中壓力，高壓飽和水即分離為蒸汽和低壓飽和水，產(chǎn)生蒸汽給汽輪機。蓄熱器產(chǎn)生蒸汽進入分汽缸后再進入汽輪機。分汽缸的主要作用是分配蒸汽，因此分氣缸上有多個閥座，連接蓄熱器的主汽閥及送汽閥門。分氣缸還有儲存蒸汽、多臺鍋爐蒸汽并用的作用，在外還有一定的汽水分離能力。

（3）水循環(huán)系統(tǒng)

合格的除鹽水進入軟化水箱，在軟水泵作用下分別進溶液箱(加藥)和熱力除氧器補充水，內(nèi)設(shè)安全自循環(huán)系統(tǒng)。低壓給水泵從熱力除氧器將水抽出來分別給到低壓鍋筒補水，產(chǎn)氣低壓蒸汽進入熱力除氧器進行熱力除氧，內(nèi)設(shè)安全自循環(huán)系統(tǒng)。中壓給水泵從熱力除氧器將水抽出來到中壓鍋筒進行補水產(chǎn)生蒸汽進入蓄熱器。

（4）加藥裝置

根據(jù)原水的硬度、堿度和鍋爐水維持的堿度或藥劑濃度及鍋爐排污率大小等確定，通常加氫氧化鈉、碳酸鈣、磷酸三鈉等。軟水泵溶液箱(加藥)在計量泵作用下到中、低壓鍋筒去，主要來去除結(jié)垢物。

（5）取樣裝置

保證鍋爐系統(tǒng)不產(chǎn)結(jié)垢物和加藥時間等設(shè)置取樣裝置，本系統(tǒng)有給水取樣、中壓爐水取樣、中壓蒸汽取樣、低壓爐水取樣

（6）排污擴容器

主要在鍋爐系統(tǒng)調(diào)試和鍋爐水不合格時候才使用，本系統(tǒng)有低壓鍋筒、低壓蒸發(fā)器、中壓蒸發(fā)器、中壓鍋筒、蓄熱器排污，見圖2。

圖2 余熱系統(tǒng)工藝

6.2.3 汽輪機和電機混合驅(qū)動除塵風(fēng)機工藝

因AOD爐冶煉工藝不確定因素高，溫度、流量波動性大、變法范圍大等特點，這樣導(dǎo)致余熱產(chǎn)生蒸汽量波動性大，隨之汽輪機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化并小于電機轉(zhuǎn)速，這樣使除塵系統(tǒng)達不到環(huán)保效果。為解決這個難題：將汽輪機和主風(fēng)機相連軸之間加一種機電一體化摩擦式離合器，其目的為分離和合入的功能。當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速小于電機轉(zhuǎn)速的80%（可調(diào)）時候，機電一體化摩擦式離合器將汽輪機和主風(fēng)機相分離，同時電機通過電廠的電能來啟動，使電機工作，這樣風(fēng)機始終在工作；當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速等于電機轉(zhuǎn)速時候，機電一體化摩擦式離合器將汽輪機和主風(fēng)機相合入，此時電機斷開電廠的電能，電機停止工作，汽輪機拖動風(fēng)機工作；汽輪機轉(zhuǎn)速高于電機轉(zhuǎn)速是嚴(yán)格不允許，汽輪機本身額定轉(zhuǎn)速在出廠前有嚴(yán)格要求。就通過蒸汽量發(fā)生變化，工質(zhì)由汽和電發(fā)生轉(zhuǎn)化，那汽輪機和電機混合拖動主風(fēng)機，如此循環(huán)，達到除塵和環(huán)保要求。汽輪機電機轉(zhuǎn)速有專門檢測裝置，在電氣自動化上進行控制互鎖和連鎖等功能,見圖3、圖4所示。

圖3 混合驅(qū)動除塵風(fēng)機工藝1

圖4 混合驅(qū)動除塵風(fēng)機工藝2

7 結(jié)論

本項目采用全燃法“耐高溫耐磨保溫?zé)煹?汽化煙道+翅片式余熱鍋爐+混合驅(qū)動聯(lián)合”的工藝，2015在廣西某鋼廠AOD爐余熱系統(tǒng)的嘗試，實際產(chǎn)生蒸汽22 t/h,驅(qū)動功率2240 kW,排放濃度10 mg/m3，將來有較大的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1]蔡九菊.鋼鐵企業(yè)能耗分析與未來節(jié)能對策研究 [J].鞍鋼技術(shù),2009年02期.

[2]郭漢杰,尹志明.鋼鐵冶金流程節(jié)能空間研究[J].鋼鐵,2007年02期.

[3]曹春華,張衛(wèi)東,陸俊杰.AOD爐煙塵高中溫余熱正能回收利用及除塵系統(tǒng).中國,ZL201410026304.5[P].2016-03-2.

[4]曹春華,朱曉紅,張衛(wèi)東.電機汽輪機混合拖動轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機余熱利用及除塵系統(tǒng).中國,ZL201220346824.0[P].2013-02-27.

[5]曹春華,肖亞娟,宋晨,陸俊杰.變流式屋頂罩.中國,ZL201420274108.5[P].2014-09-17.

開發(fā)應(yīng)用項目:江蘇省重點研發(fā)計劃--產(chǎn)業(yè)前瞻與共性關(guān)鍵技術(shù)(BE2016191)

Development and App lication of AOD Furnace Smoke Treatment and Waste Heat Recovery Technology

Zhang Weidong1,Shi Jian2,Cao Chunhua1,Yang Yibin1
(1.Wuxi Sanda Environment Protection Technology Co.,Ltd.,Wuxi,Jiangsu 214131;2.Shanghai Representative Office of Seghers Advanced Technologies Co.,Ltd.,Shanghai 200085,China）

AOD furnace produces large amount of high temperature smoke in smelting process with the smoke temperature reaching 1850益and the amount of smoke as high as 100 g/m3.Saturated steam is produced from the process of smoke cooling and dust removal,which is used to power the steam turbine to drive the dust removing fan,thus achieving the goal of resource utilization.

AOD furnace,hybrid drive,recovery waste heat,clean treatment

TK115

B

1006-6764(2018)01-0036-06

2017-08-08作者簡介:張衛(wèi)東（1981-），男，大學(xué)本科學(xué)歷,工程師，現(xiàn)從事節(jié)能環(huán)保設(shè)計工作。

2017-10-10