王學(xué)義，馬全峰，宋智宇

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司特鋼公司，天津300301）

由于我國(guó)廢鋼資源的短缺，電弧爐煉鋼生產(chǎn)中普遍使用鐵水熱裝技術(shù)，鐵水為煉鋼過程提供大量的物理熱和化學(xué)熱。隨著鐵水的裝入比例的增加、碳氧槍的應(yīng)用和供氧強(qiáng)度的加大，電弧爐產(chǎn)生的煙氣量增加，其最高溫度可達(dá)1 400 ℃[1]。高溫?zé)煔怙@熱帶走的熱量約為電弧爐輸入總能量的15%以上[2]。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)電弧爐煉鋼余熱回收主要存在以下問題：部分電弧爐沒有配套余熱回收系統(tǒng)，致使電弧爐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量余熱直接浪費(fèi)；另一部分電弧爐配備的傳統(tǒng)余熱回收工藝技術(shù)落后，不但余熱回收效率低，而且滿足不了電弧爐生產(chǎn)升級(jí)改造的需要。

為了充分回收利用電弧爐的余熱，同時(shí)滿足生產(chǎn)需要，達(dá)到節(jié)能減排的目的，對(duì)電弧爐煉鋼余熱綜合利用勢(shì)在必行。

1 電弧爐概況及其煙氣特點(diǎn)

1.1 電弧爐工藝參數(shù)

電弧爐主要工藝技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 電弧爐主要工藝技術(shù)參數(shù)

1.2 電弧爐煙氣特點(diǎn)

電弧爐產(chǎn)生的煙氣含塵量較高、粒度小，其粒度通常小于20 μm，附著性強(qiáng)、沖刷力大，用傳統(tǒng)余熱回收工藝常常出現(xiàn)系統(tǒng)堵塞、設(shè)備沖刷損壞等問題。電弧爐生產(chǎn)是間斷模式，煙氣流量、溫度、成分隨冶煉過程周期性波動(dòng)，所產(chǎn)生蒸汽也是間斷式的，難以直接利用。

1.3 電弧爐煙氣余熱利用現(xiàn)狀

某公司90 t 電弧爐在冶煉過程中，爐內(nèi)煙氣由第四孔進(jìn)入水冷彎煙道，然后進(jìn)入水冷沉降室，煙氣從水冷沉降室出來后再經(jīng)過水冷煙道進(jìn)入空氣冷卻器，溫度降至350 ℃左右，并與來自屋頂罩溫度為60 ℃的二次煙氣相混合，經(jīng)過混合后的煙氣溫度低于130 ℃，進(jìn)入袋式除塵器除塵凈化后排放，造成大量能源浪費(fèi)，進(jìn)行煙氣余熱利用改造迫在眉睫。

2 汽化冷卻技術(shù)與熱管換熱技術(shù)對(duì)比分析

2.1 技術(shù)簡(jiǎn)介

汽化冷卻技術(shù)和熱管換熱技術(shù)是在電弧爐余熱回收中常用的兩種技術(shù)，兩種技術(shù)各有優(yōu)劣，選用時(shí)要按照實(shí)際情況綜合考量。

汽化冷卻是采用軟化水以汽化的方式冷卻高溫?zé)煔獠⑽沾罅康臒崃繌亩a(chǎn)生蒸汽的裝置。其工作過程是：高溫?zé)煔馔ㄟ^汽化冷卻煙道壁面，將熱量傳導(dǎo)給壁面另一側(cè)管道中的水使其部分蒸發(fā)在蒸發(fā)管內(nèi)形成汽水混合物，蒸汽上升進(jìn)入汽包，經(jīng)過汽水分離后，蒸汽引出進(jìn)入蓄熱器儲(chǔ)存，最終送入蒸汽管網(wǎng)供給外部，而水則下降重新進(jìn)入汽化器下聯(lián)箱，補(bǔ)充的水供給繼續(xù)蒸發(fā)，循環(huán)往復(fù)，達(dá)到冷卻和產(chǎn)生蒸汽的目的[3]。

熱管利用了熱傳導(dǎo)原理與工質(zhì)在相變過程中吸收或釋放潛熱原理，將熱量高效快速的傳遞出去[4]。熱管作為熱管換熱器的核心部件，將高溫?zé)煔獾臒崃總鬟f給水套內(nèi)的飽和水并使其汽化，產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過上升管升至汽包，集中分離后輸出蒸汽，通過外部汽-水管道的上升及下降完成汽-水循環(huán)，使汽包內(nèi)的水轉(zhuǎn)化為飽和蒸汽，達(dá)到利用余熱的目的[5]。

2.2 兩種技術(shù)的對(duì)比分析

2.2.1 煙氣的利用效率

汽化冷卻技術(shù)：包含高溫汽化冷卻系統(tǒng)和低溫汽化冷卻系統(tǒng)，可以將煙氣從1 200 ℃冷卻到200 ℃以下。其蒸汽量供給較為穩(wěn)定，并不會(huì)隨時(shí)間而降低或衰減。

熱管換熱技術(shù)：采用水作為熱管工作介質(zhì)，靠對(duì)流輻射傳導(dǎo)熱量，最佳熱能回收區(qū)在500 ℃以下，因而只有低溫汽化冷卻系統(tǒng)，無高溫汽化冷卻系統(tǒng)，高溫段熱能不能得到利用。

2.2.2 使用壽命和可維護(hù)性

汽化冷卻技術(shù)：該技術(shù)較成熟。其系統(tǒng)在保證制作質(zhì)量基礎(chǔ)上使用壽命可達(dá)8年以上，且維修方便。由于電弧爐后端采取了布袋除塵，如果出現(xiàn)管道漏水，不會(huì)產(chǎn)生泄爆現(xiàn)象，用戶可以在合適的時(shí)候進(jìn)行維修。系統(tǒng)采用機(jī)械清灰方式，運(yùn)行可靠性良好。

熱管換熱技術(shù)：作為近年來新興起的余熱回收技術(shù)，在低溫和穩(wěn)定溫度下有較好的效果。如果熱管一端損壞，不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。如果兩端損壞，則同樣會(huì)產(chǎn)生漏水，而且熱管損壞的部位很難被發(fā)現(xiàn)，難以維修。所以，隨著損壞熱管增加，產(chǎn)生的蒸汽會(huì)越來越少。由于熱管系統(tǒng)不容易發(fā)現(xiàn)壞管，易造成壞管累積而導(dǎo)致系統(tǒng)壽命衰減，一般在投入運(yùn)行4 年左右須考慮系統(tǒng)的更換問題。熱管系統(tǒng)采用氣體爆破清灰，效果并不理想。

2.2.3 蒸汽生產(chǎn)的穩(wěn)定性及輸送

汽化冷卻技術(shù)：由于系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，其蒸汽量供給也較為穩(wěn)定，并不會(huì)隨時(shí)間而降低或衰減。該系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽壓力可達(dá)3.5～4 MPa，高壓蒸汽有利于降低蒸汽傳輸成本。

熱管換熱技術(shù)：熱管內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生原理性的化學(xué)相容反應(yīng)，在內(nèi)部產(chǎn)生滯凝氣體氫氣，致使導(dǎo)熱性能的下降從而導(dǎo)致蒸汽量的衰減。由熱管系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽壓力只有1.5 MPa 左右，在蒸氣傳輸過程中，需要采用較大口徑的管道輸送蒸汽，使得保溫層的成本投入大。

經(jīng)過綜合對(duì)比，本文所研究的90 t 電弧爐余熱回收系統(tǒng)改造選用汽化冷卻技術(shù)。

3 90t電弧爐余熱回收系統(tǒng)改造與實(shí)踐

3.1 系統(tǒng)組成和工作原理

3.1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成如圖1 所示。該系統(tǒng)分為高溫汽化冷卻系統(tǒng)和低溫汽化冷卻系統(tǒng)，由水冷汽化煙道、廢熱鍋爐、除鹽水包、高壓汽水包、儲(chǔ)汽包等組成。

3.1.2 煙氣余熱利用

電弧爐高溫?zé)煔獾挠酂峄厥战?jīng)過兩級(jí)處理。

第一級(jí)采用汽化冷卻方式，將高達(dá)1 500 ℃的高溫?zé)煔馔ㄟ^汽化冷卻方式換熱降至500～600℃的中溫?zé)煔?，同時(shí)生產(chǎn)出部分蒸汽。

電弧爐第四孔出來的高溫?zé)煔猓? 300～1 500 ℃）首先進(jìn)入汽化彎煙道，隨后進(jìn)入汽化燃燒沉降室，在燃燒沉降室內(nèi)完成煙氣可燃成分的完全燃燒以及大顆粒物的沉降；經(jīng)過沉降室除去大顆粒后的高溫?zé)煔庠龠M(jìn)入汽化冷卻煙道進(jìn)一步換熱降溫，溫度降至500～600 ℃。

第二級(jí)采用對(duì)流鍋爐方式，溫度降至500～600 ℃的煙氣進(jìn)入對(duì)流余熱鍋爐后進(jìn)行換熱，經(jīng)余熱鍋爐換熱后的煙氣溫度再降至180 ℃，同時(shí)生產(chǎn)出另一部分蒸汽。

最后經(jīng)余熱鍋爐排出的煙氣，同頂吸低溫?zé)煔饣旌虾?，溫度降?30 ℃以下后進(jìn)入布袋除塵器。

3.1.3 汽水系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)供水。從除鹽水站接入的除鹽水，首先進(jìn)入除氧器除氧，經(jīng)除氧后的水由鍋爐給水泵經(jīng)省煤器提溫后給汽包補(bǔ)水。

（2）汽水循環(huán)。該系統(tǒng)的汽水循環(huán)分為兩部分，分別為自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)。其中，汽化冷卻部分為強(qiáng)制循環(huán)，汽包水經(jīng)強(qiáng)制循環(huán)水泵供至各汽化冷卻裝置，換熱后產(chǎn)生的汽水混合再回到汽包；余熱鍋爐采用自然循環(huán)，汽包水下降至鍋爐下聯(lián)箱，經(jīng)換熱后產(chǎn)生的汽水混合經(jīng)鍋爐上聯(lián)箱回到汽包?；氐狡钠旌辖?jīng)汽水分離后，生產(chǎn)出蒸汽。

圖1 余熱回收系統(tǒng)組成及煙氣流程圖

（3）蒸汽的穩(wěn)定連續(xù)性。因電弧爐生產(chǎn)的間斷性，導(dǎo)致蒸汽生產(chǎn)波動(dòng)性很大，為形成穩(wěn)定可用的蒸汽，在系統(tǒng)后部配置3臺(tái)蓄熱器，經(jīng)蓄熱器穩(wěn)定后，根據(jù)用戶需求向外輸出所需的蒸汽。

3.2 關(guān)鍵部件

3.2.1 活動(dòng)滑套

活動(dòng)滑套的設(shè)計(jì)是為了第四孔彎頭和沉降室上的彎管配合的適當(dāng)。電弧爐和沉降室上方彎管處的縫隙可以放進(jìn)稀釋空氣，用于二次燃燒從電弧爐工藝中耗散出來的未燃盡的C，CO，H2等。與此同時(shí)，除了二次燃燒所必須的稀釋空氣，滑套也用來優(yōu)化/最小化混風(fēng)量。特別是，要控制二次燃燒后的殘氧含量大約在10%～12%，才可以確保未燃?xì)怏w完全燃燒。在電弧爐冶煉過程中，可以通過改變滑套的位置來控制間隙開口度，此過程是通過專用的自動(dòng)控制的液壓缸來實(shí)現(xiàn)的。

某公司90 t電弧爐改造采用了內(nèi)置滑套的冷卻導(dǎo)流裝置，包括導(dǎo)流主體和內(nèi)置滑套，導(dǎo)流主體的上端通過內(nèi)置滑套與第四孔相連通，導(dǎo)流主體的下端與燃燒沉降室相連通。通過設(shè)計(jì)內(nèi)置滑套，將原本煙道的水平直段省略簡(jiǎn)化，使煙塵沒有沉積空間，杜絕了煙氣對(duì)導(dǎo)流裝置的沉積。此處設(shè)計(jì)使導(dǎo)流主體與燃燒沉降室具有一定夾角，便于煙塵在重力的作用下自然滑入燃燒沉降室內(nèi)，同時(shí)還緩沖了煙氣對(duì)導(dǎo)流裝置的側(cè)壁沖擊和磨損，導(dǎo)流更加順暢。

3.2.2 角管式余熱鍋爐

角管式鍋爐利用不受熱的下降管和靈活的混合物管，是一種水循環(huán)特性非常好的鍋爐。由于這種鍋爐的下降管布置在角上，不僅作為水循環(huán)通道，而且還是鍋爐支撐框架的一部分，節(jié)省了材料。電弧爐角管式余熱鍋爐具有以下特點(diǎn)：

（1）余熱鍋爐為臥式結(jié)構(gòu)，煙氣與列管換熱器橫向沖刷，具有氣流通暢、阻力小、易清灰等優(yōu)點(diǎn)。

（2）角管式鍋爐的四角為大直徑厚壁的下降管與汽包、集箱、受熱面、加強(qiáng)梁等組成框架式結(jié)構(gòu)，無鋼架結(jié)構(gòu)，抗震性好。

（3）角管式鍋爐的汽包為外置式縱向布置或橫向布置，汽包布置在余熱回收系統(tǒng)的最高點(diǎn)，減小了汽包和冷卻段之間的距離。

（4）受熱面通道四周均采用全封閉膜式壁結(jié)構(gòu)，密封性好，適于電弧爐高低溫頻繁交替的工況。

（5）鍋爐設(shè)計(jì)為輕型的爐墻保溫結(jié)構(gòu)，外側(cè)敷設(shè)一定厚度（200 mm 左右）的保溫材料，外面再包以外護(hù)板，鍋爐啟動(dòng)運(yùn)行爐墻的蓄熱量小，鍋爐保溫性能好，外表美觀整潔。

3.2.3 煙氣蓄熱裝置

電弧爐煉鋼時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的高溫間歇性煙氣，而大量的高溫間歇性煙氣對(duì)于余熱回收產(chǎn)生了諸多不利影響：高溫?zé)煔饧夥鍦囟雀?，繼而導(dǎo)致余熱回收裝置超溫?fù)p壞；造成余熱回收裝置產(chǎn)汽不穩(wěn)定，同時(shí)不利于保證設(shè)備的穩(wěn)定性；無法利用煙氣自身熱量對(duì)蒸汽進(jìn)行加熱；加大了余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、操作、維護(hù)難度；余熱回收系統(tǒng)投資大，壽命短。

某公司90 t電弧爐改造時(shí)采用了一種新型間歇性高溫?zé)煔庑顭嵫b置。該裝置可蓄熱、平抑煙氣溫度波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)煙氣溫度平穩(wěn)輸出，同時(shí)還可滿足后續(xù)余熱回收裝置飽和蒸汽過熱需求。該系統(tǒng)包括蓄熱主體、煙氣入口和煙氣出口，蓄熱主體通過煙氣入口與燃燒沉降室的高溫?zé)煔獬隹谙噙B通，蓄熱主體包括殼體、在殼體內(nèi)部由下而上依次設(shè)置有支撐架、支撐篦子板、蓄熱用耐材和頂部吹灰裝置；蓄熱用耐材包括多條供煙氣導(dǎo)流的通道。

該系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了出口煙氣溫度的基本穩(wěn)定。煙氣穩(wěn)定后，余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)耐溫大幅下降，其設(shè)計(jì)、制造、操作、維護(hù)難度也相應(yīng)大幅下降，余熱回收系統(tǒng)投資大大降低，系統(tǒng)使用壽命也得以延長(zhǎng)。

3.2.4 換熱器清灰系統(tǒng)

考慮到來自于電弧爐的煙氣煙塵含量大（大約20～30 g/m3（標(biāo)準(zhǔn)）），余熱鍋爐的流道必須配有全自動(dòng)的振打清灰系統(tǒng)，此系統(tǒng)安裝在熱對(duì)流段可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱交換器的清潔工作。振打系統(tǒng)通過振動(dòng)來清理熱交換器表面積灰。運(yùn)行時(shí)通過下落錘旋轉(zhuǎn)打擊撞桿，以此敲擊加強(qiáng)端頭板的背面，產(chǎn)生的沖擊能量傳導(dǎo)到管壁表面從而去除煙塵沉積。這種清灰系統(tǒng)可以24小時(shí)不間斷運(yùn)行，也可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量的灰塵量去設(shè)定工作時(shí)間、選擇運(yùn)行周期。特別是當(dāng)灰塵量很少時(shí)，振打系統(tǒng)可以停機(jī)。清理下來的粉塵在換熱器底部的灰斗內(nèi)不斷堆積，通過刮板機(jī)，斗提機(jī)輸送至灰倉(cāng)儲(chǔ)存，然后定期外運(yùn)。

3.3 控制系統(tǒng)

整套余熱回收系統(tǒng)全部由PLC 系統(tǒng)自動(dòng)控制。在控制系統(tǒng)中，設(shè)置了多達(dá)15個(gè)與電弧爐生產(chǎn)相連鎖的參數(shù)，以保證余熱系統(tǒng)與電弧爐生產(chǎn)的完美匹配。根據(jù)電弧爐工作狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)控?zé)煔饬?，從而?shí)現(xiàn)煙氣量的優(yōu)化控制，使得電弧爐熱損失減少的同時(shí)，提高余熱回收效率；通過分析煙氣中的CO濃度，控制空氣配風(fēng)量，以實(shí)現(xiàn)CO 的完全燃燒，在提高熱效率的同時(shí)，避免了CO 的安全事故。對(duì)爐水進(jìn)行導(dǎo)電率監(jiān)測(cè)，并自動(dòng)連鎖排污，保證爐水鹽分控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，以保障系統(tǒng)的換熱效率和安全性。

余熱回收系統(tǒng)設(shè)備通過專有的本地控制箱可以直接控制（用于所有信號(hào)的控制）?，F(xiàn)場(chǎng)控制箱與自動(dòng)化系統(tǒng)可以進(jìn)行通訊，下達(dá)所有現(xiàn)場(chǎng)指令和報(bào)警控制信號(hào)。所有的現(xiàn)場(chǎng)控制箱與主要控制站（PLC）通過以太網(wǎng)/Profibus 連接。

余熱回收系統(tǒng)設(shè)有不同的控制站，控制站可以設(shè)定工藝參數(shù)。余熱回收系統(tǒng)參數(shù)，如相關(guān)的物理特性參數(shù)，閥的工作狀態(tài)，流量等，通過人機(jī)交互界面可以連續(xù)的監(jiān)控。圖2為余熱回收系統(tǒng)的運(yùn)行界面。

圖2 余熱回收系統(tǒng)運(yùn)行控制界面圖例

3.4 具體改造內(nèi)容實(shí)施效果

3.4.1 改造內(nèi)容

（1）將電弧爐現(xiàn)有燃燒室、沉降室、水冷煙道拆除，全部改造為水冷汽化煙道，使水冷汽化煙道末端煙氣溫度降至650 ℃以下。現(xiàn)電弧爐水冷煙道循環(huán)水系統(tǒng)停用。

（2）將現(xiàn)有除塵機(jī)力風(fēng)冷器拆除，新建廢熱鍋爐，并配置水泵房、除鹽水包、高壓汽水包、儲(chǔ)汽包、PLC室等。

（3）配套建設(shè)一個(gè)供水量為40 t/h的除鹽水處理系統(tǒng)。

3.4.2 實(shí)施效果

電弧爐余熱綜合利用技術(shù)應(yīng)用于90 t 電弧爐，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，效果良好，具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：

（1）取消了原有的水冷卻、風(fēng)冷卻裝置，小時(shí)節(jié)電400kW·h；

（2）充分利用電弧爐煙氣余熱，產(chǎn)生11 MPa飽和蒸汽，回收蒸汽量242 kg/t鋼；

（3）停用了原有VD抽真空用的20 t/h燃?xì)忮仩t

（4）關(guān)停了30 t/h燃煤采暖鍋爐；

（5）第四孔后的冷卻煙道從6個(gè)月的使用壽命提高到2年以上，提高了電弧爐作業(yè)率；

（6）降低了余熱鍋爐的排煙溫度，提升了除塵布袋的使用壽命；

（7）降低了原來水、電等介質(zhì)的消耗；

（8）各設(shè)備及輔機(jī)運(yùn)行效果良好，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，保證了電弧爐的正常生產(chǎn)。

4 結(jié)論

（1）余熱回收能夠有效節(jié)約能源，減少能耗，是實(shí)現(xiàn)綠色電弧爐煉鋼的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

（2）汽化冷卻技術(shù)相比熱管換熱技術(shù)，具有煙氣利用效率高、易于維護(hù)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。（3）90 t電弧爐余熱回收系統(tǒng)改造采用了電弧爐余熱綜合利用技術(shù)，完全符合國(guó)家關(guān)于節(jié)能減排，余熱回收的指導(dǎo)方針，能降低電弧爐煉鋼的噸鋼能耗指標(biāo)，為企業(yè)及社會(huì)帶來切實(shí)的利益，開拓了一條新途徑。