热管余热锅炉在炼钢电弧炉烟气余热回收系统中的应用
2022-08-03 22:50:00
热管余热燃烧器定制在炼钢电弧炉烟气余热回收系统中的应用
本文以电弧炉炼钢过程烟气余热的回收利用及烟气净化除尘为主线，以热管蒸发器为换热元件，合理控制烟气流速，解决高温烟尘的沉降和蒸发器热管灰堵以及烟气温度波动大的难题，完成了50t电弧炉烟气余热回收净化系统设计与施工。对电弧炉炼钢过程中所产生的高温烟气直接进行余热回收，满足电弧炉炼钢过程中VD真空处理对蒸汽的需求，实现了高温烟气余热回收利用和环境净化，为国内电弧炉节能降耗和清洁生产进行了有益的探索。
进入21世纪后，由于废钢资源的限制，我国电弧炉开始普遍使用铁水装热技术，这是中国在特定情况下的资源利用。对于电弧炉炼钢而言，铁水提供了大量的物理热和化学热，减少了装料次数，改善了电弧燃烧条件，特别是避免了社会废钢中残余金属元素带来的污染，是电弧炉炼钢高效、节能的首选条件。然而使用铁水后，电弧炉排放烟气温度增加，最高温度可达1400℃，随烟气显热带走的热量占总投入热量的13%—20%，所以回收电弧炉烟气余热是现阶段电弧炉高效低耗生产的必由之路。
一、50t电弧炉概况
1 、电弧炉工艺参数
50t电弧炉主要工艺技术参数见表1
2 、电弧炉的烟气特点
1）间歇性、波动性
电弧炉在冶炼过程中，排放出的烟气流量、温度、含尘量在不断地变化，呈现周期性波动，氧化期的烟气温度最高，流量最大，含尘量最多，在出钢期的烟气温度最低，力量最小，含尘量也最小。
2）烟气中粉尘浓度大，粒径小
电弧炉在冶炼过程中，排放出的烟气中粉尘浓度大、粒径小，属于微细尘。烟尘含量一般在8—15g/m3（标态），最大达到30 g/m3（标态）；烟尘粒度小，粒径分布在0—30μm范围内，吸附力大。电弧炉烟尘化学成分见表2.
3电弧炉能量平衡
50t电弧炉爱配加30%铁水冶炼时的能量平衡表如图1所示
由图1可知，在50t电弧炉的能量平衡中，高温烟气带走的热量一般约占电弧炉总热量的11%，冶炼强度增加，单位时间内高温烟气带走的热量增加。实现电弧炉余热回收利用，对节能降耗和清洁生产具有重要意义。
4电弧炉烟气系统概况
为了利用电弧炉烟气热能，很多企业将高温烟气用来加热废钢，其中典型的案例便是Consteel电路Fuchs竖炉。但是在烟气加热废钢的过程中，烟尘中对炼钢有害的元素（如Zn、Sn、Pb等元素）产生富集，对冶炼的产品质量有不利影响，同事在废钢预热的过程中有毒物质二噁英的形成会对环境造成污染。鉴于对以上问题的考虑，此电弧炉选择在炉盖第四孔回路上新增一套余热回收装置，经余热回收后的低温烟气在进入单独的一套除尘器进行净化，余热回收装置生产饱和蒸汽，用以满足VD真空炉生产。改造后的系统示意图如图2所示。
二、烟气余热回收系统设计
1 、余热回收系统工艺流程
余热回收系统工艺流程如图3所示，电弧炉产生的1200℃左右的高温烟气，经过炉盖第四孔静茹移动烟道，在进入燃烧沉降室，CO等可燃物进一步燃烧，同时大颗粒得以沉降，通过调整燃烧沉降室出口混风阀将烟气出口温度控制在800℃以内，在经过高温烟道进入热管蒸汽发生器进行热量回收，热交换后的温度降到160℃左右进入除尘器净化，热管蒸汽发生器生产的饱和蒸汽通过分气缸供生产和生活实用。
2 、余热回收系统设备组成
1）移动烟道
移动烟道两端分别连接炉盖第四孔和燃烧沉降室，移动烟道要满足炉盖旋入或旋出时不与第四孔弯烟道发生干涉，并且还要满足在吸入高温烟气的同时，也要吸入足量的外界空气，供后部沉降室内蓄积的CO的二次燃烧，故设计为活动烟道，其结构如图4所示。
2）燃烧沉降室
沉降室主要作用有两个，一是从电弧炉内排出的大颗粒粉尘有足够的时间沉降，避免大颗粒烟尘进入后部设备，以防导致设备堵塞或损坏；二是烟气中未燃烧的CO在沉降室内可继续燃烧，防止CO进入后续工艺设备，导致安全事故发生，燃烧需要的氧气从第四孔烟道和移动烟道连接处混入空气中得到。
沉降过程中共受到三个力的作用，重力、浮力和烟气对颗粒的曳力。重力和浮力之差是使烟尘发生沉降的动力，曳力则是阻碍烟尘发生沉降的力。为保证烟气中大颗粒粉尘的沉降效果，沉降室烟气的进、出口设置在顶部。沉降室外形轮廓如图5所示。
3）高温烟道
高温烟道是指连接沉降室与热管蒸汽发生器之间的管路，为避免热量散失，从沉降室出口至热管蒸汽发生器入口管道均采用内保温形式，内保温分两层，分别为耐磨层和隔热层。
4）热管蒸汽发生器
为适应电弧炉炼钢烟气的特点，要求余热燃烧器定制必须具有启动速度快、负荷适应能力强、连续无故障运行时间长、单向传热强度大等特点，故选用热管蒸汽发生器。
（1）热管蒸汽发生器的原理
热管蒸汽发生器由若干根热管元件组成，工作原理如图6所示，热管的受热段置于高温烟道内，高温烟气横掠热管受热段，热管元件的放热段因插在汽—水系统内，则使该系统的受热及循环完全与热源分离而独立存在于高温烟道之外，不受高温烟气的直接冲刷。高温烟气的热量由热管传给水套管内的饱和水使其汽化，所产生的蒸汽经蒸汽上升管到达汽包，经过汽水分离后再经主汽阀输出。这样，热管不断将热量输入水套管，通过外部汽—水管道的上升及下降完成基本的汽—水循环，达到将高温烟气降温并转化为蒸汽的目的。
（2）蒸发器的空间布置
蒸发器在空间上采取垂直布置，设备安装紧凑，占地面积小，高温烟气自上而下，温度逐渐降低，经过冲击波震动后，灰尘自上而下靠重力即可散落在最下方，容易清理积灰，整个热交换过程温度均匀，交换充分。蒸汽发生器空间布置如图7所示。
（3）蒸发器设备的基本特点
A .采用热管作为传热元件，整个汽—水系统的受热及循环完全与热流体隔离二独立在热流体烟道外，使本系统有别于一般的余热燃烧器定制。
B .设备中热管元件间相互独立，热流体与蒸汽发生区双重隔离互不影响，即使单根或数根热管损坏，也不会影响系统正常运行，同时水、汽也不会因热管的破损而进入热流体。
C .实际时通过调节热管两端的传热面积可有效调节和控制壁温，防止低温酸露点腐蚀。
D .操作简单、维修方便、工作可靠，整个系统的热量输送过程不需要任何外界动力，故障率低，效率高。
（4）热管蒸汽发生器设计参数
热管蒸汽发生器设计参数见表3，设备外形尺寸见表4.
5）冲击波清灰装置
电弧炉冶炼时的烟气量大，灰尘多，带有电荷，易吸附，热管容易堵塞，因此解决在线热管清灰问题是保证余热系统正常运行的关键。现场运行中发现，声波清灰对蒸发器壳体损伤太大，蒸汽清灰也是会造成热管板结堵塞，实践证明两种清灰方式在本系统中均不可行，最终选用冲击波清灰，满足了热管在线清灰的需求，保证了余热系统的安全稳定运行。
6）蓄热器
蒸汽蓄热技术是将间断供汽变为连续、稳定的汽源以利用用户使用。蓄热器是利用高压与低压时饱和水的焓差使水闪蒸，放出蒸汽。初期使用时充入除氧水，当高压蒸汽过量时，蒸汽通过内部充热装置喷人水中，并迅速凝结放热，使蓄热器内水位和压力升高，直至压力与蒸汽压力相等，完成冲热过程。这是蓄热器内的水是高压下的饱和水；当低压蒸汽用量大于燃烧器定制产气量时，与蓄热器汽空间相连的低压管道压力下降，蓄热器中的饱和水成为过热水，将自行沸腾放热，水位下降，产生低压蒸汽供给设备，完成放热过程。
为保证余热回收系统产生稳定流量的蒸汽，该方案配套两台150m3的蓄热器，设计充水系数85%，入口蒸汽压力1.6MPa，出口蒸汽压力1.0MPa。实践证明系统自产蒸汽足以满足生产生活需要。
3系统控制方案（略）
三、结论
1电弧炉余热回收利用系统工程的实施实现了余热回收和环境治理的双赢，是电弧炉炼钢企业节能能源、降低能耗和实现清洁生产的有效途径。
2系统自产蒸汽量平均15t/h左右，折合吨钢产汽量约为200kg/t，能够满足VD正空处理的蒸汽需求。燃油燃烧器定制的停运，每年可减少的燃油消耗费用2256万元，经济效益可观。
3冲击波在线清灰系统成功应用于电弧炉余热系统中，有效的保证了系统的畅通，防止了翅片板结积灰，
4风机变频器技术成功应用于电弧炉余热回收系统之中，通过风机频率与沉降室出口温度的连锁，完成温度自动控制，实现热量回收最大化。
5实践证明，高温烟气余热回收利用技术是集环境保护、余热余能回收利用为一体的新型环保项目，在国内外有很高的推广价值。
内容来源：烟气余热利用
本文以电弧炉炼钢过程烟气余热的回收利用及烟气净化除尘为主线，以热管蒸发器为换热元件，合理控制烟气流速，解决高温烟尘的沉降和蒸发器热管灰堵以及烟气温度波动大的难题，完成了50t电弧炉烟气余热回收净化系统设计与施工。对电弧炉炼钢过程中所产生的高温烟气直接进行余热回收，满足电弧炉炼钢过程中VD真空处理对蒸汽的需求，实现了高温烟气余热回收利用和环境净化，为国内电弧炉节能降耗和清洁生产进行了有益的探索。
进入21世纪后，由于废钢资源的限制，我国电弧炉开始普遍使用铁水装热技术，这是中国在特定情况下的资源利用。对于电弧炉炼钢而言，铁水提供了大量的物理热和化学热，减少了装料次数，改善了电弧燃烧条件，特别是避免了社会废钢中残余金属元素带来的污染，是电弧炉炼钢高效、节能的首选条件。然而使用铁水后，电弧炉排放烟气温度增加，最高温度可达1400℃，随烟气显热带走的热量占总投入热量的13%—20%，所以回收电弧炉烟气余热是现阶段电弧炉高效低耗生产的必由之路。
一、50t电弧炉概况
1 、电弧炉工艺参数
50t电弧炉主要工艺技术参数见表1
2 、电弧炉的烟气特点
1）间歇性、波动性
电弧炉在冶炼过程中，排放出的烟气流量、温度、含尘量在不断地变化，呈现周期性波动，氧化期的烟气温度最高，流量最大，含尘量最多，在出钢期的烟气温度最低，力量最小，含尘量也最小。
2）烟气中粉尘浓度大，粒径小
电弧炉在冶炼过程中，排放出的烟气中粉尘浓度大、粒径小，属于微细尘。烟尘含量一般在8—15g/m3（标态），最大达到30 g/m3（标态）；烟尘粒度小，粒径分布在0—30μm范围内，吸附力大。电弧炉烟尘化学成分见表2.
3电弧炉能量平衡
50t电弧炉爱配加30%铁水冶炼时的能量平衡表如图1所示
由图1可知，在50t电弧炉的能量平衡中，高温烟气带走的热量一般约占电弧炉总热量的11%，冶炼强度增加，单位时间内高温烟气带走的热量增加。实现电弧炉余热回收利用，对节能降耗和清洁生产具有重要意义。
4电弧炉烟气系统概况
为了利用电弧炉烟气热能，很多企业将高温烟气用来加热废钢，其中典型的案例便是Consteel电路Fuchs竖炉。但是在烟气加热废钢的过程中，烟尘中对炼钢有害的元素（如Zn、Sn、Pb等元素）产生富集，对冶炼的产品质量有不利影响，同事在废钢预热的过程中有毒物质二噁英的形成会对环境造成污染。鉴于对以上问题的考虑，此电弧炉选择在炉盖第四孔回路上新增一套余热回收装置，经余热回收后的低温烟气在进入单独的一套除尘器进行净化，余热回收装置生产饱和蒸汽，用以满足VD真空炉生产。改造后的系统示意图如图2所示。
二、烟气余热回收系统设计
1 、余热回收系统工艺流程
余热回收系统工艺流程如图3所示，电弧炉产生的1200℃左右的高温烟气，经过炉盖第四孔静茹移动烟道，在进入燃烧沉降室，CO等可燃物进一步燃烧，同时大颗粒得以沉降，通过调整燃烧沉降室出口混风阀将烟气出口温度控制在800℃以内，在经过高温烟道进入热管蒸汽发生器进行热量回收，热交换后的温度降到160℃左右进入除尘器净化，热管蒸汽发生器生产的饱和蒸汽通过分气缸供生产和生活实用。
2 、余热回收系统设备组成
1）移动烟道
移动烟道两端分别连接炉盖第四孔和燃烧沉降室，移动烟道要满足炉盖旋入或旋出时不与第四孔弯烟道发生干涉，并且还要满足在吸入高温烟气的同时，也要吸入足量的外界空气，供后部沉降室内蓄积的CO的二次燃烧，故设计为活动烟道，其结构如图4所示。
2）燃烧沉降室
沉降室主要作用有两个，一是从电弧炉内排出的大颗粒粉尘有足够的时间沉降，避免大颗粒烟尘进入后部设备，以防导致设备堵塞或损坏；二是烟气中未燃烧的CO在沉降室内可继续燃烧，防止CO进入后续工艺设备，导致安全事故发生，燃烧需要的氧气从第四孔烟道和移动烟道连接处混入空气中得到。
沉降过程中共受到三个力的作用，重力、浮力和烟气对颗粒的曳力。重力和浮力之差是使烟尘发生沉降的动力，曳力则是阻碍烟尘发生沉降的力。为保证烟气中大颗粒粉尘的沉降效果，沉降室烟气的进、出口设置在顶部。沉降室外形轮廓如图5所示。
3）高温烟道
高温烟道是指连接沉降室与热管蒸汽发生器之间的管路，为避免热量散失，从沉降室出口至热管蒸汽发生器入口管道均采用内保温形式，内保温分两层，分别为耐磨层和隔热层。
4）热管蒸汽发生器
为适应电弧炉炼钢烟气的特点，要求余热燃烧器定制必须具有启动速度快、负荷适应能力强、连续无故障运行时间长、单向传热强度大等特点，故选用热管蒸汽发生器。
（1）热管蒸汽发生器的原理
热管蒸汽发生器由若干根热管元件组成，工作原理如图6所示，热管的受热段置于高温烟道内，高温烟气横掠热管受热段，热管元件的放热段因插在汽—水系统内，则使该系统的受热及循环完全与热源分离而独立存在于高温烟道之外，不受高温烟气的直接冲刷。高温烟气的热量由热管传给水套管内的饱和水使其汽化，所产生的蒸汽经蒸汽上升管到达汽包，经过汽水分离后再经主汽阀输出。这样，热管不断将热量输入水套管，通过外部汽—水管道的上升及下降完成基本的汽—水循环，达到将高温烟气降温并转化为蒸汽的目的。
（2）蒸发器的空间布置
蒸发器在空间上采取垂直布置，设备安装紧凑，占地面积小，高温烟气自上而下，温度逐渐降低，经过冲击波震动后，灰尘自上而下靠重力即可散落在最下方，容易清理积灰，整个热交换过程温度均匀，交换充分。蒸汽发生器空间布置如图7所示。
（3）蒸发器设备的基本特点
A .采用热管作为传热元件，整个汽—水系统的受热及循环完全与热流体隔离二独立在热流体烟道外，使本系统有别于一般的余热燃烧器定制。
B .设备中热管元件间相互独立，热流体与蒸汽发生区双重隔离互不影响，即使单根或数根热管损坏，也不会影响系统正常运行，同时水、汽也不会因热管的破损而进入热流体。
C .实际时通过调节热管两端的传热面积可有效调节和控制壁温，防止低温酸露点腐蚀。
D .操作简单、维修方便、工作可靠，整个系统的热量输送过程不需要任何外界动力，故障率低，效率高。
（4）热管蒸汽发生器设计参数
热管蒸汽发生器设计参数见表3，设备外形尺寸见表4.
5）冲击波清灰装置
电弧炉冶炼时的烟气量大，灰尘多，带有电荷，易吸附，热管容易堵塞，因此解决在线热管清灰问题是保证余热系统正常运行的关键。现场运行中发现，声波清灰对蒸发器壳体损伤太大，蒸汽清灰也是会造成热管板结堵塞，实践证明两种清灰方式在本系统中均不可行，最终选用冲击波清灰，满足了热管在线清灰的需求，保证了余热系统的安全稳定运行。
6）蓄热器
蒸汽蓄热技术是将间断供汽变为连续、稳定的汽源以利用用户使用。蓄热器是利用高压与低压时饱和水的焓差使水闪蒸，放出蒸汽。初期使用时充入除氧水，当高压蒸汽过量时，蒸汽通过内部充热装置喷人水中，并迅速凝结放热，使蓄热器内水位和压力升高，直至压力与蒸汽压力相等，完成冲热过程。这是蓄热器内的水是高压下的饱和水；当低压蒸汽用量大于燃烧器定制产气量时，与蓄热器汽空间相连的低压管道压力下降，蓄热器中的饱和水成为过热水，将自行沸腾放热，水位下降，产生低压蒸汽供给设备，完成放热过程。
为保证余热回收系统产生稳定流量的蒸汽，该方案配套两台150m3的蓄热器，设计充水系数85%，入口蒸汽压力1.6MPa，出口蒸汽压力1.0MPa。实践证明系统自产蒸汽足以满足生产生活需要。
3系统控制方案（略）
三、结论
1电弧炉余热回收利用系统工程的实施实现了余热回收和环境治理的双赢，是电弧炉炼钢企业节能能源、降低能耗和实现清洁生产的有效途径。
2系统自产蒸汽量平均15t/h左右，折合吨钢产汽量约为200kg/t，能够满足VD正空处理的蒸汽需求。燃油燃烧器定制的停运，每年可减少的燃油消耗费用2256万元，经济效益可观。
3冲击波在线清灰系统成功应用于电弧炉余热系统中，有效的保证了系统的畅通，防止了翅片板结积灰，
4风机变频器技术成功应用于电弧炉余热回收系统之中，通过风机频率与沉降室出口温度的连锁，完成温度自动控制，实现热量回收最大化。
5实践证明，高温烟气余热回收利用技术是集环境保护、余热余能回收利用为一体的新型环保项目，在国内外有很高的推广价值。
内容来源：烟气余热利用
