电弧炉烟气余热回收利用系统设计

 

 电弧炉如何节能？电弧炉怎么节能？电弧炉如何除尘？电弧炉余热回收的方式、方法、途径、效果如何？

节能减排是当前社会发展的主题，余热资源的回收利用是节约能源和减少污染的有效途径之一。电弧炉冶炼在我国钢铁企业相当普遍，其生产过程中一方面要消耗大量的能源，另一方面电弧炉冶炼过程中产生的大量热量随烟气排出，既污染了环境，又造成资源的极大浪费。因此如何更好地回收利用这部分废气余热资源，是我们面临的重大技术课题。

某公司二炼钢 90 t电弧炉原烟气除尘系统的内排烟气流程是:烟气从电弧炉出来后进入沉降室，大颗粒烟尘因重力作用沉降后进入水冷烟道进行热交换降温，使烟气温度降到 200 ℃ 左右，进入布袋除尘器除尘，最后由引风机经烟囱排入大气。

电弧炉的高温烟气通过水冷烟道的水冷管壁换热冷却，出来的热水再送回冷却塔冷却循环，其循环水泵电机功率为 400 kW，烟气的余热资源不但没有回收利用，水泵还要消耗大量的电能，造成较大的能源浪费。

2009年 5月，该公司炼铁高炉技改竣工投产，铁水热送代替部分废钢作为电弧炉冶炼的原料。电弧炉冶炼工艺的改变，使烟气温度比以前升高 100 ℃左右，烟气量也比以前增加 30%以上，因此原电弧炉烟气除尘系统已经不能满足环保和节能的要求，电弧炉烟气余热回收利用改造迫在眉睫。在充分论证的基础上，我们认为:只有在内排除尘系统沉降室的出口设计安装余热回收系统 (即余热锅炉 )，代替原水冷烟道，这样才能既充分回收电弧炉烟气的余热资源，又能降低烟气温度，保护袋式除尘器。余热锅炉回收电弧炉烟气余热产生的饱和蒸汽，供二炼钢VD炉抽真空使用。

1　 电弧炉烟气特点

(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，流量最小，含尘量最小。

(2)烟气中粉尘浓度大，粒径小。烟尘含量一般在 8～15 g/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。

(3)电弧炉烟气参数:内排烟气量最大为 250 000m3/h (标态 ) ;内排烟气温度平均在 350～450 ℃，最高可达到 800 ℃。

 

2　 余热回收系统设计方案的选择

2 . 1　 设计原则

余热回收系统的设计是电弧炉烟气除尘改造的关键环节，余热锅炉的设计必须根据电弧炉烟气的特点和场地限制等因素选择余热锅炉的结构布置和换热元件，在充分回收余热的同时，还必须综合考虑工程投资、 安全性、 锅炉受热面的积灰和磨损以及系统阻力等各种因素。

2 . 2　 设计方案比较

为了充分利用余热，结合后部袋式除尘工艺要求，实现预期的环保和节能目标，在设计余热锅炉时，我们设计了两种方案。

(1)水管余热锅炉。采用双锅筒横置式布置，自然循环，受热面采用膜式水冷壁、 对流管和蛇形管式钢管省煤器，依次布置，系统阻力较小。主要受热面是吸收烟气的辐射放热量，对于低温热源 ( 350～450 ℃)，热效率低。另一方面，锅炉结构体积较庞大，占地面积大，耗用钢材多，投资大。由于烟尘浓度大，受热面易受到冲刷磨损从而造成爆管泄漏等故障，影响锅炉和后部布袋除尘器的正常运行。

(2)热管式余热锅炉。运用热管技术，根据电弧炉烟气的特点，烟气最高温度为 800 ℃，由于高温热管造价很高，故采用中、 低温热管作为蒸发器比较经济实用。

热管是一种依靠自身内部工质相变实现传热的高效传热元件。热管是由钢管内灌充导热介质，并抽成一定的真空后密封而成。管内的工质由多种无机活性金属离子及其化合物混合而成，具有超常的热活性和热敏感性，遇热而吸，遇冷而放。这种热超导工质在一定温度下被激活，并以分子震荡和相变形式来传递热量，传导温度没有衰减并能以极快的速度传递 (音速传递 )。热管因其独特结构和相变传热机理，其具有如下许多显著的优点:

① 导热性能强。导热速度快、 强度大、 效率高，传热效率达 98%以上。

② 安全可靠性高。换热的两流体均走管外，不存在管内超压，不怕干烧。因液体工质汽化后，热管的内压不随温度变化而变化，而且热管余热回收器是二次间壁换热，与常规的换热设备一般都是间壁换热不同，即使单根或多根热管损坏，两种介质不互串，运行安全可靠。

③ 等温性好，传热阻力小。即使在很小的温差下，也能传递很大的热量;在烟气温度低，烟气与工质间温差小的情况下不影响传热效果。

④ 环境的适应性强。受环境的限制相对于常规换热设备小，通过适当的热流变换把热管管壁温度调整在低温流体的露点之上，从而可防止露点腐蚀。同时热管在导热时会产生自振动，使灰不易粘附在管壁和翅片上，不易积灰。

⑤ 使用寿命长。使用寿命在 10年以上，单根热管可拆卸更换，维护简单、 成本低。经过反复论证，方案对比，热管式余热锅炉具有明显优势，是烟气余热回收的一种经济、 安全可靠和高效的设备，因此决定采用热管式余热锅炉设计方案。

3　 热管式余热锅炉的设计

3 . 1　 系统组成

(1)余热锅炉主体:包括高压热管蒸发器、 热管省煤器、 低压热管蒸发器。

(2)锅炉给水系统。

(3)蓄热器。

(4)激波吹灰系统。

3 . 2　 设计特点

为了达到最佳的余热回收效果、 降低排烟温度，本余热回收采用双压系统，高压热管蒸发器部分设计最大工作压力为 1 . 8 MPa，低压部分设计最大工作压力为 0 . 4 MPa。高、 低压热管蒸发器采用自然循环，立式布置。两套热管式蒸发器 (换热器 )小系统并联，两套系统同时运行，热管式余热锅炉产生饱和蒸汽外供 VD炉抽真空用，其工艺流程图如图 1。

 

3 . 3　 技术参数

(1)烟气参数

进口最大烟气量 250 000 m3/h (标态 )

进口最高烟气温度 750 ℃

排烟温度 ≤180 ℃

(2)设计参数 (如表 1)

4　 改造效果

自余热锅炉投产后，运行效果良好，其技术参数完全达到了设计的额定值，产生的蒸汽除了供炼钢VD炉抽真空使用外，多余部分的蒸汽输入公司蒸汽总管。一年的产汽量，经过折算可节约标煤 14 660 t，年节省用电量 2 . 693 × 106kW·h，达到了节能减排的目的，取得了较好的经济效益和社会效益。

5　 结论

综上所述，为了达到最佳的余热回收效果，应根据余热资源的特点，选择余热锅炉的技术设计方案，才能实现预期的环保和节能目标。钢铁企业属于耗能型企业，余热资源回收利用潜力较大，通过这次电弧炉烟气余热回收利用改造的探索，为我们在余热资源利用上积累了有效的经验，对企业下一步的节能减排工作具有重要的指导意义。