電弧爐煙氣余熱回收凈化系統(tǒng)的設(shè)計與施工

電弧爐煙氣余熱回收凈化系統(tǒng)的設(shè)計與施工

21世紀后，由于缺乏鐵資源的限制，中國的電拱爐開始廣泛使用鐵水熱安裝技術(shù)，這是中國在一定條件下使用資源的資源利用。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，特別是避免了社會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1400℃，隨煙氣顯熱帶走的熱量占總投入熱量的13%～20%1，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。150電弧爐的特性1.1弧形截面磚的工藝參數(shù)50t電弧爐的主要工藝技術(shù)參數(shù)見表1。1.2煙氣溫度、流量、含塵量變化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，流量最小，含塵量最小。1.2.2微細塵1.2mm電弧爐在冶煉過程中，排放出的煙氣中粉塵濃度大、粒徑小，屬于微細塵。煙塵含量一般在8～15g/m3（標(biāo)態(tài)），最大達到30g/m3（標(biāo)態(tài)）；煙塵粒度小，粒徑分布在0～30m范圍內(nèi)，吸附力大。電爐煙塵化學(xué)成分見表22。1.3高溫?zé)煔鈱嵤崃?0t電弧爐在配加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%，冶煉強度增加，單位時間內(nèi)高溫?zé)煔鈳ё叩臒崃吭黾印崿F(xiàn)電弧爐余熱的回收利用，對節(jié)能降耗和清潔生產(chǎn)具有重要的意義。1.4余熱回收裝置的選擇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電爐和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)量有不利的影響，同時在廢鋼預(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50t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)煔庠龠M入單獨的一套除塵器進行凈化，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。2設(shè)計氣體殘渣回收系統(tǒng)2.1余熱鍋爐余熱回收利用熱直接燃燒co余熱回收系統(tǒng)工藝流程如圖3所示。電弧爐產(chǎn)生的1200℃左右高溫?zé)煔猓?jīng)爐蓋第四孔進入移動煙道，再進入燃燒沉降室，CO等可燃物進一步燃燒，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)，再經(jīng)高溫?zé)煹肋M入熱管式余熱鍋爐進行熱量回收，熱交換后的煙氣溫度降到160℃左右進入除塵器凈化，熱管鍋爐生產(chǎn)的飽和蒸汽蓄積在蓄熱器之中，供生產(chǎn)和生活使用。2.2活動煙道設(shè)計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)計為活動煙道，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。2.2.2co沉降過程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時間沉降，避免大顆粒煙塵進入后部設(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聯(lián)接處混入的空氣中得到。沉降過程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3。為保證煙氣中大顆粒粉塵的沉降效果，沉降室煙氣的進、出口均設(shè)置在頂部。沉降室外形輪廓如圖5所示。2.2.3熱管式余熱鍋爐設(shè)計高溫管道是指連接沉降室與一級蒸發(fā)器之間的管路，為避免熱量損失，從沉降室出口至余熱鍋爐入口管道均采用內(nèi)保溫形式，內(nèi)保溫分為兩層，分別為耐磨層和隔熱層。為適應(yīng)電弧爐煉鋼煙氣的特點，要求余熱鍋爐必須具有啟動速度快、負荷適應(yīng)能力強、連續(xù)無故障運行時間長、單向傳熱強度大等特點，故本設(shè)計選用熱管式余熱鍋爐。熱管蒸發(fā)器由若干根熱管元件組成，工作原理如圖6所示。熱管的受熱段置于熱流體風(fēng)道內(nèi)，熱風(fēng)橫掠熱管受熱段，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立存在于熱流體的風(fēng)道之外，不受熱流體的直接沖刷。熱流體的熱量由熱管傳給水套管內(nèi)的飽和水使其汽化，所產(chǎn)蒸汽經(jīng)蒸汽上升管到達汽包，經(jīng)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)，達到將熱爐氣降溫并轉(zhuǎn)化為蒸汽的目的。2.2.4.煙氣下灰壓蒸發(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?，溫度逐級降低，?jīng)過沖擊波振動后，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。蒸發(fā)器的空間布置如圖7所示。2.2.4.余熱鍋爐介紹1）采用熱管作為傳熱元件，整個汽水系統(tǒng)的受熱及循環(huán)完全與熱流體隔離而獨立存在于熱流體煙道以外，使本系統(tǒng)有別于一般余熱鍋爐。2）設(shè)備中熱管元件間相互獨立，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)正常運行，同時水、汽也不會因熱管的破損而進入熱流體。3）設(shè)計時通過調(diào)節(jié)熱管兩端的傳熱面積可有效調(diào)節(jié)和控制壁溫，防止低溫酸露點腐蝕。4）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任何外界動力，故障率低，效率高。2.2.4.在線熱管清灰熱管蒸發(fā)器設(shè)計參數(shù)見表3，設(shè)備外形尺寸見表4。高鐵水比時的電弧爐冶煉煙氣量大，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)正常運行的關(guān)鍵?，F(xiàn)場運行中發(fā)現(xiàn)，聲波清灰對蒸發(fā)器殼體損傷太大，蒸汽清灰造成熱管板結(jié)堵塞，實踐證明兩種清灰方式在本系統(tǒng)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)定運行。2.2.6壓力+壓力放熱蒸汽蓄熱技術(shù)是將間斷供汽變?yōu)檫B續(xù)、穩(wěn)定的汽源以利于用戶使用。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)部充熱裝置噴入水中，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，完成充熱過程。這時蓄熱器內(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)汽量時，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)計充水系數(shù)85%，入口蒸汽壓力1.6MPa，出口蒸汽壓力1.0MPa。實踐證明系統(tǒng)自產(chǎn)蒸汽足以滿足生產(chǎn)生活需要，圖8是2011年10月31日蓄熱器供VD爐生產(chǎn)的總管流量曲線圖。2.3上位機兩個在控制室設(shè)有電弧爐余熱PLC一臺，上位機兩臺；除塵器PLC一臺，上位機一臺，完成系統(tǒng)所有參數(shù)的檢測、控制、顯示及報警功能，并實現(xiàn)人機對話功能。2.3.1出口溫度沉降室完成大顆粒沉降的同時，要將出口煙氣溫度控制在800℃以下，否則會對蒸發(fā)器造成損害。該溫度主要是通過燃燒沉降室上的混風(fēng)閥來調(diào)節(jié)。出口溫度與燃燒室沉降室的混風(fēng)閥連鎖，當(dāng)出口溫度高于800℃時啟動混風(fēng)調(diào)節(jié)閥。沉降室進口有溫度、壓力檢測，出口有流量、壓力和溫度檢測。2.3.2等體積流速法熱管鍋爐內(nèi)流體的速度是一個重要的設(shè)計參數(shù)，它影響換熱設(shè)備的的傳熱、流動阻力、磨損及自清灰能力等。解決該問題通常采用變截面設(shè)計法，以等體積流速法代替等質(zhì)量流速法。變截面換熱設(shè)備能保證其進出口具有相同的自清灰能力，一般認為換熱設(shè)備內(nèi)實際流體流速達到8m/s便可起到自清灰的作用4，設(shè)計時最大可取12～15m/s。2.3.3增設(shè)dn500混風(fēng)閥高溫?zé)煔鈺p害除塵濾料，必須保證除塵器的入口溫度要低于160℃，在除塵管道上增設(shè)DN500混風(fēng)閥。出口溫度若高于160℃，則啟動混風(fēng)閥混入冷風(fēng)，降低煙氣溫度。經(jīng)冷卻后的低溫?zé)煔?，進入布袋除塵器得以凈化。除塵器進出風(fēng)口均設(shè)置壓力、溫度檢測。2.3.4風(fēng)機頻率減緩實施風(fēng)機頻率值與沉降室出口溫度連鎖。根據(jù)電爐送電、吹氧時段，當(dāng)沉降室出口溫度開始上升時，風(fēng)機頻率緩慢增加；沉降室出口溫度開始下降時，風(fēng)機頻率緩慢減少。把高壓風(fēng)機頻率的變化與沉降室出口溫度進行連鎖，實現(xiàn)了溫度自動控制，解決了電弧爐煙氣量及煙氣溫度波動大的難題，有效減少了電弧爐在各個冶煉階段混入的冷風(fēng)量，減少熱量散失，滿足了熱量回收的最大化要求。3經(jīng)濟效益分析(1)50t電弧爐余熱回收利用`系?統(tǒng)工H程的實施實現(xiàn)了余熱回收和環(huán)境治理的雙贏，是電€弧?爐煉?H鋼H企業(yè)節(jié)約能源、降低能耗和實現(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真空處理的蒸汽需求。燃油鍋爐的停運，每年可減少的燃油消耗費用2256萬元，經(jīng)濟效益可觀。(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。該技術(shù)已經(jīng)成為電弧爐