直流電爐安全運行及煤氣回收并網(wǎng)設(shè)計

任占譽，華志宇，王 斌

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

發(fā)展和運行了近百年，水冷爐壁的發(fā)展使超高功率、采用長弧操作，提高生產(chǎn)力和電效率成為現(xiàn)實。盡管交流電弧爐采用了如水冷爐蓋、壁，導(dǎo)電橫臂，造泡沫渣和底吹攪拌技術(shù)等新技術(shù)，但多方改進的交流超高功率電弧爐仍有3個致命弱點：①電弧不穩(wěn)定，噪聲大，閃爍效應(yīng)使電網(wǎng)受干擾和過度的爐壁燒損；②熱效率不高，電力傳輸損失大；③石墨電極消耗大，相當于電耗費用的30 %。

全密閉直流電弧爐(以下簡稱DC爐)基于自身的特性，能克服上述弊端，20世紀70年代大功率可控硅整流裝置日趨完善，全密閉直流電弧爐重新獲得發(fā)展，越來越多的應(yīng)用于鐵合金行業(yè)、鈦合金行業(yè)，已有取代交流電爐的發(fā)展趨勢。

全密閉DC爐在爐膛內(nèi)為垂直導(dǎo)電方式，爐底為陽極，冶煉時不受電阻率的影響，易于實現(xiàn)高電壓長弧冶煉操作，形成開弧冶電弧爐的萌芽階段是采用直流發(fā)電機組供電，即直流DC爐，但在19世紀末三相交流電弧爐問世，冶煉過程產(chǎn)生大量高溫煤氣，最高煤氣溫度可達1 800 ℃。為保證DC爐安全運行，爐內(nèi)一般為微正壓操作。

因煙氣帶走的熱量，包括煙氣顯熱、煤氣的化學(xué)能，相當于輸入爐內(nèi)電能轉(zhuǎn)化的熱量，因此，充分進行DC爐余熱回收，是電弧爐生產(chǎn)降耗的重要措施之一。如將煤氣顯熱回收，加之煤氣燃燒鍋爐，可實現(xiàn)回收輸入電能的40 %～50 %的能源。

1 直流DC爐微正壓及煤氣回收現(xiàn)狀及難點

1.1 國內(nèi)外已有工藝

我國有色冶煉行業(yè)和鐵合金行業(yè)，2010年前建設(shè)的項目大多使用敞開式或半密閉三相交流電爐進行硅鐵、錳鐵、鈦鐵的冶煉生產(chǎn)。近年，已有部分企業(yè)新建了全密閉交流電爐。2009年，云南由德國DEAKE公司引進1臺30 MVA高鈦渣直流電爐，系目前國內(nèi)唯一1臺應(yīng)用于高鈦渣生產(chǎn)的全密閉直流電爐。至2016年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，國內(nèi)已有1 300余臺交流電爐，全密閉交流電爐已有100余臺。

在我國鋼鐵冶金行業(yè)，鑒于DC爐的優(yōu)勢，目前廢鋼冶煉生產(chǎn)目前已經(jīng)基本全部使用直流DC爐進行冶煉，全面淘汰了三相交流電爐技術(shù)。

無論是全密閉交流電爐還是DC爐，為防止空氣進入爐內(nèi)，爐子的操作均為微正壓操作，壓力+20～+400 Pa。目前大多使用密閉礦熱爐內(nèi)的壓力變送器與荒爐氣加壓風(fēng)機連鎖工藝，根據(jù)爐內(nèi)壓力隨時調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)數(shù)以保證爐內(nèi)微正壓環(huán)境。為保證運行安全，亦有使用電加熱后的氮氣充入電爐氮氣密封系統(tǒng)和煤氣冷卻系統(tǒng)。

鋼鐵企業(yè)一般使用轉(zhuǎn)爐煉鋼配套的空分空壓裝置生產(chǎn)的氮氣，較為經(jīng)濟。

有色冶金企業(yè)大多單獨設(shè)置變壓吸附裝置，生產(chǎn)的氮氣專用于電爐充氮密封和干式除塵設(shè)備反吹使用。

因密閉電爐的生產(chǎn)特性，在加入礦料和還原劑同時，會混入少量空氣，加之煤氣冷凝、除塵過程，均為負壓操作，亦會混入少量空氣。按照實際生產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)看，礦熱爐煤氣氧含量普遍在0.5～3.5之間波動，具有較大的危險性。

廣西的2座12 500 kVA硅錳密閉交流爐進行煤氣回收，未設(shè)置煤氣柜調(diào)壓和安保設(shè)施，煤氣用于燒結(jié)錳礦，已發(fā)生數(shù)次煤氣爆震事故。為確保煤氣管網(wǎng)安全，四川的2臺25 000 KVA硅錳密閉交流爐產(chǎn)生的煤氣(3 000 Nm3/h)分別存儲于2臺10 000 m3的煤氣柜當中，煤氣柜保持在2 000～5 000 m3柜容運行。2006年山西的1臺30 000 kVA錳鐵封閉電爐配置了1臺20 000 m3的干式煤氣柜，同樣，煤氣柜保持在低位運行。

1.2 DC爐微正壓操作煤氣安全回流及煤氣回收并網(wǎng)的難點

DC爐因自身生產(chǎn)特點，煤氣出口溫度高達1 800 ℃，僅在DC爐出渣出鐵時會降低用電負荷，煤氣溫度有所降低。在煤氣冷卻降溫過程，煤氣體積收縮及其容易引起DC爐內(nèi)產(chǎn)生負壓。

目前，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)DC爐普遍使用爐內(nèi)壓力變送器與荒爐氣加壓風(fēng)機連鎖+濕法除塵+氮氣安保工藝，因鋼鐵企業(yè)N2富裕，加之全廠污水體量巨大，環(huán)保問題較為突出。

目前國內(nèi)外的大多有色冶金企業(yè)，在交流電爐上依然使用煤氣濕法除塵，以縮短煙氣冷卻水套長度，使爐內(nèi)壓力變送器與荒爐氣加壓風(fēng)機連鎖工藝可安全運行。

攀鋼25 MVA鈦渣交流電爐、龍佰焦作2×30 MVA鈦渣交流電爐使用了高溫YT膜干法除塵器進行干法收塵，但煤氣降溫幅度僅為400 ℃左右，煤氣體積收縮僅30 %，使用變頻調(diào)速引風(fēng)機+氮氣安?；究梢詽M足安全生產(chǎn)需要。其中，攀鋼電爐為單爐運行，單獨設(shè)置20 000 m3煤氣儲氣柜1臺；龍佰焦作2×30 MVA鈦渣交流電爐未設(shè)置煤氣柜，未進行煤氣并網(wǎng)運行，均單獨向16 t鍋爐供氣。

武定新立公司的30 MVA高鈦渣直流電爐，目前仍然使用了爐內(nèi)壓力變送器與荒爐氣加壓風(fēng)機連鎖+濕法除塵+氮氣安保工藝，擬新建設(shè)的干法收塵設(shè)施仍然在建設(shè)當中。

配套煤氣干法降溫、凈化的DC爐微正壓操作、煤氣回收并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計具有以下難點：

(1)因DC爐煤氣出口溫度達1 800 ℃，需冷卻至450 ℃，方可滿足干法除塵工藝要求，煤氣體積收縮比達到2.87，遠大于交流爐煤氣體積收縮比(1.62)。

交流爐微正壓操作工藝僅需爐內(nèi)壓力與凈煤氣引風(fēng)機連鎖+氮氣安保即可，但對DC爐而言，則必須以煤氣回流為微正壓安保主氣源，輔助以氮氣安保。

(2)因DC爐煤氣體積收縮比極大，需回流充入的煤氣體量亦較大，為保證進入干法除塵器的煤氣溫度不低于370 ℃，故，必須對回流煤氣進行加熱，回流煤氣加熱功率需達600 kW以上，如使用電加熱器，則極為不經(jīng)濟。

(3)因DC爐原料加入期間，和煤氣冷卻系統(tǒng)負壓操作，引起空氣的進入，必須設(shè)置氧含量分析儀，安全放散設(shè)施，系統(tǒng)設(shè)置較為復(fù)雜。

(4)按照交流爐的生產(chǎn)經(jīng)驗進行比對，因DC爐煤氣冷卻系統(tǒng)較交流爐為龐大復(fù)雜，預(yù)計煤氣氧含量超過2 %的運行時間遠較交流爐為多，同時與目前已經(jīng)成熟的煉鋼轉(zhuǎn)爐煤氣回收已有極大的差別，如何安全提高煤氣回收率是設(shè)計的又一難點。

(5)1期2臺DC爐運行，2期3臺DC爐運行，需要有可靠的措施防止煤氣柜及管網(wǎng)的煤氣倒流至風(fēng)機處于低轉(zhuǎn)速運行的DC爐內(nèi)。

(6)為保證DC爐微正壓操作，目前武定電爐安全回流系統(tǒng)使用電加熱氮氣系統(tǒng)進行，成本高、電耗大，且降低了煤氣熱值，氮氣亦占用了煤氣系統(tǒng)運行空間。

(7)DC爐煤氣干法冷卻、凈化回收系統(tǒng)設(shè)計，在國內(nèi)尚屬首次，就DC爐操作系統(tǒng)設(shè)計，多爐運行煤氣并網(wǎng)，在國內(nèi)亦無借鑒。

2 爐內(nèi)微正壓操作煤氣回流系統(tǒng)設(shè)計

DC爐微正壓操作煤氣回流系統(tǒng)、煤氣回收及多爐運行并網(wǎng)工藝較為復(fù)雜，結(jié)合煤氣冷卻、凈化裝置進行設(shè)計。

DC爐內(nèi)在爐蓋和爐壁接合部位，設(shè)置氮氣密封裝置，防止空氣進入，并在爐內(nèi)設(shè)置壓力變送器，與荒煤氣放散調(diào)壓組及凈煤氣引風(fēng)機連鎖。為保證DC爐安全生產(chǎn)，微正壓設(shè)置在+20～+200 Pa。

1 800 ℃的煙氣先行進入高溫水冷煙道的入口段及上升段，到達人字三通段時，溫度降至1 085～1 200 ℃，體積收縮比1.52。

在荒煤氣總管上設(shè)有放散管及荒煤氣放散調(diào)壓閥組，當荒煤氣溫度超過1 875 ℃時(即超過冷卻控制范圍時)，或氧含量>2.0 %時，關(guān)閉重力除塵器進口閥，將荒煤氣放散，放散時通過調(diào)壓閥組控制爐頂壓力，使爐可以維持正常生產(chǎn)(此時，DC爐氮氣密封應(yīng)開至最大，凈煤氣引風(fēng)機降至低轉(zhuǎn)速運行)。

國內(nèi)目前氧含量在線分析儀最高使用溫度達1 200 ℃，故此，在人字三通位置設(shè)置氧含量激光在線分析儀1臺，用于檢測DC爐內(nèi)氧含量。

荒煤氣進入下降管后，以900 ℃的溫度進入重力除塵器，熔融狀的粉塵凝固主要在重力除塵器內(nèi)部，約有30 %的粗粉塵沉降。經(jīng)預(yù)除塵的煤氣以370～500 ℃的溫度進入高溫精細除塵器內(nèi)。此階段體積收縮比2.188。

高溫精細除塵器因結(jié)構(gòu)特點，阻力較大，壓力損失一般在2～4 kPa。當過濾元件進行反噴吹后，阻力較大，瞬間導(dǎo)致精細除塵進口負壓提高，此時不能單純依靠變頻電機調(diào)整風(fēng)機流量及出口壓力，必須輔助以如煤氣回流或氮氣充入措施，避免破壞爐內(nèi)微正壓氛圍。

按照熱場的物理模型和理論計算，由DC爐煙氣出口的微正壓(+20～+200 Pa)，到重力除塵器煤氣出口，形成-2 000～-3 000 Pa的負壓；到高溫精細除塵器出口，形成約-7 000 PA的負壓。煤氣回流或氮氣充入入口宜設(shè)置2處，1處在重力除塵器入口，1處設(shè)置在高溫精細除塵器入口，同時，設(shè)置風(fēng)機進出口回流閥，可有效消除煤氣冷卻、凈化系統(tǒng)運行對DC爐微正壓操作的影響。

期間，因工況的變化、荒煤氣的放散、高溫精細除塵器反噴吹引起系統(tǒng)壓力波動、煤氣引風(fēng)機變頻調(diào)速等因素，極易破壞DC爐內(nèi)微正壓的氛圍，需400～750 Nm3/h氮氣或煤氣充入，來維持爐內(nèi)微正壓的氛圍。

按照相關(guān)鋼鐵廠直流煉鋼電爐、使用干法除塵設(shè)施的鈦渣交流爐的運行經(jīng)驗：

(1)當荒煤氣放散時，爐體氮氣密封充氣閥與放散閥同步開啟至最大開度；爐內(nèi)微正壓下降至+50 Pa時，放散調(diào)壓閥組關(guān)閉10 %。

(2)根據(jù)高鈦渣DC爐煤氣的成分含量計算，DC爐煤氣氧含量達到體積比的6.2 %，即達到爆炸極限的下限，本系統(tǒng)按爆炸極限的下限值得40 %進行放散條件設(shè)置，即煤氣當中的氧含量達到2.48 %即進行緊急放散。

(3)該系統(tǒng)設(shè)置為新型膜式壁水冷煙道，較汽化冷卻煙道具有更高的安全性，故此將荒煤氣放散溫度設(shè)置為1 875 ℃，減少了30 %的荒煤氣放散可能性。

(4)煤氣回流和氮氣充入并列設(shè)置，從運行經(jīng)濟角度出發(fā)，宜在精細除塵器與煤氣一級冷凝器之間設(shè)置煤氣換熱器，使用加熱后的煤氣回流為主，避免提高DC爐電耗。

(5)當系統(tǒng)正常運行時，爐內(nèi)微正壓下降至+50 Pa時，則開啟重力除塵器入口煤氣回流閥(DN150，工作壓力0.05 MPa)，同時開啟風(fēng)機進出口回流閥，直至全開。

(6)當系統(tǒng)正常運行時，爐內(nèi)微正壓持續(xù)下降至+35 Pa時，凈煤氣引風(fēng)機轉(zhuǎn)速下調(diào)1檔，同時，精細除塵器入口煤氣回流閥開啟。

(7)如爐內(nèi)微正壓持續(xù)下降至+20 Pa時，同時，系統(tǒng)備用氮氣回流閥全開。

3 煤氣回收及多爐運行并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 煤氣回收系統(tǒng)

DC爐煤氣回收系統(tǒng)設(shè)計參照鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐煤氣回收設(shè)備進行，其中，三通切換閥技術(shù)、放散燃燒塔均按轉(zhuǎn)爐煤氣回收設(shè)備標準進行。但因轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)吹氧間斷冶煉，間斷產(chǎn)生煤氣，DC爐為連續(xù)生產(chǎn)，煤氣特性指標變化不大，故此，兩者相比，煤氣產(chǎn)生機理不同，凈化、冷卻運行狀態(tài)也不同，故此煤氣回收設(shè)計有較大的差別。

每臺DC爐煤氣回收系統(tǒng)均設(shè)置有氧含量在線分析儀、三通切換閥、設(shè)置在風(fēng)機出口的高溫逆止閥、系統(tǒng)煤氣出口“U”型水封和放散燃燒塔。

煤氣回收并網(wǎng)系統(tǒng)使用PLC自動控制系統(tǒng)。

氧含量分析儀設(shè)置在一級煤氣冷凝器進口，當煤氣中的氧含量>2 %時，設(shè)置在凈煤氣引風(fēng)機出口端的三通切換閥放散側(cè)打開，進行煤氣放散，同時，三通切換閥回收側(cè)關(guān)閉；此時，因回收側(cè)管道內(nèi)內(nèi)失去壓力，煤氣逆止閥靠重力關(guān)閉。當氧含量<2 %時，三通切換閥回收側(cè)打開，進行煤氣回收，同時，三通切換閥放散側(cè)關(guān)閉；此時，煤氣逆止閥的均壓閥打開，煤氣逆止閥兩側(cè)壓力一致，均壓閥閥芯被煤氣頂開，煤氣外送。

三通切換閥可實現(xiàn)2個閥芯同步動作，宜選用氣動執(zhí)行機構(gòu)，三通切換閥每次切換的運轉(zhuǎn)時間需要和煤氣流速相關(guān)聯(lián)，后確定切換閥和氧含量分析儀的距離。此處，煤氣最大發(fā)生量11 000 m3/h，二者之間的煤氣容積24.8 m3，煤氣流動時間約8 s。選用三通切換閥口徑DN500，運行時間7 s。

系統(tǒng)的放散燃燒塔使用三煙道放散燃燒塔，即3臺DC爐各用一個放散燃燒裝置，互不干擾，便于煤氣并網(wǎng)運行。

每臺電爐煤氣回收系統(tǒng)末端設(shè)置“U”型水封1臺，用于將每臺電爐系統(tǒng)與管網(wǎng)安全隔斷，水封高度H=3 000 mm。

3.2 多爐運行并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐大多為2～3臺轉(zhuǎn)爐同期生產(chǎn)，階段性產(chǎn)生煤氣。其生產(chǎn)主要流程為裝料→吹氧冶煉→出鋼3個階段，吹氧冶煉階段產(chǎn)生煤氣，冶煉初期和末期生產(chǎn)的煤氣含氧量超標，大多進行放散，合格煤氣經(jīng)回收站后并入管網(wǎng)，進入煤氣柜。

有色冶金DC爐連續(xù)生產(chǎn)，其煤氣特性具有時間較長的穩(wěn)定性，如煤氣當中的SO2和使用的無煙煤或焦炭相關(guān)聯(lián)，尤其是O2和爐頂裝料裝置的進料方式、煤氣系統(tǒng)的嚴密性相關(guān)聯(lián)，其含量會在較長時間穩(wěn)定在一個數(shù)值。

DC爐煤氣冷卻、除塵系統(tǒng)因爐內(nèi)必須保證微正壓因素，整個系統(tǒng)設(shè)置復(fù)雜、儀表設(shè)施靈敏，極易受到外界因素干擾而影響DC爐安全生產(chǎn)，故在雙爐、三爐或多爐生產(chǎn)當中，煤氣并網(wǎng)不得產(chǎn)生相互干擾，以及不得發(fā)生煤氣柜內(nèi)煤氣回流至DC爐事故。

轉(zhuǎn)爐煤氣并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)置有水封逆止閥，通過水封安全防止外部煤氣倒流回轉(zhuǎn)爐內(nèi)部。但在DC爐干法冷卻回收凈化系統(tǒng)當中，因煤氣的操作溫度、水封逆止閥開啟關(guān)閉的速度與時間，水封閥無法使用，設(shè)置了新型耐高溫煤氣逆止閥，確保DC爐煤氣系統(tǒng)不互相干擾。該閥工作溫度>200 ℃，關(guān)閉時間<3 s。

目前，國內(nèi)并無對煤氣氧含量上限進行明確規(guī)定，《工業(yè)企業(yè)煤氣安全操作規(guī)程》(GB 6222—2005)針對電捕焦油器和電除塵的氧含量進行了明確，當煤氣氧含量達到1 %，必須切斷電源。國內(nèi)較多擁有大型煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)的鋼鐵企業(yè)現(xiàn)基本按煤氣氧含量<2 %進行煤氣的嚴格安全管理，但依然有煤氣爆燃及爆炸事故產(chǎn)生，如2015年廣西某鋼8 m3轉(zhuǎn)爐煤氣柜爆燃事故和2019年云南曲靖某化工廠炭黑煤氣管道爆燃事故。

事實上，煤氣在管道內(nèi)部及其容易形成層流，并且混入煤氣的氧氣均為團狀混合氣體，其體積比已經(jīng)大于爆炸極限，需將其沖擊打散并混均，是防止煤氣管道事故的有力措施之一。

煤氣柜在管網(wǎng)當中，是消化和吸收煤氣管道內(nèi)部爆燃沖擊波的重要設(shè)施，同時也是均衡煤氣管網(wǎng)壓力的有力手段，在DC爐系統(tǒng)當中，可避免DC爐和DC爐煤氣操作壓力變化的影響。

該系統(tǒng)的設(shè)計主要考慮：①在每臺DC爐煤氣并入點前設(shè)置煤氣混均裝置，使煤氣內(nèi)成分較為均勻，尤其是氧氣成分，體積比遠遠小于其爆炸極限；②快關(guān)氣動蝶閥，確保在凈煤氣引風(fēng)機進入低轉(zhuǎn)速運行同時關(guān)閉該蝶閥，避免外部煤氣壓力變化影響DC爐的微正壓操作；③在煤氣管網(wǎng)內(nèi)設(shè)置煤氣儲氣柜，作為煤氣搬峰填谷，調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力，吸納管網(wǎng)煤氣爆燃沖擊波的關(guān)鍵設(shè)備。

4 結(jié) 語

按照國內(nèi)已有直流煉鋼電爐+濕法除塵系統(tǒng)、交流鈦渣電爐+干法除塵系統(tǒng)、煉鋼轉(zhuǎn)爐+濕法除塵系統(tǒng)的實際設(shè)計及運行效果看，該項目綜合了以上設(shè)施的設(shè)計，并根據(jù)高鈦渣DC爐煤氣的特性設(shè)計了DC爐微正壓操作煤氣安全回流系統(tǒng)及煤氣回收并網(wǎng)系統(tǒng)，具有可靠性高、安全性高、運行穩(wěn)定的特點，因采用了煤氣回流，在能耗上低于高鈦渣交流爐的氮氣回流設(shè)計，同時，此技術(shù)可應(yīng)用于硅鐵、高鉻鐵密閉DC爐的冶煉工藝上，具有較高的推廣價值。