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)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。