電爐一次煙氣冷卻及凈化方式研究及應(yīng)用

舒剛

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北武漢 430223）

0.引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，廢鋼累計(jì)資源逐漸豐富，以廢鋼為主要冶煉材料的電爐煉鋼短流程技術(shù)，以其項(xiàng)目初始投資省、工廠占地面積、能源消耗低、污染物排放源少等特點(diǎn)，在與鐵前原料-高爐煉鐵-轉(zhuǎn)爐煉鋼為主要工藝路線的長(zhǎng)流程比較中，優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯而得到了快速的發(fā)展。電爐冶煉過(guò)程中，爐內(nèi)產(chǎn)生大量的高溫、高含塵量的煙氣，通常被稱為電爐一次煙氣。針對(duì)不同的電爐工藝，需要對(duì)電爐一次煙氣先降溫后再進(jìn)行凈化處理。

1.電爐一次煙氣的特點(diǎn)

電爐煉鋼生產(chǎn)在加料、冶煉、出鋼、出渣過(guò)程中，均會(huì)產(chǎn)生大量的含塵煙氣，電爐冶煉工藝的特殊性，決定了電爐煙氣和粉塵處理與鋼鐵冶煉其他工藝存在差異。電爐一次煙氣通常具有以下特點(diǎn)：

（1）煙氣溫度高。在冶煉過(guò)程中，在電爐爐頂（爐口）排出的煙氣，溫度通常在1100℃～1400℃。對(duì)于普通電爐，進(jìn)入電爐爐內(nèi)排煙管道的煙氣溫度約為800℃～1100℃；對(duì)于帶廢鋼預(yù)熱的豎式電爐，經(jīng)過(guò)廢鋼預(yù)熱后的一次煙氣溫度約為800℃～850℃；對(duì)于水平連續(xù)加料電爐，廢鋼預(yù)熱出口處煙氣溫度650℃～850℃。（2）煙氣含塵量高。電爐煙氣中含塵量的高低與原料特性有較大關(guān)聯(lián)。由于國(guó)內(nèi)電爐廢鋼品質(zhì)通常較差，電爐冶煉強(qiáng)度高，因此國(guó)內(nèi)電爐生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵量很大。據(jù)有關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，電爐冶煉噸鋼產(chǎn)生的粉塵量在20kg～25kg。電爐吹氧時(shí)，一次煙氣含塵量最高，瞬時(shí)最高值可以達(dá)到20g/m3～35g/m3。煙氣含塵濃度高，造成后續(xù)凈化除塵設(shè)備負(fù)荷增加。（3）煙氣濕度大。對(duì)于采用急冷塔設(shè)備對(duì)煙氣進(jìn)行降溫處理的工藝，其一次煙氣的相對(duì)濕度要高于其他方式降溫冷卻工藝的一次煙氣相對(duì)濕度。（4）煙氣及粉塵成分復(fù)雜。普碳鋼電爐煙氣中顆粒物的主要成分是Zn和Fe的氧化物，不銹鋼電爐中還有Cr和Ni的成分，具有較高的回收可用價(jià)值。同時(shí)由于廢鋼中油漆、切割油等成分的存在，煙氣中還含有二惡英等有害成分。根據(jù)有關(guān)實(shí)際測(cè)試分析，電爐一次煙氣中90%的粉塵粒徑小于30μm[1]。（5）比電阻適中。電爐煉鋼產(chǎn)生的粉塵，比電阻約在108-1012Ω·cm[2]，介于中比電阻（通常指比電阻處于104-5×1010Ω·cm范圍）和高比電阻（通常指比電阻不低于5×1010Ω·cm范圍）之間。電爐煙氣比電阻所處的范圍，決定其采用布袋除塵器處理是最為適宜的。

2.電爐一次煙氣量的確定

電爐一次煙氣量的確定，需要根據(jù)電爐公稱容量、冶煉周期、最大降碳速度等因素綜合確定。由于電爐內(nèi)吹氧會(huì)產(chǎn)生一定的CO，在電爐爐門處會(huì)混入空氣，因此還需要校核爐氣中CO含量不能處于爆炸極限范圍內(nèi)。

按照最大降碳速度計(jì)算產(chǎn)生的一氧化碳含量按照下式計(jì)算：

式中：

L1—爐氣中一氧化碳產(chǎn)生量，Nm3/h；

G—電爐的公稱容量，kg；

VC—最大降碳速度，一般取值0.045%/分～0.065%/分；

CO%—爐氣中一氧化碳的體積百分?jǐn)?shù)；

CO2%—爐氣中二氧化碳的體積百分?jǐn)?shù)。

爐門等處的混風(fēng)煙氣量V2，應(yīng)根據(jù)爐門進(jìn)風(fēng)面積、進(jìn)風(fēng)速度等確定：

式中：

L2—爐門等處的混風(fēng)煙氣量，Nm3/h；

F—爐門等處的進(jìn)風(fēng)面積，㎡；

V0—爐門等處的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速，一般取1.5m/s～3m/s；

t0—爐門等處進(jìn)風(fēng)溫度，可取40℃～50℃。

根據(jù)V1和V2可以確定理論一氧化碳燃燒系數(shù)α，進(jìn)而計(jì)算進(jìn)入電爐內(nèi)部實(shí)際消耗的氧氣量L3：

式中：

L3—電爐內(nèi)部實(shí)際消耗的氧氣量，Nm3/h；

α—一氧化碳燃燒系數(shù)。

根據(jù)計(jì)算所得L1、L2、L3，可以計(jì)算爐內(nèi)排煙量L：

式中：

L—電爐爐內(nèi)排煙量，Nm3/h。

為了保證爐內(nèi)一氧化碳完全燃燒，需按照燃燒系數(shù)α≥1.5計(jì)算爐內(nèi)安全排煙量L'：

式中：

L'—爐內(nèi)安全排煙量。

在保證安全的前提下，可通過(guò)比較L和L'，取其中較大值，來(lái)確定電爐一次煙氣量。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)引進(jìn)的帶廢鋼預(yù)熱的電爐比較多，按照廢鋼預(yù)熱的方式，又可以分為豎爐和水平預(yù)熱電爐。考慮到煙氣在預(yù)熱過(guò)程中，存在漏風(fēng)導(dǎo)致冷風(fēng)滲入的情況，加之預(yù)熱段之后通常會(huì)帶有沉降室，電爐一次煙氣量在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮一定的富余系數(shù)。根據(jù)國(guó)內(nèi)典型電爐運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)，帶廢鋼預(yù)熱段的電爐，其噸鋼一次煙氣量通常在1250Nm3/h.t～1800Nm3/h.t。豎爐的一次煙氣量要小于水平預(yù)熱電爐的一次煙氣量，其主要原因是水平加料的漏風(fēng)率要高于豎爐。

3.電爐一次煙氣冷卻方式

電爐一次煙氣冷卻方式有直接冷卻和間接冷卻兩種方式。直接冷卻方式包含混風(fēng)冷卻、急冷塔冷卻；間接冷卻方式包含水冷套管冷卻、水冷密排管冷卻、自然冷卻器冷卻、機(jī)力冷卻器冷卻、余熱鍋爐冷卻等。混風(fēng)冷卻、水冷套管冷卻、自然冷卻器冷卻，由于其冷卻效率低，能量消耗大、設(shè)備體積龐大等缺點(diǎn)，在新建項(xiàng)目中，已經(jīng)較少應(yīng)用。受到車間工藝布置、能源介質(zhì)條件等因素的影響，實(shí)際工程中往往通過(guò)直接冷卻和間接冷卻相結(jié)合的方式來(lái)冷卻電爐一次煙氣。

3.1 常用的電爐一次煙氣冷卻方式

（1）急冷塔冷卻方式。通過(guò)向煙氣中噴入工業(yè)凈化水，通過(guò)水的蒸發(fā)相變，吸收煙氣中的熱量，達(dá)到降低煙氣溫度的中作用。為了達(dá)到快速降溫的要求，通常設(shè)置雙介質(zhì)噴嘴，通過(guò)壓縮空氣和水混合后噴入塔體內(nèi)，形成霧化效果，減小水的粒徑，增強(qiáng)換熱效果。其進(jìn)水壓力和壓縮空氣的壓力值應(yīng)相當(dāng)，范圍均處于0.6MPa～0.8MPa區(qū)間時(shí)，霧化效果最好。急冷塔的高度應(yīng)根據(jù)急冷塔噴入的水滴有液態(tài)完全相變?yōu)闅鈶B(tài)的時(shí)間來(lái)確定，通常急冷塔內(nèi)煙氣停留時(shí)間在3s～5s，其煙氣平均流速通常控制在4m/s～6m/s。急冷塔為空塔結(jié)構(gòu)，設(shè)備運(yùn)行阻力低，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的影響小。單一通過(guò)急冷塔冷卻的一次煙氣降溫流程如圖1所示。

圖1 單一通過(guò)急冷塔冷卻的一次煙氣降溫流程圖

急冷塔的噴水量應(yīng)按照以下公式計(jì)算：

式中：

W—急冷塔的蒸發(fā)水量；

Q—煙氣熱量損失量；

r—水的氣化潛熱；

tw—水的進(jìn)水溫度；

tg0—煙氣出口溫度。

單一布置的急冷塔，其噴水量應(yīng)根據(jù)煙氣流量、入口溫度、出口溫度等參數(shù)動(dòng)態(tài)控制，保證煙氣出口處煙氣溫度高于煙氣露點(diǎn)溫度30℃～50℃，防止煙氣在后續(xù)處理過(guò)程中出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。實(shí)際工程應(yīng)用表明，在供水壓力處于0.6MPa時(shí)，1臺(tái)公稱容量為110t的廢鋼預(yù)熱電爐，急冷塔最大噴水量約為42t/h。通過(guò)急冷塔后的一次煙氣，其相對(duì)濕度會(huì)上升，通常情況下，急冷塔出口煙氣的相對(duì)濕度可以達(dá)到20%～35%。

（2）水冷密排管+急冷塔冷卻方式。單一布置急冷塔，由于其入口煙氣溫度較高，高溫?zé)煔馍l(fā)的熱量大，需要噴入大量的冷卻水來(lái)實(shí)現(xiàn)煙氣降溫的目的。在急冷塔前布置一段水冷密排管，對(duì)煙氣進(jìn)行初冷卻，可以降低進(jìn)入急冷塔的煙氣溫度，降低急冷塔的噴水量，在減少新水消耗的同時(shí)，可以降低煙氣的含濕量，減小后續(xù)處理過(guò)程中煙氣冷凝的風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。水冷密排管+急冷塔冷卻方式流程見圖2。

圖2 水冷密排管+急冷塔冷卻方式流程圖

水冷密排管內(nèi)入口煙氣溫度800℃～1000℃，出口溫度在450℃～600℃，其循環(huán)冷卻水溫度差通常在15℃左右。煙道內(nèi)煙氣流速通常在20m/s～30m/s，水管內(nèi)的水流速一般控制在1.2m/s～2.0m/s。通過(guò)水冷密排管冷卻后，可以帶走煙氣內(nèi)25%～30%的熱量，可以減少急冷塔的冷卻水量，降低煙氣的相對(duì)濕度。在供水壓力處于0.6MPa時(shí)，1臺(tái)公稱容量為110t的廢鋼預(yù)熱電爐，經(jīng)過(guò)水冷密排管初冷卻后急冷塔最大噴水量約為30t/h。

（3）水冷密排管+機(jī)力冷卻器冷卻方式。機(jī)力冷卻器通過(guò)冷卻風(fēng)機(jī)，讓空氣和高溫?zé)煔庠趽Q熱管內(nèi)外側(cè)進(jìn)行換熱。電爐爐口處煙氣經(jīng)過(guò)水冷滑套、沉降室、水冷密排管降溫后，通過(guò)機(jī)力冷卻器再冷卻至200℃～250℃，達(dá)到可以后續(xù)處理的溫度要求。由于電爐煙氣的流量、溫度等均有一定的波動(dòng)性能，機(jī)力冷卻器的冷卻風(fēng)機(jī)可采用變頻調(diào)速、自動(dòng)調(diào)節(jié)擋板開度等方式。機(jī)力冷卻器可以減少冷卻水的耗量，但機(jī)力冷卻器冷卻效率低，煙氣冷卻時(shí)間較長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)煙氣的快速冷卻。水冷密排管+機(jī)力冷卻器冷卻方式流程圖見圖3。

圖3 水冷密排管+機(jī)力冷卻器冷卻方式流程圖

（4）余熱鍋爐冷卻方式。為回收電爐一次煙氣中的高品位熱能，近年來(lái)，余熱鍋爐系統(tǒng)在電爐一次煙氣冷卻中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。余熱鍋爐系統(tǒng)由鍋爐系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、輸灰系統(tǒng)等組成。電爐一次煙氣經(jīng)過(guò)燃燒沉降室后進(jìn)入余熱鍋爐降溫，同時(shí)大顆粒粉塵在余熱鍋爐內(nèi)部沉降下來(lái)，通過(guò)輸灰設(shè)施運(yùn)走。

電爐一次煙氣用余熱鍋爐應(yīng)就近布置在沉降室附近，以減少煙氣熱量損失。當(dāng)余熱鍋爐系統(tǒng)與沉降室距離較遠(yuǎn)時(shí)，兩者之間的連接管道應(yīng)選擇絕熱煙道。部分鋼鐵企業(yè)將沉降室進(jìn)出口的管道也改造成汽化冷卻煙道，可以進(jìn)一步提高余熱鍋爐的蒸汽產(chǎn)生量。通過(guò)余熱鍋爐回收電爐一次煙氣中的熱量，當(dāng)余熱鍋爐入口煙氣溫度穩(wěn)定在950℃～1000℃區(qū)間時(shí)，噸鋼可回收蒸汽量約105kg/t～140kg/t，回收的蒸汽可以用于發(fā)電，也可以用于VD爐、RH等后續(xù)處理工藝，能產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益。余熱鍋爐由于結(jié)構(gòu)的限制，煙氣側(cè)設(shè)備阻力通常在800Pa～1200Pa。余熱鍋爐冷卻速度低于急冷塔，如需提高余熱鍋爐的冷卻速度，達(dá)到煙氣快速冷卻的目的，需要較大的換熱面積。余熱鍋爐冷卻方式流程圖見圖4。

圖4 余熱鍋爐冷卻方式流程圖

3.2 電爐一次煙氣冷卻對(duì)二惡英消除的作用

廢鋼預(yù)熱可以通過(guò)預(yù)熱廢鋼回收一次煙氣中的熱能，能夠有效降低電爐生產(chǎn)中的能耗，因而得到快速發(fā)展，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)新建電爐的主要形式。廢鋼預(yù)熱過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致電爐一次煙氣中二惡英的濃度較之不帶廢鋼預(yù)熱的電爐一次煙氣明顯增高。二惡英具有較強(qiáng)的毒性，對(duì)人體健康構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，國(guó)際癌癥研究中心已將其列為人一級(jí)致癌物[3]。根據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)資料，50t電爐二惡英的總排放因子為1.923μg-I-TEQ，100t電爐二惡英排放因子達(dá)到每噸鋼 10.096μg-I-TEQ[4]。

研究表明，二惡英的生成機(jī)理主要有3種方式[5-7]，經(jīng)由前驅(qū)體化合反應(yīng)生成、“從源頭合成”、苯環(huán)結(jié)構(gòu)高分子化合物熱分解。

（1）經(jīng)由前驅(qū)體化學(xué)反應(yīng)生成。電爐原料中含有塑料、油漆、油脂類物質(zhì)，這類物質(zhì)在通電冶煉，吹氧等過(guò)程中，會(huì)生成各種含氯苯系物質(zhì)，形成“前驅(qū)體”條件?！扒膀?qū)體”通過(guò)一系列的化學(xué)反應(yīng)可以重排生成二惡英。同時(shí)廢鋼中包含的Fe、Ni、Cu等元素，會(huì)形成催化劑，對(duì)煙氣中二惡英的生產(chǎn)，起到催化促進(jìn)作用。

（2）“從源頭合成”。電爐煉鋼過(guò)程中，電爐煙氣經(jīng)過(guò)電爐爐口、預(yù)熱段（針對(duì)帶廢鋼預(yù)熱功能的電爐）、燃燒沉降室等處理，煙氣溫度會(huì)達(dá)到或者超過(guò)850℃，在此溫度條件下，煙氣中的二惡英會(huì)完成熱分解而得到消除。在后續(xù)的煙氣冷卻過(guò)程中C、H、O、CL等元素在200℃～250℃區(qū)間會(huì)重新合成，其主要合成機(jī)理如：1）Deacon反應(yīng)2HCL+1/2O2→H2O+Cl2，此反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氯氣。2）煙氣中芳香環(huán)與生成的Cl2發(fā)生取代反應(yīng)。3）單環(huán)結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)Fe、Cu、Ni等催化反應(yīng)，生產(chǎn)雙環(huán)結(jié)構(gòu)。

（3）煙氣中的高分子化合物（主要是含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物），在加熱過(guò)程中分解產(chǎn)生二惡英。在電爐冶煉過(guò)程中，廢鋼預(yù)熱過(guò)程中，二惡英生成的主要機(jī)理是苯環(huán)結(jié)構(gòu)高分子化合物熱分解。經(jīng)過(guò)燃燒室噴吹煤氣或者天然氣燃燒后，煙氣溫度會(huì)達(dá)到850℃～1100℃，此時(shí)煙氣中二惡英會(huì)分解消除。燃燒沉降室后的煙氣在降溫冷卻過(guò)程中，溫度處于200℃～250℃區(qū)間時(shí)，“從源頭合成”占主要作用，二惡英又會(huì)重新合成。

隨著對(duì)排放要求的提高，電爐煙氣中二惡英處理需要得到有效治理，尤其是對(duì)于廢鋼預(yù)熱電爐中含二惡英的一次煙氣，選擇冷卻方式，必須滿足消除二惡英的要求。為滿足消除二惡英的要求，必須使煙氣在1s～2s的時(shí)間內(nèi)迅速降溫到250℃以下，最大限度的減少“從源頭合成”。當(dāng)煙氣溫度急冷到較低溫度時(shí)，二惡英濃度可顯著降低，預(yù)計(jì)可以減排80%～90%[8]。

4.電爐一次煙氣凈化方式

經(jīng)過(guò)冷卻后的電爐一次煙氣，需要通過(guò)后續(xù)除塵設(shè)施凈化處理，根據(jù)電爐煙氣的粉塵特性，通常采用脈沖布袋除塵器。按照最新鋼鐵行業(yè)超低排放的要求，除塵器出口煙囪處顆粒物排放濃度＜10mg/m3。

4.1 電爐一次煙氣單獨(dú)凈化處理

電爐一次煙氣經(jīng)過(guò)冷卻后，其溫度通常在200℃～250℃，在不混風(fēng)的前提下，進(jìn)入布袋除塵器，需要把采用耐高溫濾料，濾料耐溫不低于250℃。由于一次煙氣粉塵濃度高，布袋除塵器的過(guò)濾風(fēng)速，通常應(yīng)小于其他除塵系統(tǒng)。一次煙氣單獨(dú)設(shè)置除塵設(shè)施時(shí)，可以采用活性炭吸附的方法，提高二惡英的凈化效率。在布袋除塵器之前的管道上或者在煙囪之前設(shè)置活性炭吸收塔，二惡英的凈化率在60% 左右[9]。

采用余熱鍋爐或者機(jī)力冷卻器對(duì)電爐一次煙氣進(jìn)行降溫處理的除塵系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)設(shè)備選型時(shí)，要考慮余熱鍋爐或者機(jī)力冷卻器的阻力。采用急冷塔電爐一次煙氣進(jìn)行降溫處理的除塵系統(tǒng)，應(yīng)考慮煙氣含濕量對(duì)布袋的影響，選用符合工況要求的濾袋，同時(shí)在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，對(duì)除塵器進(jìn)行保溫，防止煙氣冷凝造成濾袋堵塞失效。除塵器入口設(shè)置與煙氣溫度連鎖的緊急混風(fēng)閥，入口煙氣溫度超標(biāo)時(shí)，混風(fēng)閥開啟，混入冷風(fēng)。

根據(jù)《排污許可證申請(qǐng)與核發(fā)技術(shù)規(guī)范-鋼鐵工業(yè)》（HJ846-2017）對(duì)于鋼鐵工業(yè)排污單位主要排放口基準(zhǔn)排氣量的要求，電爐煙氣單位產(chǎn)品基準(zhǔn)排氣量要求為1120Nm3/t.粗鋼，國(guó)內(nèi)部分區(qū)域按照此標(biāo)準(zhǔn)核發(fā)排污許可。由于電爐二次煙氣（密閉罩和屋頂排煙罩等處的煙氣）排氣量遠(yuǎn)大于此基準(zhǔn)定額，因此也要設(shè)置獨(dú)立的一次煙氣凈化除塵系統(tǒng)。

4.2 電爐一次煙氣與電爐二次煙氣混風(fēng)后凈化處理

電爐一次煙氣冷卻后，通過(guò)與電爐二次煙氣混風(fēng)，可以降低除塵器的入口溫度和入口粉塵濃度，降低布袋除塵器的負(fù)荷，采用混風(fēng)方式的布袋除塵器，其過(guò)濾面積通?？梢愿哂谝淮纬龎m單獨(dú)設(shè)置的布袋除塵器。電爐一次煙氣與二次煙氣混合，造成了對(duì)一次煙氣中二惡英的稀釋作用，不利于對(duì)二惡英排放濃度的檢測(cè)和監(jiān)管。由于余熱鍋爐和機(jī)力冷卻器設(shè)備阻力較大，當(dāng)采用混風(fēng)凈化處理時(shí)，應(yīng)設(shè)置增壓風(fēng)機(jī)。

4.3 電爐一次煙氣凈化輸灰

電爐粉塵具有較強(qiáng)的粘性，輸灰設(shè)施通常應(yīng)選用機(jī)械輸送設(shè)備，如刮板輸送機(jī)、斗式提升機(jī)等，不宜采用氣力輸灰。

5.結(jié)論

（1）電爐一次煙氣冷卻方式，應(yīng)根據(jù)具體工藝情況進(jìn)行針對(duì)性的選擇。（2）電爐一次煙氣采用急冷塔冷卻方式，或者水冷密排管+急冷塔的冷卻方式，煙氣冷卻效率高，設(shè)備占地面積小，運(yùn)行阻力低，同時(shí)有利于降低煙氣中二惡英的濃度。（3）電爐一次煙氣采用余熱鍋爐冷卻方式，可以回收煙氣中的熱能。余熱鍋爐設(shè)備運(yùn)行阻力大，會(huì)增大系統(tǒng)運(yùn)行能耗，余熱鍋爐需要較大的換熱面積，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣的急冷，起到抑制二惡英生成的作用。（4）電爐一次煙氣采用水冷密排管+機(jī)力冷卻器的冷卻方式，不能實(shí)現(xiàn)煙氣的快速冷卻，不適用于帶廢鋼預(yù)熱的電爐。（5）電爐一次煙氣凈化系統(tǒng)適宜采用脈沖布袋除塵器，除塵系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先考慮單獨(dú)設(shè)置。除塵設(shè)備選型時(shí)應(yīng)考慮煙氣溫度、煙氣濕度的影響。