電弧反應(yīng)產(chǎn)生煙塵中余熱利用之節(jié)能環(huán)保電弧爐的探討

周章懷 李慶元 卿曉斌 劉繼旺 蔡中開 楊海云 王文強

（瑞泰科技股份有限公司湘潭分公司 湘潭 411228）

0 引言

電弧爐是一種通過金屬、非金屬產(chǎn)生電弧過程中產(chǎn)生的高溫來對礦石或金屬等物質(zhì)進行熔煉的工業(yè)爐，具有體積小、操作簡單、靈活性大、溫度受控、性能較強等諸多優(yōu)點，起初僅用于冶煉合金鋼，現(xiàn)已在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

生產(chǎn)電熔耐火材料使用的原料屬于難熔物料（熔化溫度2000～2800 ℃）［1］，電弧在電極和熔融物料之間放電，直接加熱物料?，F(xiàn)有技術(shù)中的耐火材料在電弧爐中冶煉，通過在電弧爐中加入原料進行電極通電以實現(xiàn)一系列反應(yīng)，由于爐中冶煉的溫度較高，弧區(qū)溫度有時達3000℃以上，爐內(nèi)會產(chǎn)生大量含有灰塵的煙氣，該煙氣會從電極與電極孔之間的間隙飄出，進而飄 至 設(shè) 備 現(xiàn) 場 的 空 氣 中 。專 利ZL201721239490.6［2］公開了一種便于抽塵筒轉(zhuǎn)動的環(huán)保電弧爐，采用設(shè)置抽塵裝置的方式對電弧爐進行除塵，但是在實際生產(chǎn)中考慮到該抽出的煙氣含有大量的熱量，沒有得到有效的再利用，而且耐火材料（如氧化鋁、鋯英砂、純堿的混合粉料造粒）在電弧爐中處理之前也需要再進行預熱烘干處理，本文針對現(xiàn)有的電弧爐進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以實現(xiàn)節(jié)能降耗。

鋼鐵行業(yè)利用電爐煉鋼煙氣中的物理熱和化學熱，進行廢鋼預熱［3］。生產(chǎn)電熔耐火材料使用的電弧爐可參考冶金鋼鐵爐數(shù)據(jù)，考慮能量單耗時，首先有必要分析其輸出熱量。輸出熱量除了有效的熔融耐火材料液的焓和其精煉所必要的焓之外，作為熱損失部分有排除氣體的熱損失，水冷壁、爐蓋方面的熱損失以及電氣、其他熱損失［4］。根據(jù)煉鋼爐有關(guān)報道，降低能耗單耗重要的是減少整個輸出熱量，因此首先要減少約43%的熱損失，其中排出氣體熱損失23.6%，水冷壁、爐蓋的熱損失8.6%，電氣、其他熱損失3.6%［4］。

鑒于此，電弧反應(yīng)產(chǎn)生煙塵氣中余熱復用勢在必行。

1 技術(shù)方案

余熱利用節(jié)能環(huán)保電弧爐結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)方案主視圖如圖1所示。

圖2 A處局部結(jié)構(gòu)放大示意圖

圖3 爐蓋結(jié)構(gòu)俯視圖

圖4 翅片與內(nèi)環(huán)體立體結(jié)構(gòu)示意圖

爐體內(nèi)部中空，底部具有熔池，頂部具有爐蓋（為水冷式）；爐蓋上圍繞中心設(shè)置有若干個電極孔和加料孔；還包括設(shè)置于爐蓋上的煙罩和螺旋翅片旋轉(zhuǎn)體；其中，煙罩包括：煙罩內(nèi)環(huán)體、煙罩外環(huán)體和煙罩頂蓋，煙罩內(nèi)環(huán)體圍繞電極孔設(shè)置，且煙罩內(nèi)環(huán)體上端開口，下端與爐蓋抵接，煙罩內(nèi)環(huán)體內(nèi)壁上還設(shè)有進煙孔；煙罩內(nèi)環(huán)體與煙罩外環(huán)體上端通過煙罩頂蓋相接，煙罩頂蓋上一側(cè)設(shè)有抽煙管，另一側(cè)設(shè)有進料口。

該電弧爐在具體工作過程中，電極向下伸入至熔池料中，該料為需要加熱反應(yīng)的耐火顆粒料，如工業(yè)氧化鋁、鋯英砂、純堿的混合粉料，可預制成顆粒，通過放電熔解，發(fā)生復雜的物理化學反應(yīng)，產(chǎn)生大量的煙塵氣，一部分從電極與電極孔之間的間隙中溢出，此時，一部分煙塵氣在抽煙管作用下通過進煙孔、過煙孔進入螺旋翅片之間，并向上排出至下一步處理；另一部分煙塵氣也可以經(jīng)過加料孔后向上移動排出。

當需要加新料時，混合粉料顆粒通過進料口落至螺旋翅片上，并沿螺旋向下的方向移動并攤開，在高溫煙塵氣的作用下被快速預熱，最終經(jīng)過料通道、加料孔落至熔池中發(fā)生反應(yīng)，大幅提高了能量回收利用率，而且加料過程產(chǎn)生的粉塵也會被抽出處理，不至于現(xiàn)場產(chǎn)生大量的粉塵；其中，旋轉(zhuǎn)底板可以在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動下，繞軸線轉(zhuǎn)動，便于進料口處的粉料均衡落至各螺旋翅片之間的螺旋道里。

旋轉(zhuǎn)底板與煙罩外環(huán)體的旋轉(zhuǎn)連接處設(shè)有第一旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地，旋轉(zhuǎn)底板與爐蓋（可以為水冷爐蓋）的旋轉(zhuǎn)連接處設(shè)有第二旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)，兩處形成動密封，保證螺旋翅片旋轉(zhuǎn)體各處的氣密性。

第一旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)外環(huán)體外圍的第一盛水環(huán)槽，煙罩外環(huán)體下端浸入第一盛水環(huán)槽中；第二旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)為爐蓋外圍的第二盛水環(huán)槽，旋轉(zhuǎn)底板底部設(shè)有浸入第二盛水環(huán)槽中的環(huán)狀擋板，兩處通過水密封來保證密封性，便于制造，而且也有助于隔熱。

過煙孔處設(shè)有開口朝下的擋料罩，從而防止下落的粉料進入過煙孔中。旋轉(zhuǎn)外環(huán)體下方還設(shè)有用以將料導向過料通道處的倒錐體，起到導向作用，便于顆粒料能夠順利落入至過料通道處。為了便于顆粒料能夠順利沿螺旋下落，螺旋翅片的旋向為左旋，螺旋翅片旋轉(zhuǎn)體沿順時針旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)時不會對顆粒料層形成傾斜向上的力，從而減小積壓顆粒料的可能性。

2 技術(shù)原理

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該節(jié)能環(huán)保電弧爐余熱利用的技術(shù)原理為：電弧爐上設(shè)有螺旋翅片旋轉(zhuǎn)體，當抽出煙塵氣時，氣氛中的大量余熱便對攤在螺旋翅片上的耐火材料顆粒料層進行快速預熱。

（1）收塵孔與電極孔處飄出的煙塵氣向上四周擴散經(jīng)過進煙孔、過煙孔后經(jīng)過各層螺旋翅片之間，在較大散熱面積作用下，溫度快速分散用于加熱其上的混合顆粒料層，使其快速升溫，顆粒料越向下移動越接近爐內(nèi)的溫度，可有效降低電極加熱所消耗的能量；而且這種向上抽氣的方式有效阻止了空氣中的雜質(zhì)氣氛進入到發(fā)紅高溫的電極上而導致其氧化，因此，該進氣結(jié)構(gòu)在一定程度上降低了電極的消耗。

（2）抽氣結(jié)構(gòu)既可以有效抽出爐內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生的煙塵進行后處理，又同時將傳統(tǒng)上料過程中所產(chǎn)生的粉塵一并抽出，一舉兩得，大幅改善了現(xiàn)場的工作環(huán)境。

3 結(jié)語

電弧反應(yīng)產(chǎn)生煙塵氣中余熱利用的節(jié)能電弧爐，該電弧爐上設(shè)有螺旋翅片旋轉(zhuǎn)體，當抽出煙塵氣時，氣氛中的大量余熱便對攤在螺旋翅片上的耐火材料顆粒料層進行快速預熱，回收爐內(nèi)及電極孔處的煙塵氣余熱，從而降低制造成本。