本文针对电炉烟气冷却中存在的部分余热没有回收、除尘负荷大、蒸汽压力低、利用困难等问题，开发了电炉烟气余热回收器装置——高温烟道式余热锅炉，该装置能够回收电炉烟气约2100～250℃全部余热，且具有合适的过剩空气系数、沉降效率高、蒸汽压力高、锅炉寿命长等优势。该装置在110 t 电炉上进行了工程示范和测试验证，测试结果显示列管余热锅炉出口烟温低于250℃，沉降室沉降效率大于94 %，达到了预期指标。

在电炉冶炼的过程中，要产生大量的高温烟气，其最高温度可达2 100℃，含尘量高，且所含氧化铁尘具有工业回收价值。高温含尘烟气携带的热量约为电炉输入总能量的11 %，有的甚至高达20 %。这些高温烟气不仅带走大量的热，而且给电炉的除尘系统带来了巨大的负担，不但降低了氧化铁尘的回收率，而且造成了严重的污染问题。随着钢铁行业的发展，电炉炼钢的铁水比例逐渐上升，有的甚至超过了30 %。铁水比例的升高，引起电炉炼钢烟气量增加、热量浪费和除尘问题的日趋严重。如何将这部分高温烟气中的显热充分地回收，变“废”为宝，使之转化为热能，并使得电炉烟气更加稳定，为高效除尘创造条件，从而降低除尘系统运行成本和企业的生产成本，这是电炉炼钢企业必须重视的问题。公司组建了专业的技术队伍开始了电炉烟气余热回收器装置的研究，从提高余热回收量、烟尘沉降效率、锅炉的压力及使用寿命3个角度进行研发，从而降低电炉的吨钢能耗。并在江苏某企业110 t 电炉成功投运，并对装置出口烟气温度、吨钢回收蒸汽量等关键参数进行了现场测试，测试结果显示装置达到了预期指标。

1、电炉烟气冷却方式现状

目前电炉烟气冷却的方式有水冷+机力风冷、废钢预热+水冷、水冷+热管余热锅炉等几种。

1.1  水冷+机力风冷

水冷+机力风冷系统的流程见图1。电炉第四孔出口的高温烟气进入水冷烟道，同时，混入从电炉四孔水冷弯头和水冷滑套间的缝隙吸入的空气，进行燃烧，之后进入燃烧沉降室，在燃烧沉降室进行燃烧和灰尘沉降后，从燃烧沉降室出来的高温烟气经过水冷烟道冷却到600℃左右，进入机力风冷器，冷却后的烟气与电炉密闭罩的除尘烟气混合降温后进入布袋除尘器除尘，之后通过风机、消声器，从烟囱排出。

目前国内外有大量电炉烟气采用水冷方式的案例。例如2006年投产的太原钢铁（集团）有限公司1座160 t电炉，2009年投产的日本新日铁1座100 t电炉，2009年投产的印度EASSR公司2座180t电炉，均采用了水冷烟道冷却烟气的方式。水冷烟道具有一次投资少、技术可靠、运行稳定的特点，所以目前还在大量应用。该方式最大的弊端就是烟气中大量的显热无法被利用，浪费了能源，增加了冷却水的消耗量，同时工业水的循环又消耗大量的电能。

1.2  废钢预热+水冷

电炉烟气冷却的另一种方案为废钢预热+水冷。先利用电炉烟气预热废钢，之后800～500℃的高温烟气再经过燃烧沉降室、喷雾冷却器冷却后进入布袋除尘器，其后续工艺和水冷+机力风冷相同。

因此该种方式也存在较大部分烟气余热未利用，喷入大量冷水，增加除尘负荷等问题。同时该技术在二恶英排放、废钢预热效果等方面仍存在问题。

1.3  水冷+热管余热锅炉

该方案中，机力风冷器前流程与水冷+机力风冷相同，仅以热管余热锅炉替代机力风冷器，将原来通过机力风冷器排放到大气中的余热加以回收利用，产生蒸汽。2006年投产的山钢集团莱芜钢铁集团有限公司50 t电炉余热回收系统便属于该种形式。

该方案的缺点主要是在建设余热锅炉系统时，仍需建设庞大的水冷系统，回收的热量有限，仅回收部分（约800～250℃）的烟气余热。另一个问题是热管余热锅炉的换热效率随时间下降很快。某钢厂100 t电炉余热锅炉采用热管形式，投产初期冶炼期内蒸汽回收量8 t / h，3年左右下降到3.5 t / h。同时由于常用的碳钢-水重力热管本身结构的原因，温度过高会引起其内部H2的积累，热管锅炉进口温度一般要求低于850℃，这样使得热管余热锅炉的压力很难提高，一般情况下其出口蒸汽压力小于2.0 MPa，蒸汽的利用较为困难。

2、电炉烟气余热回收器装置（高温烟道式余热锅炉）及其优势

由于目前的几种电炉烟气冷却方式存在部分余热没有回收利用、增加除尘装置负荷、能耗高、余热蒸汽利用困难等问题，公司开发了电炉烟气余热回收器装置，并进行了工程实践。

电炉烟气全余热回收装置流程见图2，烟气由电炉抽出后，与从水冷弯头和水冷滑套间环缝混入的空气一起进入汽化冷却弯管，在汽化冷却弯管内的烟气经初步降温后进入燃烧沉降室。在燃烧沉降室内，烟气中剩余的CO会进行完全燃烧，同时烟气携带的粉尘粗颗粒也会经重力除尘沉降下来。其后烟气进入高压汽化冷却烟道进行换热，进一步降温后进入列管余热锅炉，降温至250℃以下后与电炉密闭罩出口的除尘风混合，降温至80℃后送入布袋除尘器，除尘达标后的烟气经过风机、消声器从烟囱排出。

因此根据燃烧沉降室出口烟气成分控制水冷滑套混入的空气，就能控制最佳的过剩空气系数，使得余热回收系统及除尘系统更加节能。

烟尘的有效沉降可以保障后续对流受热面余热锅炉的换热效率，同时减少了烟气对锅炉壁面的磨损，因此实现燃烧沉降室内烟尘的有效沉降是非常重要的。

经过对燃烧沉降室内粉尘沉降的机理研究，电炉烟气全余热回收装置采用直角式的燃烧沉降室，即烟气从燃烧沉降室顶部进入，然后从侧向流出的形式。同时根据模拟分析确定了合理的燃烧沉降室流通截面，确保灰尘的高效沉降。

2.4  锅炉压力高、寿命长

为了避免热管余热锅炉在1.3节中提到的缺陷，电炉烟气全余热回收装置采用了列管式余热锅炉。列管式余热锅炉采用自然循环，吹灰装置采用激波吹灰，不仅提高对流受热面余热锅炉的寿命，延长锅炉换热失效时间，而且提高汽包出口蒸汽压力，便于蒸汽的利用。

3、电炉烟气全余热回收装置工程实践

3.1  参数简述

基于上述电炉烟气全余热回收装置的优势分析，中冶赛迪在永钢110 t电炉设计上应用了该装置，并进行了现场测试。运行参数见表 1。

3.2  现场测试结果

3.2.1  出口烟气温度

电炉烟气全余热回收装置在列管余热锅炉出口装设了烟气温度测量装置，测量装置收集了3个多月共计1000多炉次的生产数据，兑铁水的比例从全废钢到80 %铁水，余热锅炉出口温度均能控制在250℃以下。 

3.2.2燃烧沉降室效率

现场进行了燃烧沉降室进出口粉尘浓度测试，以验证燃烧沉降室的沉降效率。测试粉尘浓度有2个测试点，一个在燃烧沉降室前，入口弯烟道末端; 另外一个在燃烧沉降室后，沉降室出口烟道，具体位置见图2中 D1、D2。

2013年6月22日，现场测试 9个炉次23组入口弯烟道粉尘浓度数据，6个炉次22组燃烧沉降室后烟道粉尘浓度数据，测试结果分别见图3、图4。对沉降室入口、出口的粉尘浓度进行平均，得出在冶炼期间的入口平均粉尘浓度为8.283g / m3（标态），出口平均粉尘浓度为0.457 g /m3（标态），燃烧沉降室的粉尘沉降率为94.48 %，可见，通过燃烧沉降室后，烟气中接近94 %的粉尘被除去。

3.2.3过剩空气系数

装置运行期间，分别对入口弯烟道中部、燃烧沉降室入口、燃烧沉降室出口烟气的成分进行检测，测点位置见图2中的C1、C2、C3，总计测试了3个冶炼周期内，烟气中的CO、CO2、O2随冶炼时间的变化情况，共得到样本数据330组，同时计算冶炼期内的过剩空气系数。通过烟气成分计算，得到冶炼期的过剩空气系数，该值大于设计时要求的过剩空气系数。经分析，原因是原设计考虑参加燃烧的空气仅从水冷滑套空隙处进入。实际调试过程中发现有很大一部分参与燃烧的空气是从电炉炉门、炉盖的缝隙及电极孔中漏入的，这部分空气在电炉内被加热，同时参与了燃烧，因此出现了实际过剩空气系数较设计值偏大的情况。

通过一个多月的现场测试，以及随后对运行效果进行的回访，得知该系统运行稳定，在兑铁水比例为50 %时，冶炼周期可产生压力为1.8MPa的饱和蒸汽21t / h，远高于采用部分余热回收的装置，后续的除尘系统运行稳定。

4、结论

1）电炉烟气全余热回收装置，采用高低压、自然、强制复合循环的汽化冷却系统成功回收了电炉第四孔出口烟气约2100～80℃的余热，同时降低了烟气温度，通过与电炉密闭罩及屋顶除尘罩混风后，使得烟气温度达到250℃左右的理想除尘温度。

2）采用列管式余热锅炉，提高了汽化冷却系统出口蒸汽的压力和温度，为后续蒸汽的有效利用创造了条件。同时也避免了热管余热锅炉短时间内失效和传热效率大幅降低的弊端。

3）经过数值模拟及理论计算，设计的燃烧沉降室，流场较均匀，实测除尘效率达到94%左右。

4）在整个冶炼周期，炉气量和炉气成分变化很大。采用最优过剩空气系数，烟气量也会有较大波动，因此建议要根据燃烧沉降室出口的烟气成分调节水冷滑套的开度。

5）由于参与燃烧的空气很大一部分是从电炉的炉门、炉盖的缝隙及电极孔中漏入的，因此该部分参与燃烧的空气温度不应该按常温考虑，而应该考虑电炉内对空气的加热过程，才能使余热回收系统设计更加合理。

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