钢企电炉余热发电系统设计及分析

      电炉在炼钢瞬间会产生大量的高温烟气，通过燃烧沉降室、余热锅炉、除尘器等主要设施，回收电炉余热的同时对烟气进行净化后排放。从电炉出来的高温烟气进入余热锅炉通过热交换产生中压蒸汽，中压蒸汽送至汽轮发电机组进行发电，烟气进行净化处理后排空，实现了环境治理及节能降耗，增加了企业的经济效益，实现了国内电炉余热发电的有效性探索。

      节能降耗是当前世界的发展主题，余热资源的回收利用是节约能源的和减少污染的有效途径之一，电炉是我国回收废钢再利用的主要冶炼形式，在生产过程中主要消耗大量的电能，同时产生大量的高温烟气，这部分烟气如果直接排放，既污染环境，同时又造成了非常大的能源浪费。近年来，在国内电炉余热回收系统比较普遍，但能成功对电炉余热进行高效率回收的少之又少，能利用电炉余热进行发电的更是寥寥无几。 

      某钢企特殊钢升级技术改造工程中配套建设了一套电炉余热发电系统，烟气从电炉第四孔进入燃烧沉降室，烟气经过充分燃烧及大颗粒粉尘沉降后通过高温烟道进入余热锅炉，烟气经过在锅炉当中热交换后温度降至150℃左右，进入布袋除尘器，最后经风机通过烟囱高空排放。锅炉产生的中压饱和蒸汽通过过热器过热后进入汽轮发电机进行发电。

一、电炉工艺说明 

1、电炉主要工艺参数见表1：

2、电炉烟气特点： 

      1）间歇性、波动性。电炉在冶炼过程中，从第四孔出来的烟气流量、温度、含尘量一直在不断变化，呈现出周期性波动。氧化期的烟气温度最高、烟气流量最大，含尘量最多；出钢期的烟气温度最低，流量最小，含尘量最少。 

      2）烟气中粉尘浓度大，粒径小。烟尘含量一般在8-15g/m3，最大在30 g/m3，粒径一般分布在0-30μm范围内，吸附力较大。 

      3）烟气温度波动大。电炉正式冶炼45min，烟气温度从400℃上升到1400℃再回到400℃，温度瞬间可升至1800℃左右，周期性的温度剧变对耐火材料及结构件抗热震性能有非常高的要求。

3、电炉烟气系统流程 

      电炉在整个冶炼过程中产生的含尘烟气主要由冶炼期从第四孔出来的高温烟气和出钢加料期低温烟气组成，其中低温烟气通过屋顶罩和导流罩排除，高温烟气是电炉余热回收的主要对象，高温烟道通过沉降室进入余热锅炉降温，再通过除尘器、风机、烟囱过滤后排空。电炉烟气系统流程如图1所示。 

二、电炉烟气余热发电系统设计 

1、余热发电系统工艺流程 

      电炉冶炼过程中产生的1400℃左右的高温烟气，经过电炉第四孔及水冷烟道进入燃烧沉降室，烟气中参与的CO在沉降室中完全燃烧，烟气通过沉降室的过程中大颗粒粉尘沉降，通过沉降室出口高温烟道上的电动混风阀调节烟气温度在800-900℃进入余热锅炉，烟气在余热锅炉中释放热量后温度降至150℃进入布袋除尘器进行过滤净化，由于电炉冶炼过程中的间歇性变化，余热锅炉产生的2.0MPa/ 200℃中压蒸汽首先进入蓄热器进行稳压，压力及流量稳定的蒸汽经过加热炉过热器过热至300℃进入汽轮发电机组进行发电。余热发电系统工艺流程如图2所示。

图2   电炉余热发电系统工艺流程图

2、余热发电系统主要设备组成 

1）水冷烟道及移动滑套 

      水冷烟道的主要作用是将从电炉第四孔出来的高温烟气送入燃烧沉降室，电炉在加料及出钢过程中，炉盖及第四孔需要旋转，因此，设置电液推杆式移动水冷滑套，在不影响冶炼操作的前提下，通过调整水冷滑套与第四孔之间的缝隙，保证烟气混入足够的空气，以确保烟气中的CO在沉降室内完全燃烧。

2）燃烧沉降室 

      燃烧沉降室主要作用有三个：第一，烟气中残余的CO在沉降室内与从水冷滑套进入的空气混合充分燃烧，防止CO进入后续设备，导致安全事故的发生；第二，由于空间的突然增大，烟气进入沉降室后流速降低，烟气中的大颗粒粉尘通过沉降与烟气分离，可以降低后续设备的清灰强度，加大换热设备的换热效果，为了尽可能提高沉降室的除尘效率，烟气进、出口管道均从沉降室顶部引出；第三，电炉炼钢是一个周期性变化过程，其烟气温度也随着不断变化，沉降室的结构均由耐火砖砌筑而成，具有可靠的蓄热功能，这样可以避免电炉在出钢加料过程中，冷风直接进入余热锅炉，从而提高余热锅炉的热效率。 

3）余热锅炉 

      考虑到电炉烟气工况间歇性变化的特性，国内电炉余热回收系统中换热元件均以热管形式存在，考虑到降低成本等因素，通过数据分析和实际调研，综合考虑，本系统在余热锅炉的一、二级换热器采用热管形式，其余三至九级蒸发器均采用普通翅片管换热器，这样既保证了余热锅炉换热效果，又降低了运行费用。

 4）蓄热器 

      电炉工况变化的同时，余热锅炉的产生的蒸汽的参数也在不断变化，为了能给汽轮机连续、稳定供气，本系统设置两台大容积蓄热器，蓄热器利用高压、低压时饱和水的焓差使水闪蒸，放出蒸汽。开始使用时给蓄热器冲入除盐水，从锅炉出来的高压蒸汽通过充热装置喷入水中，并迅速凝结放热，使蓄热器内水位和压力升高，此时蓄热器内为高压下的饱和水，通过蓄热器出口电动调节阀放出蒸汽的同时，蓄热器中的饱和水将自行沸腾放热，水位下降，产生连续稳定的低压蒸汽。

5）加热炉过热器 

      通常情况下，加热炉排烟温度在350℃至400℃之间，如果直接排必然造成能源浪费。为了提高汽轮发电机组效率，同时，有效回收加热炉烟气余热，该系统在加热炉烟道内设置一台蒸汽过热器，从蓄热器出来的饱和蒸汽首先经过过热器进行过热，过热后蒸汽温度300℃至330℃进入汽轮机发电。 

6）汽轮发电机组 

      本系统选择凝汽式汽轮发电机组一套，设计进汽参数，压力1.15MPa，温度300℃，额定发电量4500KW。配套凝汽器、空冷器、凝结水泵、抽真空泵等辅机。

三、运行情况 

      该钢企电炉余热发电系统热试成功后投入使用，系统运行稳定，一次性达产达效。 

      1） 通过有效控制，电炉出钢加料期，沉降室内部温度不低于500℃，余热锅炉入口烟气温度700℃-850℃，锅炉排烟温度140℃-150℃，汽包运行压力1.8MPa，锅炉产汽量22-25t/h，完全优于设计参数。 

      2） 加热炉入口蒸汽参数，压力1.2MPa，温度180℃，出口蒸汽参数，压力1.15MPa，温度330℃。 

      3） 汽轮机入口蒸汽参数，压力1.1MPa，温度320℃，发电机平均发电量4000KW，最大发电量4500KW。 

四、结论 

      1）该企业电炉余热发电系统运行情况表明，各项生产指标达到设计要求，在不影响生产的情况下变废为宝。从而降低了电炉生产的运行成本，经济效益显著。 

      2）电炉余热发电系统的成功应用，有较高的社会效益，是钢铁工业节能和环保技术的重大突破。