电弧炉烟气特性研究现状

电弧炉炉气特性研究现状

1.1电弧炉炉气利用现状

在电炉的冶炼过程中产生大量的高温含尘烟气，其携带的热量约为电炉输入的总能量的11%，有的甚至高达20%。目前，国内外电炉炉内排烟处理设施仍以水冷为主，电炉烟气余热回收系统尚处于起始阶段。不论是炼钢电炉还是铁合金电炉，不论是开放式还是闭式，都采用汽化冷却。近年来，随着高温辐射转炉汽化冷却、加热炉汽化冷却等余热利用技术在国内市场的广泛应用，从取得的显著经济和社会效益来看，电炉烟气余热回收装置将对国内企业节能降耗及提高经济效益具有十分重要的意义。

江苏华凌锡铁技术改造搬迁工程炼钢项目一期新建一座70t电炉炼钢连铸车间，年产钢水72万t，连铸坯70万t。为节能降耗，减少吨钢能耗指标，提高全厂循环经济效益，与之配套新建了一套电炉汽化冷却烟气余热回收装置。其电炉烟气冷却系统如图1.1。

图1电炉汽化冷却系统流程图

电炉第四孔炉气参数：炉气设计流量55000m3/h,炉气设计温度1700℃。烟气余热回收装置设计参数：额定烟气流量180000m3/h。烟气入口额定温度1000℃。热管换热器入口额定烟气温度8500℃。热管换热器出口额定烟气温度250℃。烟气侧阻损1800~2500pa。汽包额定工作压力1.6Mpa。除氧器额定工作压力0.02Mpa。外送蒸汽压力1.3Mpa。冶炼周期余热回收平均蒸汽流量8t/h。

电炉烟气余热回收装置由汽化冷却装置、锅炉给水泵、除氧器、蓄热器、蒸汽滤洁器、分气缸、磷酸盐加药装置、取样冷却器、排污扩容器等设备及工艺管道组成。

汽化冷却装置由汽包、汽化冷却烟道、热管换热器（蒸发器部）、热水循环泵循环水管道等组成。汽化冷却烟道由I段烟道、II段烟道、III段烟道、IV烟道及非金属补偿器等组成;热管换热器由蒸发器、省煤器及锅炉框架等组成。

工艺流程：烟气系统流程，高温烟气从电炉炉顶 (第四孔)抽出，经水冷弯头、水冷滑套、I段烟道，在绝热燃烧沉降室（烟气在燃烧沉降室一方面充分燃烧同时大颗粒灰尘沉 积在沉降室底部，由专人定期清除)充分燃烧 ，然后烟气继续流II段烟道、III段烟道、IV烟道，烟温降至约850℃，再经过热管换热器后烟温降至约250℃，与二次烟气混合后排入大气。

汽水系统流程：从电炉炼钢车间供应的软水，接入除氧器，经锅炉给水泵供入省煤器加

热后送至汽包。汽包下降管分为两路:一路循环水经热水循环泵加压后进入汽化冷却烟道

( III段烟道采用自然循环)，在水冷膜式壁中与电炉高温烟气换热，产生汽水混合物，再经上升管返回汽包，组成强制循环；另一路循环水进入热管换热器，在换热器内吸收低温烟气中的热量，产生汽水混合物返回汽包，组成自然循环。汽水混合物在汽包筒体上部汽水分离， 蒸汽送至新建蓄热器 ，与来自快速锅炉房的过热蒸汽经减压后供外网及VD真空脱气装置使用 。

清灰输灰系统流程：热管换热器为双烟箱立式结构 ，烟气从上至下横向冲刷管排，管排积灰情况较烟道内更为严重。因此在每个蒸发器模块及省煤器模块均设有激波清灰装置。

运行人员根据管排积灰情况利用激波清灰装置对设备进行清灰。热管换热器底部设有灰斗 用以收集烟气中及被激波清灰器清除下来的灰尘 。在非冶炼期操作人员定期开启灰斗下的卸灰阀，通过设在卸灰阀的埋刮板输灰机输送至统一存灰处，定期由汽车拉走[1]。 1.2 电弧炉炉气温度研究现状

电炉炼钢过程中，产生的大量烟气经过电炉第四孔沿着烟道进入沉降室再进入余热锅炉进行预热回收后处理排到大气中。电炉炉料油脂以及脱氧产生的CO燃烧使得电炉烟气的温度较高。电炉烟气温度高低可以作为判断炉内反应的具体情况的参数之一，也影响着烟道以及沉降室等的使用寿命，并且也对余热回收板块起着决定性的作用。研究电炉烟气温度在实际工程中有着重要的意义。

为了研究带电炉烟气温度性质，某钢厂用热电偶分别测量了炉盖出口处和燃烧沉降室出口处的烟气温度，结果如下图所示，t1为炉盖出口处的烟气温度，t2为燃烧沉降室出口处的

温度。烟气带入燃烧沉降室的热量包括电炉烟气的物理显热和可燃成分的化学焓 , 也可以根据热量平衡的原则计算燃烧沉降室出口处的理论烟气温度t3。

图2 电炉烟气的温度

电炉烟气中的可燃成分主要为 CO，CO在空气中的着火点为610℃，即只有当CO和空气混合后的温度超过610℃时，才能确保CO在燃烧沉降室内的燃烧，否则需要设置点火装置。

如图，除了在电炉熔化期的初期，除了在电炉熔化期的初期t3t2，即除了电炉熔化期的初期外，电炉烟气在水冷弯管和燃烧沉降室中向外放热。在电炉熔化期的初期，炉料温度很低，而水冷弯管和燃烧沉降室内壁在上一个冶炼周期被烟气加热到较高温度，烟气流经水冷烟道和燃烧沉降室时，水冷弯管和燃烧沉降室向电炉烟气传热。随着电炉炼钢流程的进行，电炉烟气的温度逐渐升高，电炉烟气流经水冷弯管和燃烧沉降室时对水 冷弯管和燃烧沉降室内壁放热[2]。

在电炉熔化期的初期，由于水冷弯管和燃烧沉降室内积蓄的热量可以加热电炉烟气 ， 如果在水冷弯管或者燃烧沉降室内设置蓄热材料，水冷弯管和燃烧沉降室内的蓄热量增加，

在电炉熔化期的初期利用蓄热材料向烟气传热，可以提高电炉烟气与空气混合后的温度 ， 有利于CO的燃尽[3]。利用蓄热材料后，燃烧沉降室出口处电炉烟气温度的波动性变小， 电炉烟气进入余热回收装置的温度变化幅度降低，对提高电炉烟气余热回收装置的稳定性和寿命都是有利的[4]。

1.3 电弧炉炉气压力与烟气流量研究现状

电炉炼钢过程中，电炉烟气主要是由电炉第四孔排出，然后经过弯管，再进入沉降室后进入余热锅炉回收余热。故电炉烟气从电炉出来后都是由抽风系统进入后期整个流程，整个流程都是负压操作的。控制负压操作具体参数，例如压力以及通道流量等都对炼钢工艺以及余热回收利用都有实际意义。

准确计算烟气量是电炉除尘 、冷却系统设计中很关键的一步，直接影响到除尘 、冷却系统设施的选型，一次投资及运行和维护费用 。采用“第四孔 +屋顶罩 ”的方式除尘时 , 第四孔的烟气温度高，适合进行余热回收。电炉冶炼一般分为熔化 、氧化和还原 3个冶炼期。熔化期主要是由于炉料 (废钢)中的油脂类可燃物质的燃烧，以及金属在高温时的气化

而产生黑褐色的烟气；氧化期主要是由于吹氧 、加矿，使炉内熔融态金属激烈氧化脱碳 , 产生大量赤褐色烟气；还原期为除去钢液中的氧和硫，调整钢水的成分，投入碳粉或硅铁等材料， 产生白色或者黑色烟气。

在现代大中型转炉炼钢过程中 , 通常将钢液的还原放在精炼炉中进行 , 所以电炉炼钢第四孔烟气主要考虑熔化期和氧化期的烟气量。电炉炼钢熔化期的烟气量通常小于氧化期的烟气量，所以电炉烟气的燃烧沉降室 、余热回收利用系统和除尘系统一般都是参照氧化期的第四孔烟气量设计的。

图3 电炉炼钢余热回收系统设计烟气量

如图为50t以上的大中型电炉烟气余热回收系统的设计烟气量。研究表明，电炉炼钢余热回收的设计烟气量受多种因素的影响，铁水装入量接近的电炉，余热回收系统的设计烟气量也可能相差很大。电炉炼钢的烟气量主要受电炉炉料装入量、铁水比、吹氧强度、炉内压强等因素的影响[2]。

Michio Nakayama[ 5]等在一台100t的电炉上，实测了熔化期和氧化期电炉烟气的成分

和温度。该电炉的电炉容量为100t，采用“第四孔 +屋顶罩”的除尘方式，其中 ，第四孔原始烟气量500～1000m3/min，燃烧沉降室出口烟气

量2000～2500m3 /min，除尘系统最大烟气总量(第四孔+屋顶罩 )为20000m3/min。 1.4电弧炉炉气成分研究现状

1.4.1 电弧炉炉气生成机理分析

电弧炉炉气主要成分为O2、CO、N2和CO2，电弧炉炉气主要由电弧炉供氧脱碳并卷吸混入空气形成。炼钢过程强化供氧脱碳，是以将钢水中的碳元素氧化成为CO或CO2气体来实现的，化学反应为：

电弧炉供氧强度与钢水碳含量对炉气CO和CO2的含量有着直接的影响。钢水熔池脱碳反应产物，在上升过程中，收到卷吸进入炉内的空气和富余O2的影响发生二次燃烧反应， 即

炉气中CO和CO2最终达到某种平衡状态，剩余的O2和N2继续存在与炉气中。 电弧炉炉气中各成分分配应符合特定规律，相互制约。电弧炉炉气各成分间的制约关系应进行专门分析[ 6 ]。

1.4.2 电弧炉炉气成分分析方法与规律

终点成分控制始终是钢铁冶金的核心技术。近年来基于炉气成分分析的炼钢控制方法开始在生产中推广应用。针对转炉终点控制的研究日益完善。相对转炉而言，电弧炉炉气分析技术的发展相对落后，技术不成熟，除去电弧炉自身工艺影响以外，对于电弧炉炉气成分变化规律研究的不足制约着该技术的发展。所以加强电炉烟气成分的分析对电炉终点成分控制有着巨大的实际意义。以某钢厂50tUHP电弧炉为试验对象，该电弧炉安装有四支炉壁氧枪，平均设计流量为1500m3/h，炉体设计总装量为55t，原料组成（55%铁水+45%废钢，质量分数），冶炼周期约为45min。

图4 炉气检测设备组成图

电弧炉炉气检测设备组成包括水冷取样器、输气管道、红外气体分析仪、PLC 和工控机。水冷取样器安装在炉体第四孔除尘烟道入口处，高温烟气由水冷取样器取出，经过输气管道进入红外气体分析仪，连续测量炉气中O2、CO、N2和CO2的成分，测量周期为10s，测量数据由接收转换进入工控机分析记录。设备安装运行如图所示。

得到的成分曲线如下图:

图5 电弧炉炉气O2、CO、N2和CO2特征曲线

从炉气成分分析得到的成分曲线来看，O2、CO、N2和CO2存在一定的变化规律，随着 冶炼开始，炉气中的CO2含量逐渐提高，炉气中O2和N2的含量逐渐降低，在炉气中CO2含 量超过某一特定值后，电弧炉炉气中开始有明显的C检出。随着冶炼的进行，电弧炉内钢水 中碳含量逐渐降低，达到临界值后，炉气中CO、CO2开始逐渐下降，02和N2含量同步升高， 并在冶炼结束前达到初始状态[ 7 ]。 1.4.3 影响电弧炉炉气成分因素研究

电弧炉炉气主要由电弧炉供氧脱碳并卷吸混入空气形成。炼钢过程强化供氧脱碳，供氧流量越高，脱碳速度越大。供氧脱碳是以将钢水中的碳元素氧化成为CO或CO2 气体实现的 ,供氧强度越高炉气中CO或CO2气体的含量越高。随着供氧流量的提高，炉气中CO或CO2逐渐上升[ 8 ]。

1.5 电弧炉炉气烟气含尘密度及粒径研究现状

随着我国“短流程”炼钢工艺的发展，电炉炼钢的产量和产尘量均在迅速增加，电炉炼钢的产尘量达到12~18kg/吨钢。同时，电炉烟气中还含有二噁英等有毒有害污染物，是一个不可忽视的污染源，必须采取有效的补集净化措施加以治理，使其达标排放。

电炉炼钢产生的烟气包括一次烟气和二次烟气，采用直接集气法，既第四孔集气法时，利用排烟导管直接从炉内抽出一次烟气，并经过燃烧沉降室电炉粉尘的颗粒度随着电炉工艺操作条件而沉降，然后经过冷却送入净化设备 。电炉烟气进入燃烧沉降室前，与从炉盖和水冷弯管之间的空隙处引入的空气混合，在燃烧沉降室内燃尽。在燃烧沉降室内，烟气的流通面积增大，流速减少，烟尘中粒径较大的粉尘在重力的作用下沉降在燃烧沉降室的底部。

若电炉烟尘中粗颗粒粉尘在燃烧沉降室内得不到较好的沉降，将进入水平烟道造成积灰和设备的磨损，特别是当采用汽化冷却系统回收电炉烟气余热时，会引起汽化冷却系统换热效率下降和使用寿命缩短。不采用汽化冷却系统回收烟气余热时，一般要求收尘效果较好的燃烧室所收集的粉尘占电炉产尘量的5％左右；采用汽化冷却系统回收烟气余热时，对燃烧沉降室的收尘效果要求更高。

电炉烟气中含尘量的大小与炉料的品种、清洁度及所含杂质有关，也与冶炼工艺和操作有关。一般中小型电炉粉尘产量约为 8～12 kg 粉尘 / 吨钢，而大电炉可高达 20 kg 粉尘 / 吨钢；在吹氧期，烟气含尘浓度（标态）可达20～30 g/m3。

电炉粉尘的颗粒度随着电炉工艺操作条件而变化，实验测得在熔化期和吹氧期电炉烟尘颗粒度分布于0.1～1000μm，平均颗粒度百分率如图 所示。

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