鐵合金礦熱爐煙氣回收能源利用述評

張曾蟾

（中國鐵合金工業協會，北京 100711）

我國是世界第一鐵合金生產大國，2010年全國鐵合金產量2 435.5萬t，同比增長10.23%，占世界鐵合金總產量的50%以上。我國鐵合金行業90%左右產品采用礦熱爐電熱法生產，能源消耗比較高，是國家節能減排的重點行業。

1 鐵合金礦熱爐分類及煙氣回收能源利用的意義

1.1 鐵合金礦熱爐爐型分類

鐵合金礦熱爐一般分3種爐型，第一種是全封閉型，第二種是矮煙罩半封閉型，第三種是高煙罩敞口型。目前，我國絕大多數大中型礦熱爐采用矮煙罩半封閉型，僅少數5 000 kVA以下小礦熱爐沒有進行技術改造，仍采用高煙罩敞口型；錳硅合金、高碳錳鐵、高碳鉻鐵、工業硅等大中型礦熱爐有部分采用全封閉型，這是鐵合金礦熱爐爐型發展方向。

1.2 礦熱爐煙氣回收利用重要意義

硅系、錳系、鉻系等大宗鐵合金產品生產，一般采用碳質還原劑，在礦熱爐冶煉過程中會產生大量含有CO、CO2、H2等成份的煙氣，而且爐口煙氣溫度一般在400℃左右，含有大量的顯熱。按生產75%硅鐵礦熱爐為例，煙氣中的大量熱能相當于總輸入能量的約50%。因此，采用先進工藝技術，回收利用礦熱爐煙氣能源意義重大，不僅能降低鐵合金生產成本，更重要是可以減少煙塵污染，這是“十二五”期間鐵合金行業節能減排的重要工作之一。

2 鐵合金礦熱爐煙氣能源回收利用概況

2.1 國外礦熱爐煙氣能源回收利用發展情況

最早實現半封閉型礦熱爐煙氣余熱回收利用的是瑞典的美國艾爾克公司瓦崗廠。該廠于1958年、1966年、1972年先后建成21 000 kVA、45 000 kVA、75 000 kVA半封閉型礦熱爐的回收蒸汽工程。其中75 000 kVA半封閉型硅鐵電爐的余熱鍋爐每天可產生293℃的高壓蒸氣1 000～1 200 t，除用來發電外還可向周邊的工業企業進行供熱。

1977年，挪威埃肯公司為法國敦刻爾克地區的乙炔和電冶金公司設計制造了96 000 kVA帶有余熱回收系統的大型半封閉型礦熱爐,并于1978年投產，這臺電爐利用余熱鍋爐回收煙氣余熱產生的蒸汽發電，可降低供電量20%左右。

日本重化學工業公司和賀川廠1979年開始研制的一臺32 000 kVA帶有余熱發電系統的半封閉型硅鐵爐至今仍正常運行，這套余熱回收和利用系統包括高溫操作的半封閉爐、熱交換器和渦輪發電機，電爐煙氣中回收余熱節約的電能達3 400萬kWh。

芬蘭奧托昆普公司利用50 000 kVA全封閉型高碳鉻鐵電爐的煤氣，燒結鉻粉礦球團，并預熱爐頂料倉爐料，冶煉電耗降到2 700～2 800 kWh/t，從而達到充分利用鉻粉礦冶煉高碳鉻鐵目的。

2.2 我國礦熱爐煙氣能源回收利用發展情況

我國礦熱爐煙氣能源回收利用雖然起步較晚，但是，近年來也取得了明顯成效。

20世紀80年代,湖南某廠曾經在硅鐵礦熱爐上安裝水冷壁管進行過回收余熱試驗，由于當時還是高煙罩敞口爐，再加上硅微粉堵塞水冷壁管等原因，因而未能成功運行。

1992年,原湖南鐵合金廠引進德馬克公司的30 000 kVA全封閉型錳硅合金電爐，回收煤氣除塵凈化后，供24m2燒結機燒結錳礦。

2008年,內蒙古自治區核準了鄂爾多斯電力冶金集團有限公司大型集群電爐低溫煙氣余熱資源綜合利用項目。該項目一期改造硅鐵電爐8臺，建設裝機2臺9MW發電機組，2009年6月開工建設，2010年3月首臺機組并網發電。

2009年,中鋼集團廣西鐵合金有限公司在半封閉型錳硅合金電爐上，采用BOT方式建成3臺余熱鍋爐和12MW余熱發電機組，并實現并網發電。與此同時，青海物通(集團)實業有限公司也率先在半封閉型硅鐵電爐上應用煙氣余熱發電技術，取得了非常好的成效。

3 半封閉型礦熱爐煙氣余熱回收利用技術

3.1 半封閉型礦熱爐煙氣余熱特點

當代出現的矮煙罩半封閉型礦熱爐具有廣泛的適應能力，它不僅解決冶煉75%硅鐵等需要爐口料面操作的產品生產工藝技術要求，而且也有效地解決了煙氣凈化和余熱回收利用技術。半封閉型礦熱爐煙氣量約為全封閉型的10～15倍，但比敞口型礦熱爐煙氣量要少得多。

以冶煉75%硅鐵為例，煙氣量每噸硅鐵25 000～30 000 Nm3，爐口煙氣溫度250～400℃。煙氣余熱屬于中溫余熱，廢氣流量較少，熱品位較低；煙氣溫度、流量具有一定的波動性，波動范圍大；煙氣中的硅微粉極細，平均粒徑0.5～0.2μm，比表面積15 000～20 000m2/kg的粉煤灰大50倍左右，比水泥大50～100倍，有極強粘附力和非常高的熱阻。

3.2 半封閉型礦熱爐煙氣余熱回收利用方式

半封閉型礦熱爐煙氣余熱回收利用有2種方式。

（1）用工業鍋爐回收余熱生產飽和蒸汽或熱水，用于日常生產和生活。但鐵合金電爐生產中幾乎可以不用蒸汽，而生活用汽則用于采暖、食堂、淋浴等熱負荷，對蒸汽的質量要求較低，因此，這種方式煙氣的余熱不能被充分利用，余熱利用率約30%左右。

（2）用發電鍋爐回收余熱，產生過熱蒸汽推動透平機發電，從而將煙氣熱能轉化成清潔、使用方便、輸送靈活的電能，擴大余熱利用途徑，這種方式理論上余熱利用效率可達60%以上。

3.3 半封閉型礦熱爐煙氣余熱發電的核心技術

煙氣余熱發電的核心技術主要包括：余熱鍋爐進出口煙氣參數的確定、余熱電站熱力系統及參數的確定、余熱鍋爐的低溫換熱技術、余熱鍋爐的清灰技術(機械振打、燃氣爆燃、立式余熱鍋爐機械刷)、余熱鍋爐的建設及運行對鐵合金生產線的影響、鍋爐煙氣阻力對礦熱爐風機的影響和粉塵的回收利用等。

3.4 國內某廠硅鐵礦熱爐煙氣余熱發電實例

（1）煙氣余熱參數

單臺礦熱爐煙氣流量120 000Nm3/h，煙氣溫度370℃，煙氣出爐煙囪壓力-88Pa，煙氣化學成份：CO2（3.55%）、H2O（1.11%）、N2（76.57%）、O2（18.76%）、CO（0.01%）。

硅微粉參數，平均粒徑0.15～0.2μm，具有極強的表面活性。煙塵比重0.2 g/cm3，煙塵含量3～5 g/Nm3。硅微粉化學成分：SO2（91.7%）、CaO（0.2%）、Fe2O3（0.2%）、AI2O3（0.3%）、K2O（1.41%）、NaO（1.54%）、游離C（＜2.0%）。

（2）余熱電站裝機方案

8臺25 000 kVA硅鐵電爐配4臺余熱鍋爐和2臺9 MW發電機組。每臺余熱鍋爐可生產約18.5 t/h、1.35MPa、340℃過熱蒸汽。選用的汽輪機主蒸汽參數1.25MPa、330℃，平均發電功率約7.15MW。

（3）余熱發電系統技術特點

選取了適當的、相對較低的工作壓力參數，運用了先進的窄點分析技術，通過不同的組合，能最大程度地提高余熱綜合利用率。

余熱鍋爐煙氣系統均設有旁通煙道，一旦余熱鍋爐或電站發生事故時，可以將余熱鍋爐從硅鐵生產系統中解列，不影響硅鐵正常生產。

優化鍋爐本體和進出口煙道系統設計，選擇合適的煙氣流速，保證余熱鍋爐煙氣系統的阻力不大于原空冷換熱器的阻力，無須更換硅鐵系統中原有的風機。

采用以機械振打為主、燃氣爆燃為輔的聯合清灰方式，每組受熱面都設置有清灰裝置，較好地解決了清灰問題。

采用真空除氧系統，替代傳統的熱力除氧系統，提高余熱回收率，同時可以降低除氧設備層高度，節省土建投資。

4 全封閉型礦熱爐煤氣回收利用技術

4.1 全封閉型礦熱爐煤氣特點

錳硅合金、高碳錳鐵、高碳鉻鐵等全封閉型礦熱爐冶煉過程中產生的大量煙氣，含CO較高，一般占到60%～80%，發熱值也較高，因此稱為鐵合金礦熱爐煤氣，一般凈化前稱為荒煤氣，凈化除塵后稱為凈化煤氣。

按有關資料介紹，不同類型的全封閉型礦熱爐煤氣特點分別為：①錳硅合金全封閉型礦熱爐，煤氣量1 200Nm3/t產品，發熱量9 kJ/Nm3；②高碳錳鐵全封閉型礦熱爐，煤氣量960～1 050Nm3/t產品，發熱量12 kJ/Nm3；③高碳鉻鐵全封閉型礦熱爐，煤氣量900Nm3/t產品，發熱量10 kJ/Nm3。這種全封閉型礦熱爐煤氣，可以作為熱源用于煤氣發電或作燒結機燒結、回轉窯干燥、預還原等。

其實，在學習的過程中不少學生都會進行一定的糾錯，但是卻沒有看到明顯的效果，究其原因，其實是糾錯方法不對，據筆者觀察，目前大多數學生在糾錯的過程中存在以下幾個問題：

全封閉型礦熱爐在工藝操作順行的條件下，應嚴格控制爐蓋內為微正壓狀態，以防止空氣滲漏爐內。荒煤氣凈化后應設氣體自動分析儀，監測O2和H2含量。荒煤氣凈化流程有干法和濕法2種。

4.2 荒煤氣干法凈化工藝流程

全封閉型礦熱爐荒煤氣首先通過集灰箱除去粗顆粒粉塵，經水冷煙道、風力列管式冷卻器降溫、旋風除塵器一級除塵后，通過主風機送入布袋除塵器二級除塵，然后經過外淋式空氣列管冷卻器降溫，再進煤氣柜貯存，或直接送用戶使用。

干法凈化除塵工藝有一定的技術難度，主要是安全防爆和布袋堵塞再生困難等問題，對爐料、礦熱爐密封及正常運行等要求都比較高。目前，干法凈化除塵工藝國外還沒有企業應用，國內應用的企業也不多，但是，這是全封閉型礦熱爐荒煤氣凈化工藝發展方向。

20世紀80年代，湖南某廠率先在9 000 kVA錳硅合金封閉爐試驗干法凈化除塵，90年代從國外引進的30 000 kVA錳硅合金封閉電爐正式應用干法凈化除塵。2010年該廠通過技術改造，將礦熱爐全部改成全封閉型，礦熱爐荒煤氣經過干法凈化除塵后，凈煤氣一部分作錳礦燒結機燒結用，一部分用作煤氣發電，目前正在調試。

四川某廠在2臺25 000 kVA錳硅合金封閉電爐上采用干法凈化除塵工藝，經過不斷改造完善，目前已經做到煤氣全部除塵回收。煤氣含一氧化碳70%～80%，流量3 000 Nm3/h，貯存于2座1萬m3的氣柜中，供1臺Ф1.5m×40m的釩渣焙燒窯使用，或者供1臺Ф1.5m×26m的鈦精礦焙燒窯使用，部分替代了原用的天然氣，經濟效益明顯。

2006年山西某廠新上的9 000 kVA電爐錳鐵封閉爐也采用了干法凈化工藝流程。

4.3 荒煤氣濕法凈化工藝流程

全封閉型礦熱爐荒煤氣濕法凈化典型的工藝流程是：荒煤氣首先通過集灰箱除去粗顆粒粉塵，經霧化冷卻器冷卻后，先進噴淋塔一級除塵，再連續通過文氏管(Ⅰ)、脫水器(Ⅰ)、文氏管(Ⅱ)、脫水器(Ⅱ)二級除塵脫水，最后通過風機，進煤氣柜貯存，或直接送用戶使用。

吉林某廠全封閉型礦熱爐采用這種濕法凈化工藝流程，凈化回收的凈煤氣用于原料預處理和供暖余熱化。廣西2家工廠的4臺12 500 kVA錳硅合金全封閉型礦熱爐也是采用濕法凈化工藝流程，但沒有配置煤氣貯柜，回收的凈煤氣一家用于錳礦盤式燒結機，一家用于回轉窯錳礦預還原。

20世紀60年代以來，國外鐵合金全封閉型礦熱爐荒煤氣凈化工藝流程一直沿用濕法。目前，國內企業采用濕法凈化工藝流程的也多于采用干法的。它的主要特點是快速洗滌易于熄火，在很短時間內使高溫荒煤氣降到飽和溫度，作為消除爆炸因素之一，可實現安全操作。凈化后的煤氣含塵量低于20Mg/Nm3，符合國家標準要求。濕法凈化工藝流程的缺點是污水處理比較復雜。

4.4 荒煤氣先燒鍋爐發電后除塵排放工藝流程

國內某廠曾提出將全封閉型錳硅合金礦熱爐荒煤氣先在燃燒室點火，然后燒煤氣鍋爐發電，廢氣最后再經除塵后排放。這種荒煤氣回收利用工藝流程的優點是既回收了荒煤氣顯熱和燃燒熱，又可以解決荒煤氣爆炸風險。但是，由于荒煤氣中含有K2O、NaO等堿金屬氧化物，熔點比較低，在燃燒過程中容易附著于鍋爐水冷管壁，難以清除造成堵塞，因而該工藝流程最終沒被采用。目前，國內內燃式電石爐回收荒煤氣就有采用先燒鍋爐發電、后除塵凈化排放的工藝流程。因此，全封閉型錳硅合金礦熱爐荒煤氣，先燒鍋爐發電，廢氣最后再經除塵凈化后排放工藝流程應該繼續試驗實踐。

（本欄責任編輯 胡 玨）