礦熱爐煙氣余熱利用的實踐

楊 柳

（中鋼石家莊工程設計研究院有限公司，河北 石家莊 050000）

現階段，工業生產中余熱的損失大約占據了世界總能耗的30%～70%，因此，當務之急是盡快實現節能減排，從中國工業協會調查了解到，礦熱爐是當前我國合金產品生產的主要機械設備，礦熱爐在運行過程中會消耗我國總發電量2%的電能，因此，余熱利用備受關注和重視。因此，本文重點分析了合金生產中礦熱爐煙氣余熱利用技術。

1 礦熱爐煙氣回收利用重要意義

碳質還原劑一般用于生產合金產品，在進行礦熱爐冶煉時，釋放的煙氣中一般都會含有CO,CO2,H2等成分，且爐口煙氣溫度可達到400℃左右，含有大量顯熱。以75%硅鐵礦熱爐為例，煙氣中的大量熱能相當于總能量輸入的50%左右。因此，借助先進技術回收礦熱爐煙氣中的能量，具有非常重要的現實意義，既可以有效減少生產成本，又可以降低煙塵污染。

2 礦熱爐煙氣能源同收利用概況

2.1 國外礦熱爐煙氣能量回收利用發展歷史

瑞典美國艾爾克公司瓦崗廠是最大進行半封閉型礦熱爐煙氣余熱回收利用的企業。此工廠于1958年、1966年、1972年先后完成21000kVA、45000kVA、75000kVA半封閉礦熱爐的回收蒸汽工程。其中，75000kva半封閉型硅鐵電爐余熱鍋爐可日產1000～2000噸293攝氏度的高壓蒸汽，既可以用于發電，又可以為其他周邊工業企業提供熱量。

挪威埃肯公司于1977年在法國敦刻爾克地區的乙炔和電冶金公司設計制造了一臺大型半封閉型礦熱爐，這是一臺可以有效回收余熱的系統，并在1978年正式投入使用，此臺電爐可以通過余熱鍋爐回收煙氣余熱所產生的蒸汽再進行發電，從而減少供電量20%左右。

2.2 我國礦熱爐煙氣能量回收利用的發展

盡管我國礦熱爐煙氣能源回收利用發展起步起晚，但最近幾年已經取得了令人矚目的好成績。在1980年代，湖南一家工程嘗試在硅鐵熱爐上安裝一個水冷壁管，用于余熱回收測試。因為是煙罩敞口爐，硅微粉堵塞水冷壁管等原因，所以無法正常運作。

湖南某冶煉廠在1992年從德國馬克公司花巨資引進了30000kVA的全封閉型錳硅合金電爐，主要用于凈化回收的煙氣，為24m的燒結機燒結錳礦提供能源。

鄂爾多斯電力冶金集團有限公司大型集群式電爐的低溫煙氣余熱資源綜合利用于2008年獲得內蒙古自治區批準。一期工程建設了8臺硅鐵電爐，升級并建造了兩臺9MW發電機組。建設于2009年6月開始，第一臺機組于2010年3月實現并網發電。

3 實際案例分析

吉林某廠擁有規模龐大的合金生產能力，現有25MVA礦熱爐2臺，50MVA礦熱爐1臺，擁有一條完成系統的年產20萬噸錳合金生產線，為了充分利用煙氣中的熱量，公司又先后投入了大量資金，建成12MW余熱發電系統，主要目的是充分利用礦熱爐產生的高溫煙氣完成相應發電。利用余熱發電后，煙氣中的熱量還沒有得到充分利用，還存在一定的余熱。實踐證明，合金冶煉過程中高溫煙氣余熱利用率相對較低，僅為33%；余熱發電完成后，煙氣余熱仍有很大的利用空間和開發利用潛能。因此，為了達到煙氣余熱梯級利用的目的，達到良好的清潔生產、節能減排效果，余熱發電產生的煙氣需要直接利用干燥球團進行相應處理。

4 礦熱爐剩余煙氣利用技術特點

4.1 煙塵的主要來源

由于合金冶煉產品種類繁多，廢氣成分也因原料、工藝、設備的不同而不同。但這些氣體都具有粉塵多、高溫以及熱損失大等共同特點。在生產過程中，一般都會釋放大量的含塵高溫煙氣，究其原因是因為冶煉過程中，都會用到一些還原劑，并在高溫條件下，空氣中的氧與物料中的碳元素發生化學反應，從而產生二氧化碳、一氧化碳等氣體，進而產生含有各種雜質的高溫煙氣。

4.2 煙氣的組成部分

H2O、SO2、CO2、N2等共同組成了礦熱爐煙氣，各主要成分占比一次為2%、0.2%、15%～18%和75%～78%。高溫煙氣經余熱發電處理后，通過熱電偶、畢托管等眾多工具，進而獲得三臺礦熱爐的煙氣溫度和流量的平均值。從測量數據結果我們可以發現，礦熱爐煙氣余熱發電后煙氣溫度能夠達到75℃～125℃之間，煙氣流量很大。一旦排空，必然會浪費大量能源，流失大量熱量。因此，吉林某公司有效改進了此項技術，直接烘干球團處理此部門煙氣，以達到煙氣余熱多階段回收利用的目的。

5 礦熱爐殘余煙氣利用技術原理與過程

5.1 礦熱爐煙氣余熱利用原理

根據生產過程實測數據進行計算，50MVA礦熱爐擁有22×104m3/h的煙氣量，其出口溫度可達45℃，入口溫度高達105℃。經過精確計算，105℃時煙氣熱焓為148.912kJ/m3，45℃時熱焓為67.239kJ/m3。當50MVA礦熱爐用球團干技術，可以有效利用的能量為1.179×106kJ/h，25MVA礦熱爐煙氣量為42×104m3/h，出口溫度45℃，入口溫度可達95℃。結果表明，95℃時煙氣焓為每立方米133.781KJ，45℃時煙氣熱焓每立方米為66.532KJ。25MVA礦熱爐采用球團干燥技術時，可用能量能夠達到1.552×108KJ/h，吉林某公司冶煉爐年總工作時間為24×300=7200h，年有效熱量相當于標準煤（0.338+0.532）×7200=6264t。

系統分析礦熱爐現場數據后，發現濕球團含水率可達12%～16%，并要求干燥后的規定含水量為1%～4%；經過精確計算，吉林某公司現在用的濕球團礦含水率為14%，干球團礦含水率為2.5%。

綜上所述，如果一臺50MVA礦熱爐和兩臺25MVA礦熱爐同時工作，一旦出現超負荷工作，這三臺礦熱爐產生的煙氣可利用余熱相當于標準燃料6264t/a，能夠烘干球團為164842.105噸。

5.2 礦熱爐煙氣余熱發電技術具體工作流程

主要通過連續烘干方式烘干球團，一般5天為一烘干周期，烘干之后，球團經干燥后直接用于礦熱爐，提取烘干球團，準確測定其抗壓強度，并對球團質量進行測試和分析。被烘干的球團擁有很強的抗壓強度值。

礦熱爐煙氣余熱干燥后的球團強度值較高，其平均值都在每平方厘米3510N以上，且球團質量始終處于一個平穩狀態。相對于傳統烘干方式，其強度更好，能夠完全符合合金冶煉工藝對物料要求。

6 影響余熱回收發電的主要因素

6.1 煙氣流量和溫度

礦熱爐生產過程中釋放的煙氣，難以會流失大量熱量，主要因為礦熱爐以間歇式出鐵為主，加料過程也是以間歇操作為主，從而導致煙氣溫度波動較大。此外，礦熱爐冶煉期間，每隔1～2小時產出合金一次，整個過程持續時間能夠達到30分鐘，在此過程中，煙氣流量和溫度都會相應下降，最大溫差能夠達到150℃。此現象隨冶煉時間的變化呈周期性變化，導致煙氣流量和溫度的波動。這種現象給余熱發電系統的穩定運行帶來諸多困難。為了有效解決煙氣流量和溫度變化問題，研究人員通過飽和蒸汽來有效處理影響系統運行的煙氣流量和溫度波動問題。

6.2 鍋爐除塵

在埋弧爐冶煉期間，不可避免產生粉塵，其粉塵表面活性較強。在余熱鍋爐受熱面上，粉塵不僅熱阻高，而且粘附性相對很強。特別是在半封閉式錳硅冶煉爐煙氣中，粉塵濃度高、粉塵粒徑小，會嚴重鍋爐熱效率。甚至堵塞煙氣通道，造成停爐檢修，從而造成嚴重的經濟損失。

6.3 煙道結焦

煙道一旦結焦，必然會縮小煙道口徑，甚至堵塞流通區，造成爐膛壓力升高，從而使煙氣中SO2向外擴散，甚至需要停爐清理煙道和對流區結焦處，無形中又增加了非作業時間，且人工清洗變得極其繁重。為有妥善處理好礦熱爐煙道與余熱鍋爐結焦問題，有效提升鍋爐運行效率，工作人員通過不斷嘗試時間，最終發現通過化學輔助手段能夠有效抑制結焦。通過提高結渣物地熔點，可以達到抑制效果。

7 其他余熱發電后尾氣剩余熱量再利用方案

余熱回收爐可以有效吸收礦熱爐冶煉期間排放出的煙氣，主要是因為由鍋爐具有雙壓蒸汽系統，故排出的煙氣可及時轉化為過熱蒸汽。汽輪機高壓段進入余熱鍋爐高壓蒸汽工作。低壓蒸汽通過低壓端入口進入汽輪機，變壓器與飽和汽輪機的結合大大提高了汽輪機的發電量。煙氣排放系統的煙氣主要來自于余熱鍋爐釋放的300℃煙氣。在經過補汽鍋爐冷卻后產生200℃煙氣，被應用到換熱器中加熱循環水，進而充分發揮預熱、解凍、凈化生活用水的作用。煙氣經布袋式除塵器凈化后排入大氣。蒸汽發生器利用蒸汽發生器的輔助蒸汽發生器來補充蒸汽發生器的水，從而大大提高蒸汽發生器的效率。煙氣余熱可通過系統實現供電供熱熱電聯產，并可回收利用，有利于提高余熱蒸汽的利用效率。

8 結語

綜上所述，余熱發電技術從本質上講，是一種將企業的高品位熱能回收轉化為自用技術的技術。余熱發電后，可以更好地利用煙氣余熱，即將大量廢氣中的高級熱能回收利用，轉化為二次能源，不僅可以降低企業的生產成本，而且還可以實現能源再利用，達到節約資源的目的，使企業取得良好的經濟收益和社會收益。礦熱爐殘余煙氣利用技術是冶金工業實現循環經濟、節能減排和清潔生產的有效手段。