直流電爐安全運行及煤氣回收并網設計

任占譽，華志宇，王 斌

(昆明有色冶金設計研究院股份有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

發展和運行了近百年，水冷爐壁的發展使超高功率、采用長弧操作，提高生產力和電效率成為現實。盡管交流電弧爐采用了如水冷爐蓋、壁，導電橫臂，造泡沫渣和底吹攪拌技術等新技術，但多方改進的交流超高功率電弧爐仍有3個致命弱點：①電弧不穩定，噪聲大，閃爍效應使電網受干擾和過度的爐壁燒損；②熱效率不高，電力傳輸損失大；③石墨電極消耗大，相當于電耗費用的30 %。

全密閉直流電弧爐(以下簡稱DC爐)基于自身的特性，能克服上述弊端，20世紀70年代大功率可控硅整流裝置日趨完善，全密閉直流電弧爐重新獲得發展，越來越多的應用于鐵合金行業、鈦合金行業，已有取代交流電爐的發展趨勢。

全密閉DC爐在爐膛內為垂直導電方式，爐底為陽極，冶煉時不受電阻率的影響，易于實現高電壓長弧冶煉操作，形成開弧冶電弧爐的萌芽階段是采用直流發電機組供電，即直流DC爐，但在19世紀末三相交流電弧爐問世，冶煉過程產生大量高溫煤氣，最高煤氣溫度可達1 800 ℃。為保證DC爐安全運行，爐內一般為微正壓操作。

因煙氣帶走的熱量，包括煙氣顯熱、煤氣的化學能，相當于輸入爐內電能轉化的熱量，因此，充分進行DC爐余熱回收，是電弧爐生產降耗的重要措施之一。如將煤氣顯熱回收，加之煤氣燃燒鍋爐，可實現回收輸入電能的40 %～50 %的能源。

1 直流DC爐微正壓及煤氣回收現狀及難點

1.1 國內外已有工藝

我國有色冶煉行業和鐵合金行業，2010年前建設的項目大多使用敞開式或半密閉三相交流電爐進行硅鐵、錳鐵、鈦鐵的冶煉生產。近年，已有部分企業新建了全密閉交流電爐。2009年，云南由德國DEAKE公司引進1臺30 MVA高鈦渣直流電爐，系目前國內唯一1臺應用于高鈦渣生產的全密閉直流電爐。至2016年統計數據，國內已有1 300余臺交流電爐，全密閉交流電爐已有100余臺。

在我國鋼鐵冶金行業，鑒于DC爐的優勢，目前廢鋼冶煉生產目前已經基本全部使用直流DC爐進行冶煉，全面淘汰了三相交流電爐技術。

無論是全密閉交流電爐還是DC爐，為防止空氣進入爐內，爐子的操作均為微正壓操作，壓力+20～+400 Pa。目前大多使用密閉礦熱爐內的壓力變送器與荒爐氣加壓風機連鎖工藝，根據爐內壓力隨時調整風機轉數以保證爐內微正壓環境。為保證運行安全，亦有使用電加熱后的氮氣充入電爐氮氣密封系統和煤氣冷卻系統。

鋼鐵企業一般使用轉爐煉鋼配套的空分空壓裝置生產的氮氣，較為經濟。

有色冶金企業大多單獨設置變壓吸附裝置，生產的氮氣專用于電爐充氮密封和干式除塵設備反吹使用。

因密閉電爐的生產特性，在加入礦料和還原劑同時，會混入少量空氣，加之煤氣冷凝、除塵過程，均為負壓操作，亦會混入少量空氣。按照實際生產監測數據看，礦熱爐煤氣氧含量普遍在0.5～3.5之間波動，具有較大的危險性。

廣西的2座12 500 kVA硅錳密閉交流爐進行煤氣回收，未設置煤氣柜調壓和安保設施，煤氣用于燒結錳礦，已發生數次煤氣爆震事故。為確保煤氣管網安全，四川的2臺25 000 KVA硅錳密閉交流爐產生的煤氣(3 000 Nm3/h)分別存儲于2臺10 000 m3的煤氣柜當中，煤氣柜保持在2 000～5 000 m3柜容運行。2006年山西的1臺30 000 kVA錳鐵封閉電爐配置了1臺20 000 m3的干式煤氣柜，同樣，煤氣柜保持在低位運行。

1.2 DC爐微正壓操作煤氣安全回流及煤氣回收并網的難點

DC爐因自身生產特點，煤氣出口溫度高達1 800 ℃，僅在DC爐出渣出鐵時會降低用電負荷，煤氣溫度有所降低。在煤氣冷卻降溫過程，煤氣體積收縮及其容易引起DC爐內產生負壓。

目前，國內鋼鐵企業DC爐普遍使用爐內壓力變送器與荒爐氣加壓風機連鎖+濕法除塵+氮氣安保工藝，因鋼鐵企業N2富裕，加之全廠污水體量巨大，環保問題較為突出。

目前國內外的大多有色冶金企業，在交流電爐上依然使用煤氣濕法除塵，以縮短煙氣冷卻水套長度，使爐內壓力變送器與荒爐氣加壓風機連鎖工藝可安全運行。

攀鋼25 MVA鈦渣交流電爐、龍佰焦作2×30 MVA鈦渣交流電爐使用了高溫YT膜干法除塵器進行干法收塵，但煤氣降溫幅度僅為400 ℃左右，煤氣體積收縮僅30 %，使用變頻調速引風機+氮氣安保基本可以滿足安全生產需要。其中，攀鋼電爐為單爐運行，單獨設置20 000 m3煤氣儲氣柜1臺；龍佰焦作2×30 MVA鈦渣交流電爐未設置煤氣柜，未進行煤氣并網運行，均單獨向16 t鍋爐供氣。

武定新立公司的30 MVA高鈦渣直流電爐，目前仍然使用了爐內壓力變送器與荒爐氣加壓風機連鎖+濕法除塵+氮氣安保工藝，擬新建設的干法收塵設施仍然在建設當中。

配套煤氣干法降溫、凈化的DC爐微正壓操作、煤氣回收并網系統設計具有以下難點：

(1)因DC爐煤氣出口溫度達1 800 ℃，需冷卻至450 ℃，方可滿足干法除塵工藝要求，煤氣體積收縮比達到2.87，遠大于交流爐煤氣體積收縮比(1.62)。

交流爐微正壓操作工藝僅需爐內壓力與凈煤氣引風機連鎖+氮氣安保即可，但對DC爐而言，則必須以煤氣回流為微正壓安保主氣源，輔助以氮氣安保。

(2)因DC爐煤氣體積收縮比極大，需回流充入的煤氣體量亦較大，為保證進入干法除塵器的煤氣溫度不低于370 ℃，故，必須對回流煤氣進行加熱，回流煤氣加熱功率需達600 kW以上，如使用電加熱器，則極為不經濟。

(3)因DC爐原料加入期間，和煤氣冷卻系統負壓操作，引起空氣的進入，必須設置氧含量分析儀，安全放散設施，系統設置較為復雜。

(4)按照交流爐的生產經驗進行比對，因DC爐煤氣冷卻系統較交流爐為龐大復雜，預計煤氣氧含量超過2 %的運行時間遠較交流爐為多，同時與目前已經成熟的煉鋼轉爐煤氣回收已有極大的差別，如何安全提高煤氣回收率是設計的又一難點。

(5)1期2臺DC爐運行，2期3臺DC爐運行，需要有可靠的措施防止煤氣柜及管網的煤氣倒流至風機處于低轉速運行的DC爐內。

(6)為保證DC爐微正壓操作，目前武定電爐安全回流系統使用電加熱氮氣系統進行，成本高、電耗大，且降低了煤氣熱值，氮氣亦占用了煤氣系統運行空間。

(7)DC爐煤氣干法冷卻、凈化回收系統設計，在國內尚屬首次，就DC爐操作系統設計，多爐運行煤氣并網，在國內亦無借鑒。

2 爐內微正壓操作煤氣回流系統設計

DC爐微正壓操作煤氣回流系統、煤氣回收及多爐運行并網工藝較為復雜，結合煤氣冷卻、凈化裝置進行設計。

DC爐內在爐蓋和爐壁接合部位，設置氮氣密封裝置，防止空氣進入，并在爐內設置壓力變送器，與荒煤氣放散調壓組及凈煤氣引風機連鎖。為保證DC爐安全生產，微正壓設置在+20～+200 Pa。

1 800 ℃的煙氣先行進入高溫水冷煙道的入口段及上升段，到達人字三通段時，溫度降至1 085～1 200 ℃，體積收縮比1.52。

在荒煤氣總管上設有放散管及荒煤氣放散調壓閥組，當荒煤氣溫度超過1 875 ℃時(即超過冷卻控制范圍時)，或氧含量>2.0 %時，關閉重力除塵器進口閥，將荒煤氣放散，放散時通過調壓閥組控制爐頂壓力，使爐可以維持正常生產(此時，DC爐氮氣密封應開至最大，凈煤氣引風機降至低轉速運行)。

國內目前氧含量在線分析儀最高使用溫度達1 200 ℃，故此，在人字三通位置設置氧含量激光在線分析儀1臺，用于檢測DC爐內氧含量。

荒煤氣進入下降管后，以900 ℃的溫度進入重力除塵器，熔融狀的粉塵凝固主要在重力除塵器內部，約有30 %的粗粉塵沉降。經預除塵的煤氣以370～500 ℃的溫度進入高溫精細除塵器內。此階段體積收縮比2.188。

高溫精細除塵器因結構特點，阻力較大，壓力損失一般在2～4 kPa。當過濾元件進行反噴吹后，阻力較大，瞬間導致精細除塵進口負壓提高，此時不能單純依靠變頻電機調整風機流量及出口壓力，必須輔助以如煤氣回流或氮氣充入措施，避免破壞爐內微正壓氛圍。

按照熱場的物理模型和理論計算，由DC爐煙氣出口的微正壓(+20～+200 Pa)，到重力除塵器煤氣出口，形成-2 000～-3 000 Pa的負壓；到高溫精細除塵器出口，形成約-7 000 PA的負壓。煤氣回流或氮氣充入入口宜設置2處，1處在重力除塵器入口，1處設置在高溫精細除塵器入口，同時，設置風機進出口回流閥，可有效消除煤氣冷卻、凈化系統運行對DC爐微正壓操作的影響。

期間，因工況的變化、荒煤氣的放散、高溫精細除塵器反噴吹引起系統壓力波動、煤氣引風機變頻調速等因素，極易破壞DC爐內微正壓的氛圍，需400～750 Nm3/h氮氣或煤氣充入，來維持爐內微正壓的氛圍。

按照相關鋼鐵廠直流煉鋼電爐、使用干法除塵設施的鈦渣交流爐的運行經驗：

(1)當荒煤氣放散時，爐體氮氣密封充氣閥與放散閥同步開啟至最大開度；爐內微正壓下降至+50 Pa時，放散調壓閥組關閉10 %。

(2)根據高鈦渣DC爐煤氣的成分含量計算，DC爐煤氣氧含量達到體積比的6.2 %，即達到爆炸極限的下限，本系統按爆炸極限的下限值得40 %進行放散條件設置，即煤氣當中的氧含量達到2.48 %即進行緊急放散。

(3)該系統設置為新型膜式壁水冷煙道，較汽化冷卻煙道具有更高的安全性，故此將荒煤氣放散溫度設置為1 875 ℃，減少了30 %的荒煤氣放散可能性。

(4)煤氣回流和氮氣充入并列設置，從運行經濟角度出發，宜在精細除塵器與煤氣一級冷凝器之間設置煤氣換熱器，使用加熱后的煤氣回流為主，避免提高DC爐電耗。

(5)當系統正常運行時，爐內微正壓下降至+50 Pa時，則開啟重力除塵器入口煤氣回流閥(DN150，工作壓力0.05 MPa)，同時開啟風機進出口回流閥，直至全開。

(6)當系統正常運行時，爐內微正壓持續下降至+35 Pa時，凈煤氣引風機轉速下調1檔，同時，精細除塵器入口煤氣回流閥開啟。

(7)如爐內微正壓持續下降至+20 Pa時，同時，系統備用氮氣回流閥全開。

3 煤氣回收及多爐運行并網系統設計

3.1 煤氣回收系統

DC爐煤氣回收系統設計參照鋼鐵企業轉爐煤氣回收設備進行，其中，三通切換閥技術、放散燃燒塔均按轉爐煤氣回收設備標準進行。但因轉爐系統吹氧間斷冶煉，間斷產生煤氣，DC爐為連續生產，煤氣特性指標變化不大，故此，兩者相比，煤氣產生機理不同，凈化、冷卻運行狀態也不同，故此煤氣回收設計有較大的差別。

每臺DC爐煤氣回收系統均設置有氧含量在線分析儀、三通切換閥、設置在風機出口的高溫逆止閥、系統煤氣出口“U”型水封和放散燃燒塔。

煤氣回收并網系統使用PLC自動控制系統。

氧含量分析儀設置在一級煤氣冷凝器進口，當煤氣中的氧含量>2 %時，設置在凈煤氣引風機出口端的三通切換閥放散側打開，進行煤氣放散，同時，三通切換閥回收側關閉；此時，因回收側管道內內失去壓力，煤氣逆止閥靠重力關閉。當氧含量<2 %時，三通切換閥回收側打開，進行煤氣回收，同時，三通切換閥放散側關閉；此時，煤氣逆止閥的均壓閥打開，煤氣逆止閥兩側壓力一致，均壓閥閥芯被煤氣頂開，煤氣外送。

三通切換閥可實現2個閥芯同步動作，宜選用氣動執行機構，三通切換閥每次切換的運轉時間需要和煤氣流速相關聯，后確定切換閥和氧含量分析儀的距離。此處，煤氣最大發生量11 000 m3/h，二者之間的煤氣容積24.8 m3，煤氣流動時間約8 s。選用三通切換閥口徑DN500，運行時間7 s。

系統的放散燃燒塔使用三煙道放散燃燒塔，即3臺DC爐各用一個放散燃燒裝置，互不干擾，便于煤氣并網運行。

每臺電爐煤氣回收系統末端設置“U”型水封1臺，用于將每臺電爐系統與管網安全隔斷，水封高度H=3 000 mm。

3.2 多爐運行并網系統設計

鋼鐵企業轉爐大多為2～3臺轉爐同期生產，階段性產生煤氣。其生產主要流程為裝料→吹氧冶煉→出鋼3個階段，吹氧冶煉階段產生煤氣，冶煉初期和末期生產的煤氣含氧量超標，大多進行放散，合格煤氣經回收站后并入管網，進入煤氣柜。

有色冶金DC爐連續生產，其煤氣特性具有時間較長的穩定性，如煤氣當中的SO2和使用的無煙煤或焦炭相關聯，尤其是O2和爐頂裝料裝置的進料方式、煤氣系統的嚴密性相關聯，其含量會在較長時間穩定在一個數值。

DC爐煤氣冷卻、除塵系統因爐內必須保證微正壓因素，整個系統設置復雜、儀表設施靈敏，極易受到外界因素干擾而影響DC爐安全生產，故在雙爐、三爐或多爐生產當中，煤氣并網不得產生相互干擾，以及不得發生煤氣柜內煤氣回流至DC爐事故。

轉爐煤氣并網系統設置有水封逆止閥，通過水封安全防止外部煤氣倒流回轉爐內部。但在DC爐干法冷卻回收凈化系統當中，因煤氣的操作溫度、水封逆止閥開啟關閉的速度與時間，水封閥無法使用，設置了新型耐高溫煤氣逆止閥，確保DC爐煤氣系統不互相干擾。該閥工作溫度>200 ℃，關閉時間<3 s。

目前，國內并無對煤氣氧含量上限進行明確規定，《工業企業煤氣安全操作規程》(GB 6222—2005)針對電捕焦油器和電除塵的氧含量進行了明確，當煤氣氧含量達到1 %，必須切斷電源。國內較多擁有大型煤氣管網系統的鋼鐵企業現基本按煤氣氧含量<2 %進行煤氣的嚴格安全管理，但依然有煤氣爆燃及爆炸事故產生，如2015年廣西某鋼8 m3轉爐煤氣柜爆燃事故和2019年云南曲靖某化工廠炭黑煤氣管道爆燃事故。

事實上，煤氣在管道內部及其容易形成層流，并且混入煤氣的氧氣均為團狀混合氣體，其體積比已經大于爆炸極限，需將其沖擊打散并混均，是防止煤氣管道事故的有力措施之一。

煤氣柜在管網當中，是消化和吸收煤氣管道內部爆燃沖擊波的重要設施，同時也是均衡煤氣管網壓力的有力手段，在DC爐系統當中，可避免DC爐和DC爐煤氣操作壓力變化的影響。

該系統的設計主要考慮：①在每臺DC爐煤氣并入點前設置煤氣混均裝置，使煤氣內成分較為均勻，尤其是氧氣成分，體積比遠遠小于其爆炸極限；②快關氣動蝶閥，確保在凈煤氣引風機進入低轉速運行同時關閉該蝶閥，避免外部煤氣壓力變化影響DC爐的微正壓操作；③在煤氣管網內設置煤氣儲氣柜，作為煤氣搬峰填谷，調節管網壓力，吸納管網煤氣爆燃沖擊波的關鍵設備。

4 結 語

按照國內已有直流煉鋼電爐+濕法除塵系統、交流鈦渣電爐+干法除塵系統、煉鋼轉爐+濕法除塵系統的實際設計及運行效果看，該項目綜合了以上設施的設計，并根據高鈦渣DC爐煤氣的特性設計了DC爐微正壓操作煤氣安全回流系統及煤氣回收并網系統，具有可靠性高、安全性高、運行穩定的特點，因采用了煤氣回流，在能耗上低于高鈦渣交流爐的氮氣回流設計，同時，此技術可應用于硅鐵、高鉻鐵密閉DC爐的冶煉工藝上，具有較高的推廣價值。