一、研究的背景與問(wèn)題
在應(yīng)對(duì)全球氣候變化、推進(jìn)節(jié)能減排的宏觀背景下，工業(yè)領(lǐng)域的能源高效利用與綠色低碳轉(zhuǎn)型已成為必然趨勢(shì)。鋼鐵行業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，既是能源消耗大戶，也是碳排放重點(diǎn)領(lǐng)域，其可持續(xù)發(fā)展備受關(guān)注。
電爐煉鋼作為鋼鐵生產(chǎn)的重要工藝，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量高溫?zé)煔?，蘊(yùn)含巨大的熱量。若不能有效回收利用，不僅會(huì)造成能源浪費(fèi)，還會(huì)加劇環(huán)境負(fù)擔(dān)。因此，研發(fā)應(yīng)用高效的電爐煙氣余熱回收技術(shù)，對(duì)鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗、減少排放、提升經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
1、電爐煙氣的特點(diǎn)
（1）煙氣流量與溫度同步耦合變化
電爐煙氣溫度和流量呈周期性變化，且二者變化趨勢(shì)正相關(guān)，即吹煉期煙氣溫度高，流量大，裝料和出鋼期煙氣溫度低，流量小。這種煙氣溫度和流量的同步劇烈波動(dòng)要求余熱鍋爐具備寬負(fù)荷自適應(yīng)能力，避免熱應(yīng)力損傷。
（2）煙氣粉塵濃度高且成分復(fù)雜
電爐煙氣含大量粉塵，主要包括金屬氧化物（如FeO、MnO）、焦炭顆粒、爐渣微粒等，粉塵濃度達(dá)10～30g/Nm3，粒徑分布在 0～30μm范圍內(nèi)，易在換熱器表面積灰板結(jié)，影響傳熱效率；同時(shí)硬質(zhì)顆粒隨高速煙氣流動(dòng)，對(duì)設(shè)備（如管道、換熱器管束）造成沖刷磨損，縮短設(shè)備壽命。因此電爐余熱回收裝置必須充分考慮防積灰、防磨損問(wèn)題。
（3）煙氣具有一定的腐蝕性
受原料成分影響，電爐煙氣含有微量的二氧化硫、氯化氫、氟化氫、氮氧化物等酸性氣體。當(dāng)煙氣溫度降至露點(diǎn)以下時(shí)，這些酸性氣體與水分結(jié)合，會(huì)對(duì)換熱設(shè)備造成腐蝕。因此余熱回收設(shè)備需選用耐腐蝕材料或控制壁溫避開(kāi)腐蝕區(qū)間。
2、電爐余熱回收系統(tǒng)存在問(wèn)題
永鋼集團(tuán)100t電爐配套煙氣余熱回收系統(tǒng)和內(nèi)排除塵系統(tǒng)。電爐冶煉煙氣經(jīng)爐蓋四孔、水冷滑套、水冷煙道、汽化煙道、沉降室、汽化煙道、余熱鍋爐冷卻降溫后進(jìn)入布袋除塵器，凈化后經(jīng)煙囪排入大氣。
近年來(lái)隨著電爐生產(chǎn)工藝的調(diào)整，鐵水比和冶煉強(qiáng)度大幅提升，原有電爐余熱回收系統(tǒng)已無(wú)法滿足當(dāng)前的生產(chǎn)節(jié)奏和余熱回收需求，主要問(wèn)題如下：
（1）設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際工況不匹配
①原始設(shè)計(jì)參數(shù)
余熱回收系統(tǒng)原始設(shè)計(jì)參數(shù)如下表：
②當(dāng)前實(shí)際煙氣條件。隨著電爐生產(chǎn)工藝調(diào)整，冶煉強(qiáng)度和鐵水比提升，電爐煙氣量大幅增加，理論計(jì)算過(guò)程如下：
a.爐氣量。已知電爐最大出鋼量為107t，最大脫碳速度為0.25%/min。故電爐冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的CO最大量： V1=60×107000×0.0025÷12×22.4=29960Nm3/h 。每Nm3CO理論燃燒所需空氣量約2.38Nm3，理論煙氣量為3.1Nm3。為保證完全燃燒，取空氣過(guò)剩系數(shù)1.45，則每Nm3CO燃燒實(shí)際產(chǎn)生爐氣量為3.1+2.38×（1.45-1）=4.17m3?？偁t氣量為V爐=4.17V1=4.17×29960 ≈125000Nm3/h 。
b.混風(fēng)量。考慮電爐爐口與水冷滑套間隙、爐體本身漏風(fēng)、沉降室漏風(fēng)等因素，沉降室出口煙氣溫度約800℃，取爐內(nèi)煙氣溫度1300℃，混冷風(fēng)溫度30℃，根據(jù)熱量平衡，混風(fēng)量為V混≈101000Nm3/h 。
c.內(nèi)排總煙氣量。V總=V爐+V混=125000+101000=226000Nm3/h。按照理論測(cè)算值，在當(dāng)前鐵水比冶煉模式下，實(shí)際電爐內(nèi)排煙氣量遠(yuǎn)超原始設(shè)計(jì)工況。受電爐煙氣實(shí)際參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)偏離影響，原有余熱回收系統(tǒng)無(wú)法適應(yīng)煙氣量變化，系統(tǒng)長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行，大量余熱資源未被有效回收。
（2）設(shè)備運(yùn)行故障頻發(fā)
余熱回收系統(tǒng)長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行引發(fā)多重問(wèn)題，主要包括：①系統(tǒng)運(yùn)行阻力偏高，余熱鍋爐進(jìn)出口壓差達(dá)3500Pa，常規(guī)鍋爐僅800～1000Pa，不僅增加除塵風(fēng)機(jī)能耗，還影響除塵效果。②排煙溫度偏高，長(zhǎng)期維持在260℃以上，大量的熱量隨著煙氣直接排放到大氣中，影響了余熱回收效率。③鍋爐換熱管束頻繁爆管，導(dǎo)致維修成本與停產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)上升。④鍋爐耐材脫落、外墻燒穿等問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，威脅設(shè)備安全與生產(chǎn)連續(xù)性。
（3）環(huán)境污染隱患加劇
原有電爐除塵采用內(nèi)、外排混合除塵工藝，主要通過(guò)閥門(mén)調(diào)節(jié)內(nèi)外排風(fēng)量。該方式不僅增加了除塵系統(tǒng)阻力，同時(shí)爐口負(fù)壓控制難度大，電爐加料時(shí)煙氣難以有效捕集，影響車間崗位環(huán)境。
二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案
針對(duì)上述諸多問(wèn)題，永鋼集團(tuán)從設(shè)備能力提升、運(yùn)行模式優(yōu)化及現(xiàn)場(chǎng)管理改善三個(gè)關(guān)鍵方面入手，開(kāi)展了系統(tǒng)的全面優(yōu)化工作，旨在提高電爐煙氣余熱回收效率，保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，降低能耗和環(huán)境污染。
（一）設(shè)備能力提升
為提升電爐生產(chǎn)穩(wěn)定性并改善余熱回收效果，永鋼集團(tuán)對(duì)現(xiàn)有余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造，包括汽化冷卻煙道擴(kuò)容，新增一套急冷余熱鍋爐（處理煙氣量15萬(wàn)Nm3/h）。兩臺(tái)鍋爐采用并聯(lián)方式，既可單獨(dú)使用，也可共同使用，合并處理風(fēng)量25萬(wàn)Nm3/h，可滿足電爐生產(chǎn)要求。
1.汽化冷卻煙道改造
(1)改造前狀況。原有的汽化冷卻煙道直徑為DN2400mm，受熱面積約158㎡，面對(duì)大幅增加的煙氣量，其處理能力明顯不足，無(wú)法對(duì)高溫?zé)煔鉄崃窟M(jìn)行充分回收，影響了余熱回收系統(tǒng)的整體效率。煙氣流程如下圖：
(2)改造措施。對(duì)汽化冷卻煙道進(jìn)行全面升級(jí)改造，采用了創(chuàng)新性的“一進(jìn)二出”三通結(jié)構(gòu)。沉降室出口直徑擴(kuò)大至DN3200，然后分支為DN2600和DN2000的兩個(gè)分支煙道，分別連接新建余熱鍋爐和原有余熱鍋爐，汽化冷卻煙道受熱面積增加至331㎡，換熱能力大幅提升。煙氣流程如下圖：
改造后汽化煙道設(shè)計(jì)入口煙氣溫度1000℃，采用強(qiáng)制循環(huán)，循環(huán)管路與新建鍋筒連接，現(xiàn)有鍋筒循環(huán)水、蒸汽管路與新鍋筒之間增加閥門(mén)，具備切換使用功能。
2.余熱鍋爐改造
(1)保留原有鍋爐。對(duì)現(xiàn)有設(shè)備工況進(jìn)行評(píng)估后，決定保留原有余熱鍋爐。該鍋爐設(shè)計(jì)處理風(fēng)量為10萬(wàn)Nm3/h，雖然在當(dāng)前高煙氣量工況下處理能力不足，但在系統(tǒng)優(yōu)化后，仍可與新建鍋爐協(xié)同工作，發(fā)揮一定的余熱回收作用，同時(shí)也降低了設(shè)備改造成本。
(2)新建余熱鍋爐。在原有余熱鍋爐北側(cè)布置一套新的急冷余熱鍋爐，主要技術(shù)參數(shù)如下：
最大蒸發(fā)量：≥25t/h
最大工作壓力：2.45MPa（汽包）
工作溫度：飽和
進(jìn)口煙氣量：15萬(wàn)Nm3/h
進(jìn)口煙氣溫度：800℃
出口煙氣溫度：≤200℃
新鍋爐采用臥式布置，換熱組件選用光管膜式壁，具有良好的換熱性能和抗磨損性能。高溫?zé)煔鈴膫?cè)面沖刷受熱面，先經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器初步降溫，再進(jìn)入省煤器進(jìn)一步回收余熱，最終降溫至200℃后的煙氣進(jìn)入除塵系統(tǒng)進(jìn)行凈化處理。
改造后汽化冷卻煙道和余熱鍋爐的換熱能力大幅增加，同時(shí)降低了系統(tǒng)阻損和排煙溫度，可實(shí)現(xiàn)余熱資源的充分利用。
（二）運(yùn)行模式優(yōu)化
1.內(nèi)、外排煙氣除塵系統(tǒng)分離
為了進(jìn)一步提高除塵系統(tǒng)運(yùn)行效率和余熱回收效果，對(duì)原有內(nèi)、外排煙氣混合除塵系統(tǒng)進(jìn)行改造，新增一套獨(dú)立的內(nèi)排除塵系統(tǒng)，通過(guò)風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)，可以更加精準(zhǔn)地控制內(nèi)排煙氣處理量，減少冷風(fēng)混入，提高煙氣溫度，從而提升余熱回收量。
2.除塵風(fēng)機(jī)頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)
在系統(tǒng)投運(yùn)初期，內(nèi)排除塵風(fēng)機(jī)按40Hz定頻運(yùn)行，大量冷風(fēng)混入高溫?zé)煔庵校瑢?dǎo)致產(chǎn)汽量嚴(yán)重不足。經(jīng)過(guò)深入研究和調(diào)試，對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式進(jìn)行優(yōu)化，在加料期和出鋼期，煙氣量較小且溫度較低，風(fēng)機(jī)降頻至10HZ運(yùn)行，減少冷風(fēng)混入；在冶煉期，煙氣量和溫度較高，風(fēng)機(jī)升頻至27HZ運(yùn)行，確保電爐高溫?zé)煔獾玫接行幚怼＿@種自動(dòng)調(diào)頻控制策略不僅降低了除塵風(fēng)機(jī)電耗，還顯著提高了煙氣溫度，為余熱回收創(chuàng)造了有利條件。
內(nèi)排除塵風(fēng)機(jī)自動(dòng)調(diào)頻設(shè)定如下：
（三）現(xiàn)場(chǎng)管理改善
1.內(nèi)漏問(wèn)題排查與解決
對(duì)整個(gè)余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了全面細(xì)致的內(nèi)漏排查，對(duì)汽化冷卻煙道內(nèi)漏、鍋爐排污閥、緊急放水閥關(guān)閉不嚴(yán)等問(wèn)題進(jìn)行整改，確保系統(tǒng)的密封性，減少內(nèi)漏熱損失。整改后鍋爐汽水比從原來(lái)的0.64提升至0.83，大大提高了余熱回收系統(tǒng)的運(yùn)行效率。
2.建立設(shè)備維護(hù)與巡檢制度
為了確保余熱回收系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，建立了完善的設(shè)備維護(hù)與巡檢制度。安排專業(yè)技術(shù)人員定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面檢查和維護(hù)，確保設(shè)備始終處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)與巡檢管理，有效降低了設(shè)備故障率，提高了生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
（一）煙氣系統(tǒng)與鍋爐結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)
1.“一進(jìn)二出”汽化煙道分流優(yōu)化
相較于傳統(tǒng)單煙道設(shè)計(jì)，采用了創(chuàng)新的三通式“一進(jìn)二出”汽化煙道結(jié)構(gòu)，通過(guò)煙氣閥門(mén)智能控制，可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求和鍋爐運(yùn)行狀況，靈活調(diào)整進(jìn)入兩臺(tái)鍋爐的煙氣流量，確保系統(tǒng)在不同工況下都能保持高效運(yùn)行。
通過(guò)煙氣閥門(mén)控制，可實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)鍋爐并聯(lián)/切換運(yùn)行。當(dāng)某臺(tái)鍋爐需要進(jìn)行維護(hù)檢修時(shí)，可通過(guò)閥門(mén)將煙氣全部切換至另一臺(tái)鍋爐，避免因鍋爐檢修而導(dǎo)致電爐停產(chǎn)，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和靈活性，為余熱回收系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。
2.雙壓鍋爐的梯級(jí)能量利用架構(gòu)
新建余熱鍋爐創(chuàng)新采用中壓（2.45MPa）與低壓（0.3MPa）雙壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。中壓蒸汽主要外供至蓄熱器，為其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供高品位能源；低壓蒸汽則用于系統(tǒng)內(nèi)的除氧工藝，滿足系統(tǒng)自身的用能需求。這種雙壓鍋爐梯級(jí)能量利用架構(gòu)突破了傳統(tǒng)單壓鍋爐的效率瓶頸，顯著提高了余熱回收系統(tǒng)的能源利用效率，為企業(yè)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
3.低干擾改造模式
在本次技術(shù)改造中，充分考慮了改造過(guò)程對(duì)生產(chǎn)的影響，采用了保留原有鍋爐并新增并聯(lián)鍋爐的低干擾改造模式。這種改造模式避免了對(duì)原有系統(tǒng)的大規(guī)模拆除和重建，極大地縮短了改造周期，減少了因停產(chǎn)改造而帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，通過(guò)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型，實(shí)現(xiàn)了新老設(shè)備的協(xié)同工作，在不影響生產(chǎn)的前提下，成功提升了系統(tǒng)的整體性能和余熱回收能力，為鋼鐵企業(yè)在進(jìn)行技術(shù)改造時(shí)提供了一種可借鑒的新思路。
（二）高效換熱技術(shù)的突破
1.全溫域煙氣熱量捕獲系統(tǒng)
針對(duì)電爐煙氣溫度周期性波動(dòng)的特點(diǎn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)“中壓蒸發(fā)器→省煤器→低壓蒸發(fā)器”三級(jí)換熱流程。中壓蒸發(fā)器換熱面積達(dá)3200㎡，是蒸汽回收的主要換熱設(shè)備；省煤器對(duì)中壓汽包補(bǔ)水進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)煙氣進(jìn)一步冷卻；利用低壓蒸發(fā)器控制排煙溫度在酸露點(diǎn)以上，200℃以下，確保鍋爐換熱器和布袋除塵器安全穩(wěn)定運(yùn)行。三級(jí)換熱協(xié)同實(shí)現(xiàn)全溫域熱量回收，較傳統(tǒng)單級(jí)換熱系統(tǒng)效率提升30%以上。
2.激波清灰智能化應(yīng)用
配備30點(diǎn)激波清灰裝置，通過(guò) PLC 系統(tǒng)按設(shè)定周期自動(dòng)運(yùn)行。利用空氣與可燃?xì)饣旌宵c(diǎn)火產(chǎn)生的沖擊波，結(jié)合高聲強(qiáng)震蕩與熱清洗作用，能夠快速、有效的清除換熱面積灰。與傳統(tǒng)的機(jī)械清灰方式相比，激波清灰智能化應(yīng)用大大減少了人工干預(yù)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)確保了換熱管表面積灰始終保持在≤3mm的較低水平，避免積灰導(dǎo)致的換熱效率衰減。
3.換熱管束耐磨損設(shè)計(jì)
考慮到電爐煙氣中含有大量的粉塵，對(duì)換熱管束具有較強(qiáng)的沖刷作用，在前三排換熱管上采用了特殊的耐熱鋼防磨保護(hù)措施。這種耐熱鋼材料具有優(yōu)異的耐磨性能和耐高溫性能，能夠有效抵御高含塵煙氣的長(zhǎng)期沖刷，顯著延長(zhǎng)換熱管束的使用壽命，降低設(shè)備維護(hù)和檢修成本，保障了余熱回收系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
（三）智能控制與自動(dòng)化運(yùn)維的創(chuàng)新
1.PLC全閉環(huán)控制系統(tǒng)
采用西門(mén)子S7-1500PLC系統(tǒng)，集成56點(diǎn)隔離器、工業(yè)以太網(wǎng)模塊及上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)汽包水位、壓力、蒸汽流量等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過(guò)鍋爐給水泵自動(dòng)調(diào)頻，適應(yīng)負(fù)荷波動(dòng)。通過(guò)與除塵主控室的數(shù)據(jù)互通，實(shí)現(xiàn)余熱鍋爐與除塵系統(tǒng)的協(xié)同控制。系統(tǒng)預(yù)留15%I/O點(diǎn)冗余，支持未來(lái)全廠智能網(wǎng)絡(luò)接入，為系統(tǒng)的擴(kuò)展和優(yōu)化提供了便利條件。
2.全自動(dòng)卸灰與儲(chǔ)灰聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)
設(shè)計(jì)了一套高效的“灰斗→星型卸灰閥→刮板輸灰機(jī)→斗式提升機(jī)→儲(chǔ)灰倉(cāng)”全自動(dòng)卸灰與儲(chǔ)灰聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)PLC 控制實(shí)現(xiàn)定時(shí)自動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)儲(chǔ)灰倉(cāng)內(nèi)的灰量達(dá)到設(shè)定上限時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)停止卸灰操作，避免了灰倉(cāng)滿溢的風(fēng)險(xiǎn)。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化運(yùn)行，大大減少了人工參與，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)有效避免了溢灰導(dǎo)致的二次污染，提高了生產(chǎn)環(huán)境的清潔度和安全性。
（四）除塵系統(tǒng)運(yùn)行模式優(yōu)化
通過(guò)將內(nèi)、外排除塵系統(tǒng)分離，并采用不同冶煉階段風(fēng)機(jī)自動(dòng)調(diào)頻的運(yùn)行策略，不僅減少了高溫?zé)煔饣烊肜滹L(fēng)量，提高了煙氣溫度，還顯著降低了內(nèi)排除塵系統(tǒng)的電耗。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，內(nèi)排除塵系統(tǒng)運(yùn)行模式優(yōu)化后，噸鋼除塵電耗最大降幅達(dá)到了76%，創(chuàng)造了良好的節(jié)能效益。
四、應(yīng)用情況與效果
1.蒸汽回收量提升
2024年3月份，新增電爐余熱鍋爐開(kāi)始投用，至6月份系統(tǒng)調(diào)試基本結(jié)束。改造前2023年1-12月的噸鋼蒸汽回收量和改造后2024年7月-2025年6月的噸鋼蒸汽回收量逐月數(shù)據(jù)對(duì)比如下：
改造前后，電爐噸鋼蒸汽回收量平均值從128.3kg/t提升至150.2kg/t，提升比例約17%。其中2024年10月份噸鋼蒸汽回收量最高達(dá)160.5kg/t，提升比例約25%。
2.內(nèi)排除塵電耗下降
2024年3月份，與電爐余熱配套的內(nèi)排除塵系統(tǒng)開(kāi)始投用，內(nèi)排除塵風(fēng)機(jī)頻率根據(jù)不同冶煉階段的風(fēng)量需求逐步優(yōu)化，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)，除塵電耗也隨之降低。2024年3月-2025年6月，內(nèi)排除塵電耗數(shù)據(jù)如下：
通過(guò)風(fēng)機(jī)頻率優(yōu)化，內(nèi)排除塵噸鋼電耗從最高8.53kWh/t逐步下降至最低2.05kWh/t，最大降幅約76%。
信息來(lái)源：江蘇永鋼集團(tuán)有限公司
