电炉钢厂余热回收系统_林立恒

世界金属导报/2011年/3月/29日/第023版

低碳技术

电炉钢厂余热回收系统

林立恒

德国GMH公司已更换其电炉车间废气冷却系统。新系统包括第一段烟气管道。完全是按Teniva iRecovery系统设计的，目前已能生产13bar~20bar压力的饱和蒸汽20t/h。蒸汽回收后被用于本厂真空脱气系统，代替此前燃气锅炉所供蒸汽。本文将分析该新项目的特点以及电炉钢厂采纳类似回收技术的可能性。

1节能与余热回收

电炉或其他工业炉窑采取生产优化对策的目的无非是提高产品质量与降低能耗，目前热议的主题都是围绕节能展开的。许多厂家对废渣进行严格管理，优化装料及采用智能化炉子进行运行控制（例如EFSOP），通过这一系列改进措施的实施，在将一次能源的投入降至最低方面取得很大进展。尽管如此，供给电炉的能量中仍有很大一部分浪费在废气和冷却水的处理上。

余热回收可以认为是另一种节能途径，仅次于减少一次能源投入。正如表1所示，电炉废气所含热能总计为25%（化学能利用率最高的电炉），有时甚至高达30%，因而电炉废气是最大余热回收源。但并非钢厂所有设备都是如此。例如大型步进梁式加热炉所用冷却水被普遍认为是最大能量浪费源。

从经济角度来说，可在获得同一节能总量的情况下将降低能耗项目与装一套热能回收设备所用成本作一比较。如果一座电炉是高度现代化的，那么要进一步提高效率就更加困难。此种情况下电炉提高效率的最大潜力就在于电炉废气的余热回收。

2电炉废气余热回收技术的关键——温度

电炉一般都配有水冷或废气导出管道，将废气温度冷却至600℃左右，与此同时也使冷却水温度从约20℃升高到40℃左右，有些厂是从70℃升至90℃。而在废气温度低于600℃时，一般是用急冷塔将废气冷至200℃~250℃左右。温度升高的冷却水热量释放到大气中。而对40℃的冷却水，钢厂实际上排不上用场。

如果将此冷却水进一步加热到90℃，那么这样热度的水就有可能用于加热。若能满足以下两个条件，那么从冷却水回收废气余热所得热量会有理想用途：

1）厂内无其他热水来源；

2）全年都有加热的需求。

许多厂家用热设备的能量供给远大于实际需求。由于厂家地理环境的原因，热能的需求会随季节的变化而下降，这使热能供给更趋向于供大于求。除少数厂家外，没有几家钢厂为附近发电厂供给热水，以作给水预热之用。

3用Tenova iRecovery系统生产蒸汽

蒸汽可用于多种用途，例如工艺蒸汽，用于加热，启动压缩机及火电发电等。生产蒸汽是大范围回收余热的最佳选择，原因有以下几点：

1）温度范围广；

2）输送相当简便；

3）水价钱低且无毒性；

4）技术成熟。

Tenova iRecovery是一种能将废热转换为蒸汽的技术。iRecovery废气管道是一种管-管结构，类似传统的冷却管道。iRecovery废气管道与传统冷却管道的主要区别是它能使加压水在沸点温度

下从管道中流过。所选温度-压力组合方案可根据厂家所需蒸汽的参数来确定。标准组合值范围为13bar/192℃至28bar/230℃。更高压力则是用于蒸汽透平机。

接近沸点的水通过蒸发吸收废气中的余热。这一蒸发过程所耗能量远比将水加热例如20℃所耗能量多。

iRecovery系统是按蒸发一部分水的原则设计的。正常运行时蒸发的水量不超过5%~12%，也就是说此系统具有后备冷却能力。与用冷水冷却相比，1套iRecovery系统的返回蒸汽中蒸汽含量要达到12.5%（重量百分数），需要大约35%的水的质量流量。这就是说，所用管道及设备都较小。 ECS（蒸发冷却系统）是iRecovery系统的前身，从20世纪80年代就开始用于氧气顶吹转炉及步进式加热炉。当初ECS优先用于氧气顶吹转炉及大型加热炉上的主要原因是由于以下因素能保证炉子稳定运行：

1）整个冷却系统温度稳定（饱和蒸汽温度与水温相同）；

2）采用洁净锅炉水闭路循环，很少有腐蚀及其他化学反应问题；

3）在峰值能量、温度下仍能安全耐用；

4）供水中断时仍能正常运行（只要蒸汽不切断闭路系统就几乎无损失）。

余热回收越来越受到关注，ECS得到极大改进，演化成Tenova iRecovery系统，进而成功用于电炉。与其他余热回收装置相比，这种升级系统能给电炉钢厂带来各种效益，这是该系统的另一优点。

iRecovery废气管道是通过辐射热传导进行冷却的，足以将废气温度降至约600℃。低于此温度时借助对流换热使热传导更为有效。换句话说，此时必须采用废热锅炉来回收~600℃与过滤装置入口处180℃~250℃之间存在的热能。

因为电炉废气粉尘含量极高，所以对废热锅炉结构的设计尤需细致，一些相似问题的解决可参考废物焚烧厂相关技术。

4 GMH公司电炉余热回收项目

GMH公司电炉钢厂座落于德国钢城盖奥尔格马里恩市，1996年生产工艺由长流程改为短流程-电炉炼钢。目前该厂有一座直流电弧炉，产能为140t/h。这座电炉的独特之处在于其管道冷却系统。20世纪80年代，该厂的氧气顶吹转炉烟气处理管道就装用了ECS系统。新建电炉开始运行时也曾使用该ECS系统。但由于此系统是半连续运转，所以产生的蒸汽未作任何用途。为弥补这一缺陷，又特建一座锅炉房为本厂真空脱气系统及其他小型蒸汽用户供给蒸汽。

此ECS系统连续使用了25年，2007年GMH公司决定更换这套冷却系统（当时该系统已严重破损），拟建新的ECS系统用来生产蒸汽代替原来的燃气锅炉。（参看表2）。

要解决的主要问题有两个：一是平衡蒸汽输出量；二是有效控制能量高峰。蒸汽短时峰值产量为75t/h，比蒸汽的平均产量20t/h的三倍还多。

通过释放一部分能量可以降低余热回收当中的能量高峰。但GMH只使用一套冷却系统，每一能量高峰必须可靠地转化为蒸汽。电炉正常生产当中有10min~20min断电间隙，这实际会导致蒸汽停产。真空脱气（VOD）装置是电炉车间最大的蒸汽用户，而且有其独有的 “装料”模式，操作上并不与电炉同步。另外，VOD系统的运行比电炉晚一个生产周期，即电炉停产时还有一炉钢等待真空脱气处理。要解决这一问题，GMH需要确保提供足够的蒸汽。为此GMH采取双重对策，保证每一炉钢炼出时都存有8t蒸汽作缓冲。

整个冷却管路的设计比实际冷却需求略大，因而水量增加带来蓄能容量的增加，另外，冷却系统中装用2台Ruth缓冲器，该缓冲器是降压时水转化为蒸汽过程中贮存热水能量的大型压力容器。压力可在13bar~20bar之间调整（本案情况下现有蒸汽管网不可能将压力调至高于20bar，因而压力相当低）。当电炉开始通电时压力升高，吸收的能量将水加热，使水在低温下蒸发。电炉断电时，虽无新能量进入系统，但因压力下降仍有水蒸发产生蒸汽供给用户。

虽然给水温度可调，但锅炉最常用给水温度为105℃，在通电用量高峰当中，用更多能量加

热给水，这样就可在电炉输出能量较低时减少集汽鼓使给水蒸发所需的能量。

5蒸汽发电前景

GMH锅炉房已将真空脱气用的天然气减少到几乎为零，这样新上的余热回收项目正如GMH预期的那样带来经济效益。但仍有大量剩余蒸汽，蒸汽平均产量为20t/h，而平均用汽量仅为7t/h。新上项目投产初期，回收的能量有近2/3最后白白浪费。虽然该项目经济上有利可图，但如何使此系统的潜力得到充分利用仍是问题。

VOD系统消耗的蒸汽一般只占相关电炉日常所产蒸汽量的1/3。虽然有些厂家蒸汽管网有各种不同用户，但其他厂家也无别的蒸汽需求。

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