舒剛

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北武漢 430223）

0.引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，廢鋼累計(jì)資源逐漸豐富，以廢鋼為主要冶煉材料的電爐煉鋼短流程技術(shù)，以其項(xiàng)目初始投資省、工廠占地面積、能源消耗低、污染物排放源少等特點(diǎn)，在與鐵前原料-高爐煉鐵-轉(zhuǎn)爐煉鋼為主要工藝路線的長流程比較中，優(yōu)勢越來越明顯而得到了快速的發(fā)展。電爐冶煉過程中，爐內(nèi)產(chǎn)生大量的高溫、高含塵量的煙氣，通常被稱為電爐一次煙氣。針對不同的電爐工藝，需要對電爐一次煙氣先降溫后再進(jìn)行凈化處理。

1.電爐一次煙氣的特點(diǎn)

電爐煉鋼生產(chǎn)在加料、冶煉、出鋼、出渣過程中，均會產(chǎn)生大量的含塵煙氣，電爐冶煉工藝的特殊性，決定了電爐煙氣和粉塵處理與鋼鐵冶煉其他工藝存在差異。電爐一次煙氣通常具有以下特點(diǎn)：

（1）煙氣溫度高。在冶煉過程中，在電爐爐頂（爐口）排出的煙氣，溫度通常在1100℃～1400℃。對于普通電爐，進(jìn)入電爐爐內(nèi)排煙管道的煙氣溫度約為800℃～1100℃；對于帶廢鋼預(yù)熱的豎式電爐，經(jīng)過廢鋼預(yù)熱后的一次煙氣溫度約為800℃～850℃；對于水平連續(xù)加料電爐，廢鋼預(yù)熱出口處煙氣溫度650℃～850℃。（2）煙氣含塵量高。電爐煙氣中含塵量的高低與原料特性有較大關(guān)聯(lián)。由于國內(nèi)電爐廢鋼品質(zhì)通常較差，電爐冶煉強(qiáng)度高，因此國內(nèi)電爐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵量很大。據(jù)有關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，電爐冶煉噸鋼產(chǎn)生的粉塵量在20kg～25kg。電爐吹氧時(shí)，一次煙氣含塵量最高，瞬時(shí)最高值可以達(dá)到20g/m3～35g/m3。煙氣含塵濃度高，造成后續(xù)凈化除塵設(shè)備負(fù)荷增加。（3）煙氣濕度大。對于采用急冷塔設(shè)備對煙氣進(jìn)行降溫處理的工藝，其一次煙氣的相對濕度要高于其他方式降溫冷卻工藝的一次煙氣相對濕度。（4）煙氣及粉塵成分復(fù)雜。普碳鋼電爐煙氣中顆粒物的主要成分是Zn和Fe的氧化物，不銹鋼電爐中還有Cr和Ni的成分，具有較高的回收可用價(jià)值。同時(shí)由于廢鋼中油漆、切割油等成分的存在，煙氣中還含有二惡英等有害成分。根據(jù)有關(guān)實(shí)際測試分析，電爐一次煙氣中90%的粉塵粒徑小于30μm[1]。（5）比電阻適中。電爐煉鋼產(chǎn)生的粉塵，比電阻約在108-1012Ω·cm[2]，介于中比電阻（通常指比電阻處于104-5×1010Ω·cm范圍）和高比電阻（通常指比電阻不低于5×1010Ω·cm范圍）之間。電爐煙氣比電阻所處的范圍，決定其采用布袋除塵器處理是最為適宜的。

2.電爐一次煙氣量的確定

電爐一次煙氣量的確定，需要根據(jù)電爐公稱容量、冶煉周期、最大降碳速度等因素綜合確定。由于電爐內(nèi)吹氧會產(chǎn)生一定的CO，在電爐爐門處會混入空氣，因此還需要校核爐氣中CO含量不能處于爆炸極限范圍內(nèi)。

按照最大降碳速度計(jì)算產(chǎn)生的一氧化碳含量按照下式計(jì)算：

式中：

L1—爐氣中一氧化碳產(chǎn)生量，Nm3/h；

G—電爐的公稱容量，kg；

VC—最大降碳速度，一般取值0.045%/分～0.065%/分；

CO%—爐氣中一氧化碳的體積百分?jǐn)?shù)；

CO2%—爐氣中二氧化碳的體積百分?jǐn)?shù)。

爐門等處的混風(fēng)煙氣量V2，應(yīng)根據(jù)爐門進(jìn)風(fēng)面積、進(jìn)風(fēng)速度等確定：

式中：

L2—爐門等處的混風(fēng)煙氣量，Nm3/h；

F—爐門等處的進(jìn)風(fēng)面積，㎡；

V0—爐門等處的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速，一般取1.5m/s～3m/s；

t0—爐門等處進(jìn)風(fēng)溫度，可取40℃～50℃。

根據(jù)V1和V2可以確定理論一氧化碳燃燒系數(shù)α，進(jìn)而計(jì)算進(jìn)入電爐內(nèi)部實(shí)際消耗的氧氣量L3：

式中：

L3—電爐內(nèi)部實(shí)際消耗的氧氣量，Nm3/h；

α—一氧化碳燃燒系數(shù)。

根據(jù)計(jì)算所得L1、L2、L3，可以計(jì)算爐內(nèi)排煙量L：

式中：

L—電爐爐內(nèi)排煙量，Nm3/h。

為了保證爐內(nèi)一氧化碳完全燃燒，需按照燃燒系數(shù)α≥1.5計(jì)算爐內(nèi)安全排煙量L'：

式中：

L'—爐內(nèi)安全排煙量。

在保證安全的前提下，可通過比較L和L'，取其中較大值，來確定電爐一次煙氣量。

近年來，國內(nèi)引進(jìn)的帶廢鋼預(yù)熱的電爐比較多，按照廢鋼預(yù)熱的方式，又可以分為豎爐和水平預(yù)熱電爐。考慮到煙氣在預(yù)熱過程中，存在漏風(fēng)導(dǎo)致冷風(fēng)滲入的情況，加之預(yù)熱段之后通常會帶有沉降室，電爐一次煙氣量在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮一定的富余系數(shù)。根據(jù)國內(nèi)典型電爐運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)，帶廢鋼預(yù)熱段的電爐，其噸鋼一次煙氣量通常在1250Nm3/h.t～1800Nm3/h.t。豎爐的一次煙氣量要小于水平預(yù)熱電爐的一次煙氣量，其主要原因是水平加料的漏風(fēng)率要高于豎爐。

3.電爐一次煙氣冷卻方式

電爐一次煙氣冷卻方式有直接冷卻和間接冷卻兩種方式。直接冷卻方式包含混風(fēng)冷卻、急冷塔冷卻；間接冷卻方式包含水冷套管冷卻、水冷密排管冷卻、自然冷卻器冷卻、機(jī)力冷卻器冷卻、余熱鍋爐冷卻等?；祜L(fēng)冷卻、水冷套管冷卻、自然冷卻器冷卻，由于其冷卻效率低，能量消耗大、設(shè)備體積龐大等缺點(diǎn)，在新建項(xiàng)目中，已經(jīng)較少應(yīng)用。受到車間工藝布置、能源介質(zhì)條件等因素的影響，實(shí)際工程中往往通過直接冷卻和間接冷卻相結(jié)合的方式來冷卻電爐一次煙氣。

3.1 常用的電爐一次煙氣冷卻方式

（1）急冷塔冷卻方式。通過向煙氣中噴入工業(yè)凈化水，通過水的蒸發(fā)相變，吸收煙氣中的熱量，達(dá)到降低煙氣溫度的中作用。為了達(dá)到快速降溫的要求，通常設(shè)置雙介質(zhì)噴嘴，通過壓縮空氣和水混合后噴入塔體內(nèi)，形成霧化效果，減小水的粒徑，增強(qiáng)換熱效果。其進(jìn)水壓力和壓縮空氣的壓力值應(yīng)相當(dāng)，范圍均處于0.6MPa～0.8MPa區(qū)間時(shí)，霧化效果最好。急冷塔的高度應(yīng)根據(jù)急冷塔噴入的水滴有液態(tài)完全相變?yōu)闅鈶B(tài)的時(shí)間來確定，通常急冷塔內(nèi)煙氣停留時(shí)間在3s～5s，其煙氣平均流速通?？刂圃?m/s～6m/s。急冷塔為空塔結(jié)構(gòu)，設(shè)備運(yùn)行阻力低，對系統(tǒng)運(yùn)行能耗的影響小。單一通過急冷塔冷卻的一次煙氣降溫流程如圖1所示。

圖1 單一通過急冷塔冷卻的一次煙氣降溫流程圖

急冷塔的噴水量應(yīng)按照以下公式計(jì)算：

式中：

W—急冷塔的蒸發(fā)水量；

Q—煙氣熱量損失量；

r—水的氣化潛熱；

tw—水的進(jìn)水溫度；

tg0—煙氣出口溫度。

單一布置的急冷塔，其噴水量應(yīng)根據(jù)煙氣流量、入口溫度、出口溫度等參數(shù)動(dòng)態(tài)控制，保證煙氣出口處煙氣溫度高于煙氣露點(diǎn)溫度30℃～50℃，防止煙氣在后續(xù)處理過程中出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。實(shí)際工程應(yīng)用表明，在供水壓力處于0.6MPa時(shí)，1臺公稱容量為110t的廢鋼預(yù)熱電爐，急冷塔最大噴水量約為42t/h。通過急冷塔后的一次煙氣，其相對濕度會上升，通常情況下，急冷塔出口煙氣的相對濕度可以達(dá)到20%～35%。

（2）水冷密排管+急冷塔冷卻方式。單一布置急冷塔，由于其入口煙氣溫度較高，高溫?zé)煔馍l(fā)的熱量大，需要噴入大量的冷卻水來實(shí)現(xiàn)煙氣降溫的目的。在急冷塔前布置一段水冷密排管，對煙氣進(jìn)行初冷卻，可以降低進(jìn)入急冷塔的煙氣溫度，降低急冷塔的噴水量，在減少新水消耗的同時(shí)，可以降低煙氣的含濕量，減小后續(xù)處理過程中煙氣冷凝的風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。水冷密排管+急冷塔冷卻方式流程見圖2。

圖2 水冷密排管+急冷塔冷卻方式流程圖

水冷密排管內(nèi)入口煙氣溫度800℃～1000℃，出口溫度在450℃～600℃，其循環(huán)冷卻水溫度差通常在15℃左右。煙道內(nèi)煙氣流速通常在20m/s～30m/s，水管內(nèi)的水流速一般控制在1.2m/s～2.0m/s。通過水冷密排管冷卻后，可以帶走煙氣內(nèi)25%～30%的熱量，可以減少急冷塔的冷卻水量，降低煙氣的相對濕度。在供水壓力處于0.6MPa時(shí)，1臺公稱容量為110t的廢鋼預(yù)熱電爐，經(jīng)過水冷密排管初冷卻后急冷塔最大噴水量約為30t/h。

（3）水冷密排管+機(jī)力冷卻器冷卻方式。機(jī)力冷卻器通過冷卻風(fēng)機(jī)，讓空氣和高溫?zé)煔庠趽Q熱管內(nèi)外側(cè)進(jìn)行換熱。電爐爐口處煙氣經(jīng)過水冷滑套、沉降室、水冷密排管降溫后，通過機(jī)力冷卻器再冷卻至200℃～250℃，達(dá)到可以后續(xù)處理的溫度要求。由于電爐煙氣的流量、溫度等均有一定的波動(dòng)性能，機(jī)力冷卻器的冷卻風(fēng)機(jī)可采用變頻調(diào)速、自動(dòng)調(diào)節(jié)擋板開度等方式。機(jī)力冷卻器可以減少冷卻水的耗量，但機(jī)力冷卻器冷卻效率低，煙氣冷卻時(shí)間較長，不能實(shí)現(xiàn)煙氣的快速冷卻。水冷密排管+機(jī)力冷卻器冷卻方式流程圖見圖3。

圖3 水冷密排管+機(jī)力冷卻器冷卻方式流程圖

（4）余熱鍋爐冷卻方式。為回收電爐一次煙氣中的高品位熱能，近年來，余熱鍋爐系統(tǒng)在電爐一次煙氣冷卻中的應(yīng)用越來越普遍。余熱鍋爐系統(tǒng)由鍋爐系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、輸灰系統(tǒng)等組成。電爐一次煙氣經(jīng)過燃燒沉降室后進(jìn)入余熱鍋爐降溫，同時(shí)大顆粒粉塵在余熱鍋爐內(nèi)部沉降下來，通過輸灰設(shè)施運(yùn)走。

電爐一次煙氣用余熱鍋爐應(yīng)就近布置在沉降室附近，以減少煙氣熱量損失。當(dāng)余熱鍋爐系統(tǒng)與沉降室距離較遠(yuǎn)時(shí)，兩者之間的連接管道應(yīng)選擇絕熱煙道。部分鋼鐵企業(yè)將沉降室進(jìn)出口的管道也改造成汽化冷卻煙道，可以進(jìn)一步提高余熱鍋爐的蒸汽產(chǎn)生量。通過余熱鍋爐回收電爐一次煙氣中的熱量，當(dāng)余熱鍋爐入口煙氣溫度穩(wěn)定在950℃～1000℃區(qū)間時(shí)，噸鋼可回收蒸汽量約105kg/t～140kg/t，回收的蒸汽可以用于發(fā)電，也可以用于VD爐、RH等后續(xù)處理工藝，能產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益。余熱鍋爐由于結(jié)構(gòu)的限制，煙氣側(cè)設(shè)備阻力通常在800Pa～1200Pa。余熱鍋爐冷卻速度低于急冷塔，如需提高余熱鍋爐的冷卻速度，達(dá)到煙氣快速冷卻的目的，需要較大的換熱面積。余熱鍋爐冷卻方式流程圖見圖4。

圖4 余熱鍋爐冷卻方式流程圖

3.2 電爐一次煙氣冷卻對二惡英消除的作用

廢鋼預(yù)熱可以通過預(yù)熱廢鋼回收一次煙氣中的熱能，能夠有效降低電爐生產(chǎn)中的能耗，因而得到快速發(fā)展，已經(jīng)成為國內(nèi)新建電爐的主要形式。廢鋼預(yù)熱過程中，會導(dǎo)致電爐一次煙氣中二惡英的濃度較之不帶廢鋼預(yù)熱的電爐一次煙氣明顯增高。二惡英具有較強(qiáng)的毒性，對人體健康構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，國際癌癥研究中心已將其列為人一級致癌物[3]。根據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)資料，50t電爐二惡英的總排放因子為1.923μg-I-TEQ，100t電爐二惡英排放因子達(dá)到每噸鋼 10.096μg-I-TEQ[4]。

研究表明，二惡英的生成機(jī)理主要有3種方式[5-7]，經(jīng)由前驅(qū)體化合反應(yīng)生成、“從源頭合成”、苯環(huán)結(jié)構(gòu)高分子化合物熱分解。

（1）經(jīng)由前驅(qū)體化學(xué)反應(yīng)生成。電爐原料中含有塑料、油漆、油脂類物質(zhì)，這類物質(zhì)在通電冶煉，吹氧等過程中，會生成各種含氯苯系物質(zhì)，形成“前驅(qū)體”條件?！扒膀?qū)體”通過一系列的化學(xué)反應(yīng)可以重排生成二惡英。同時(shí)廢鋼中包含的Fe、Ni、Cu等元素，會形成催化劑，對煙氣中二惡英的生產(chǎn)，起到催化促進(jìn)作用。

（2）“從源頭合成”。電爐煉鋼過程中，電爐煙氣經(jīng)過電爐爐口、預(yù)熱段（針對帶廢鋼預(yù)熱功能的電爐）、燃燒沉降室等處理，煙氣溫度會達(dá)到或者超過850℃，在此溫度條件下，煙氣中的二惡英會完成熱分解而得到消除。在后續(xù)的煙氣冷卻過程中C、H、O、CL等元素在200℃～250℃區(qū)間會重新合成，其主要合成機(jī)理如：1）Deacon反應(yīng)2HCL+1/2O2→H2O+Cl2，此反應(yīng)會產(chǎn)生氯氣。2）煙氣中芳香環(huán)與生成的Cl2發(fā)生取代反應(yīng)。3）單環(huán)結(jié)構(gòu)經(jīng)過Fe、Cu、Ni等催化反應(yīng)，生產(chǎn)雙環(huán)結(jié)構(gòu)。

（3）煙氣中的高分子化合物（主要是含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物），在加熱過程中分解產(chǎn)生二惡英。在電爐冶煉過程中，廢鋼預(yù)熱過程中，二惡英生成的主要機(jī)理是苯環(huán)結(jié)構(gòu)高分子化合物熱分解。經(jīng)過燃燒室噴吹煤氣或者天然氣燃燒后，煙氣溫度會達(dá)到850℃～1100℃，此時(shí)煙氣中二惡英會分解消除。燃燒沉降室后的煙氣在降溫冷卻過程中，溫度處于200℃～250℃區(qū)間時(shí)，“從源頭合成”占主要作用，二惡英又會重新合成。

隨著對排放要求的提高，電爐煙氣中二惡英處理需要得到有效治理，尤其是對于廢鋼預(yù)熱電爐中含二惡英的一次煙氣，選擇冷卻方式，必須滿足消除二惡英的要求。為滿足消除二惡英的要求，必須使煙氣在1s～2s的時(shí)間內(nèi)迅速降溫到250℃以下，最大限度的減少“從源頭合成”。當(dāng)煙氣溫度急冷到較低溫度時(shí)，二惡英濃度可顯著降低，預(yù)計(jì)可以減排80%～90%[8]。

4.電爐一次煙氣凈化方式

經(jīng)過冷卻后的電爐一次煙氣，需要通過后續(xù)除塵設(shè)施凈化處理，根據(jù)電爐煙氣的粉塵特性，通常采用脈沖布袋除塵器。按照最新鋼鐵行業(yè)超低排放的要求，除塵器出口煙囪處顆粒物排放濃度＜10mg/m3。

4.1 電爐一次煙氣單獨(dú)凈化處理

電爐一次煙氣經(jīng)過冷卻后，其溫度通常在200℃～250℃，在不混風(fēng)的前提下，進(jìn)入布袋除塵器，需要把采用耐高溫濾料，濾料耐溫不低于250℃。由于一次煙氣粉塵濃度高，布袋除塵器的過濾風(fēng)速，通常應(yīng)小于其他除塵系統(tǒng)。一次煙氣單獨(dú)設(shè)置除塵設(shè)施時(shí)，可以采用活性炭吸附的方法，提高二惡英的凈化效率。在布袋除塵器之前的管道上或者在煙囪之前設(shè)置活性炭吸收塔，二惡英的凈化率在60% 左右[9]。

采用余熱鍋爐或者機(jī)力冷卻器對電爐一次煙氣進(jìn)行降溫處理的除塵系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)設(shè)備選型時(shí)，要考慮余熱鍋爐或者機(jī)力冷卻器的阻力。采用急冷塔電爐一次煙氣進(jìn)行降溫處理的除塵系統(tǒng)，應(yīng)考慮煙氣含濕量對布袋的影響，選用符合工況要求的濾袋，同時(shí)在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，對除塵器進(jìn)行保溫，防止煙氣冷凝造成濾袋堵塞失效。除塵器入口設(shè)置與煙氣溫度連鎖的緊急混風(fēng)閥，入口煙氣溫度超標(biāo)時(shí)，混風(fēng)閥開啟，混入冷風(fēng)。

根據(jù)《排污許可證申請與核發(fā)技術(shù)規(guī)范-鋼鐵工業(yè)》（HJ846-2017）對于鋼鐵工業(yè)排污單位主要排放口基準(zhǔn)排氣量的要求，電爐煙氣單位產(chǎn)品基準(zhǔn)排氣量要求為1120Nm3/t.粗鋼，國內(nèi)部分區(qū)域按照此標(biāo)準(zhǔn)核發(fā)排污許可。由于電爐二次煙氣（密閉罩和屋頂排煙罩等處的煙氣）排氣量遠(yuǎn)大于此基準(zhǔn)定額，因此也要設(shè)置獨(dú)立的一次煙氣凈化除塵系統(tǒng)。

4.2 電爐一次煙氣與電爐二次煙氣混風(fēng)后凈化處理

電爐一次煙氣冷卻后，通過與電爐二次煙氣混風(fēng)，可以降低除塵器的入口溫度和入口粉塵濃度，降低布袋除塵器的負(fù)荷，采用混風(fēng)方式的布袋除塵器，其過濾面積通常可以高于一次除塵單獨(dú)設(shè)置的布袋除塵器。電爐一次煙氣與二次煙氣混合，造成了對一次煙氣中二惡英的稀釋作用，不利于對二惡英排放濃度的檢測和監(jiān)管。由于余熱鍋爐和機(jī)力冷卻器設(shè)備阻力較大，當(dāng)采用混風(fēng)凈化處理時(shí)，應(yīng)設(shè)置增壓風(fēng)機(jī)。

4.3 電爐一次煙氣凈化輸灰

電爐粉塵具有較強(qiáng)的粘性，輸灰設(shè)施通常應(yīng)選用機(jī)械輸送設(shè)備，如刮板輸送機(jī)、斗式提升機(jī)等，不宜采用氣力輸灰。

5.結(jié)論

（1）電爐一次煙氣冷卻方式，應(yīng)根據(jù)具體工藝情況進(jìn)行針對性的選擇。（2）電爐一次煙氣采用急冷塔冷卻方式，或者水冷密排管+急冷塔的冷卻方式，煙氣冷卻效率高，設(shè)備占地面積小，運(yùn)行阻力低，同時(shí)有利于降低煙氣中二惡英的濃度。（3）電爐一次煙氣采用余熱鍋爐冷卻方式，可以回收煙氣中的熱能。余熱鍋爐設(shè)備運(yùn)行阻力大，會增大系統(tǒng)運(yùn)行能耗，余熱鍋爐需要較大的換熱面積，才能實(shí)現(xiàn)對煙氣的急冷，起到抑制二惡英生成的作用。（4）電爐一次煙氣采用水冷密排管+機(jī)力冷卻器的冷卻方式，不能實(shí)現(xiàn)煙氣的快速冷卻，不適用于帶廢鋼預(yù)熱的電爐。（5）電爐一次煙氣凈化系統(tǒng)適宜采用脈沖布袋除塵器，除塵系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先考慮單獨(dú)設(shè)置。除塵設(shè)備選型時(shí)應(yīng)考慮煙氣溫度、煙氣濕度的影響。