董茂林，廖 强(.重庆大学 能源与动力工程学院低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,重庆400004；2.中冶赛迪技术研究中心有限公司，重庆400020)

1 概述

在电弧炉冶炼的过程中，会产生大量的高温烟气，且含尘量高[1]。高温含尘烟气携带的热量约为电弧炉输入总能量的11%,有的甚至高达20%。这些高温烟气不仅带走大量的热，而且给电弧炉的除尘系统带来了巨大的负担，不但降低了氧化铁的回收率，而且造成了严重的污染问题[2-3]。国内钢铁企业为了进一步降低电弧炉炼钢成本，电弧炉工序普遍出现铁水兑废钢冶炼模式，有的铁水比例高达70%左右，呈现电弧炉设备“转炉化”的趋势[4]。随着电弧炉入炉铁水比例增加，产生的烟气温度、流量、CO含量及含尘量相对全废钢电弧炉均有大幅增加。如何将这部分高温烟气中的显热充分地回收，变废为宝，使余热回收系统运行更加稳定，同时降低除尘系统运行成本和企业的生产成本，是电弧炉炼钢企业必须重视的问题。

目前国内和国际上的电弧炉仍有很多没有回收烟气余热[5]，有的只是部分回收了烟气余热[6]，随着兑铁水比例的增加，电弧炉烟气的温度变得更高。电弧炉盖顶部主要有4个孔，3个电极孔用来插入电极，第4个孔用来引出烟气，因此业内通常称电弧炉的一次烟气为四孔烟气，以区别于电弧炉密闭罩内的烟气和屋顶罩的烟气。若不回收四孔烟气的全部余热，将会造成大量的能源浪费。因此笔者参与研发、中试建设了一套电弧炉烟气全余热回收装置，并进行了现场测试，以便对电弧炉烟气余热回收系统的烟气温度、换热系数、烟气组成、烟气流量等关键参数进行研究。

2 电弧炉烟气全余热回收装置

研发的电弧炉烟气全余热回收装置见图1，装置设计参数见表1。该装置采用高低压复合循环的冷却方式，Ⅰ段烟道、燃烧沉降室顶盖、Ⅱ段烟道、列管余热锅炉均采用汽化冷却方式(指与水进行换热，使水汽化，从而烟气降温)回收电弧炉四孔烟气约250～2 100 ℃的全部余热，具有显著的节能效果。

图1 电弧炉烟气全余热回收装置1.密闭罩 2.电弧炉 3.水冷弯头 4.水冷滑套 5.Ⅰ段烟道 6.燃烧沉降室 7.Ⅱ段烟道 8.列管余热锅炉 9.布袋除尘器 10.风机 11.烟囱 12.3个电极 T1～T7.温度测点 C1～C3.烟气组成测点

表1 电弧炉烟气全余热回收装置设计参数

烟气从电弧炉抽出后，与从水冷弯头和水冷滑套间环缝混入的空气一起进入Ⅰ段烟道，在Ⅰ段烟道内，烟气降温后进入燃烧沉降室。燃烧沉降室顶盖采用了汽化冷却结构,下半部分采用混凝土和耐火材料。燃烧沉降室设计的目的是，在燃烧沉降室内，烟气中的CO燃尽，同时烟气携带的粉尘粗颗粒也经重力除尘沉降下来。其后烟气进入Ⅱ段烟道进行换热，进一步降温后进入列管余热锅炉，降温至250 ℃以下后与密闭罩出口的除尘风混合送入布袋除尘器，除尘达标后的烟气经过风机从烟囱排出。

3 测试结果与分析

为了研究不同铁水加入量(本文中铁水比例均指质量分数)下电弧炉烟气全余热回收装置的烟气组成、温度及换热情况，沿烟气流向布置温度测点7个，分别是Ⅰ段烟道入口处T1、Ⅰ段烟道中部T2、Ⅰ段烟道出口处T3、燃烧沉降室中部T4、燃烧沉降室出口处T5、Ⅱ段烟道出口T6、列管余热锅炉出口T7。烟气组成测点3个，C1、C2、C3。

3.1 烟气全余热回收装置总体情况

研发团队在电弧炉烟气全余热回收装置的列管余热锅炉出口装设了烟气温度测点T7，收集了3个多月共计1 000多炉次的生产数据，兑铁水的比例从全废钢到80%铁水，列管余热锅炉出口的烟气温度均能控制在250 ℃以下，说明烟气全余热回收装置在变工况条件下能够回收电弧炉四孔烟气250～2 100 ℃的全部余热。

3.2 Ⅰ段烟道烟气温度及换热情况

铁水加入量不同的情况下，四孔烟气的温度、组成均有显著的不同。选取铁水加入比例接近50%时的典型工况进行测试，此时铁水加入量为53.7 t，废钢加入量为58.4 t，铁水加入比例为47.9%。冶炼过程大体分为3个阶段:加料阶段、冶炼阶段(包括通电、吹氧工序)和出钢阶段。图2给出该典型工况在一个正常冶炼周期内，Ⅰ段烟道入口、中部、出口处烟气温度随时间的变化曲线。从图2可看出，Ⅰ段烟道烟气温度在加料阶段和冶炼阶段初期(前10 min)由于没有CO的燃烧放热，温度较低，并且沿程的温度变化不大。在冶炼阶段吹氧开始后，Ⅰ段烟道入口处的温度迅速升高，并且在高温(800 ℃以上)保持约31 min，该时段是吹氧过程CO大量产生的时间。Ⅰ段烟道入口处的温度明显高于Ⅰ段烟道中部的温度，原因是Ⅰ段烟道入口处于CO的燃烧区域，此时烟气的温度很高，而且Ⅰ段烟道采用汽化冷却，烟道外壁接近于定壁温，烟气与烟道之间的辐射和对流换热都很强，因此Ⅰ段烟道中部与Ⅰ段烟道入口的烟气温差很大，最大温差达574 ℃。到了冶炼后期，烟气温度开始下降，并且沿程的温度差异减小。测试的Ⅰ段烟道入口最高温度达1 982 ℃(远大于文献[7]报道的1 600 ℃)，中部最高温度为1 408 ℃，出口最高温度为1 267 ℃，Ⅰ段烟道中部和出口的最大温差为141 ℃。经测试，此时烟气的流量为226 341 m3/h。

图2 Ⅰ段烟道冶炼周期内的烟气温度

烟道入口到中部、中部到出口的平均热流密度计算式为：

式中q——平均热流密度，kW/m2

在完成出块者选举之后，出块者负责完成区块生成的工作。区块一般要包括本轮产生的交易、上个区块的哈希值、时间戳等内容。在这里，区块生成又可以分为2类：第1类是一个出块者只负责生成一个区块，下一个区块由新的出块者生成，如比特币；第2类是一个出块者对应多个区块，一个出块者工作的整个时间周期被称为一个时期，一个时期包括多个轮，每一轮对应一个区块，如Bitcoin-NG等。出块者在生成区块之后，将区块在全网进行广播。

hin——入口烟气的单位体积焓，kJ/m3

hout——出口烟气的单位体积焓，kJ/m3

qV——烟气流量，m3/h

A——换热面积，m2

烟道各测试段的传热系数计算公式为：

式中K——传热系数，W/(m2·K)

通过计算，在该典型工况下，Ⅰ段烟道上半部分(从入口到中部)的平均热流密度达999.8 kW/m2,Ⅰ段烟道下半部分(中部到出口)的平均热流密度为327.2 kW/m2，Ⅰ段烟道上半部分的平均热流密度为下半部分平均热流密度的3.06倍。Ⅰ段烟道上半部分的传热系数为657 W/(m2·K),下半部分的传热系数为277 W/(m2·K),上半部分的传热系数为下半部分的2.37倍。

3.3 燃烧沉降室烟气温度及换热情况

燃烧沉降室冶炼周期内的烟气温度见图3。从图3可以看出，燃烧沉降室中部和燃烧沉降室出口温度比较接近，Ⅰ段烟道出口到燃烧沉降室中部，到燃烧沉降室出口温差均不大，Ⅰ段烟道出口最高温度与燃烧沉降室中部最高温度差仅为27 ℃，燃烧沉降室中部最高温度和燃烧沉降室出口最高温度差仅为21 ℃。虽然燃烧沉降室顶部采用了汽化冷却结构，但其冷却降温的效果并不明显，反而由于燃烧沉降室四壁均采用耐火保温结构，其保温效果明显，在冶炼初期，出现燃烧沉降室出口烟气温度高于燃烧沉降室中部烟气温度的情况，燃烧沉降室对烟气进行了加温。燃烧沉降室是一个大的蓄热体，热惰性较大，且烟气在燃烧沉降室内的流动比较缓慢，因此燃烧沉降室充分起到了沉降和蓄热的作用，减小了余热锅炉出口的烟气温度波动。

图3 燃烧沉降室冶炼周期内的烟气温度

3.4 Ⅱ段烟道的烟气温度及换热情况

燃烧沉降室出口就是Ⅱ段烟道的入口，Ⅱ段烟道入口及出口在冶炼周期内烟气的温度曲线见图4。从图4可以看出，冶炼初期燃烧沉降室出口与Ⅱ段烟道出口烟气温差较小，随着冶炼的进行，烟气温度升高，进出口温差也加大。Ⅱ段烟道入口最高温度为1 219 ℃，此时Ⅱ段烟道出口温度为853 ℃，温差为366 ℃，此时Ⅱ段烟道的平均热流密度为226.4 kW/m2,Ⅱ段烟道传热系数为273.6 W/(m2·K)，该传热系数与Ⅰ段烟道下半部分的传热系数相近。

图4 Ⅱ段烟道冶炼周期内的烟气温度

3.5 烟气组成

研发团队分别测试了铁水比例为47.9%时Ⅰ段烟道中部及出口烟气组成在冶炼周期内的变化，分别见图5和图6。图中只给出了CO、CO2和O2体积分数的变化，剩余气体为N2。在3个不同位置测试了烟气中主要组分CO、CO2、O2的含量，所取的3个测试点为：Ⅰ段烟道中部C1、Ⅰ段烟道出口C2、燃烧沉降室出口C3。

图5 Ⅰ段烟道中部冶炼周期内烟气组成

图6 Ⅰ段烟道出口冶炼周期内烟气组成

从图5可以看出，在整个冶炼周期内，Ⅰ段烟道中部CO体积分数已经很小了，在0.39%以内，并且在整个冶炼周期中变化很小，平均值为0.19%，波动范围为0.06%～0.39%。冶炼周期内Ⅰ段烟道中部CO2体积分数变化较大。0～6 min为加料阶段，之后进入冶炼阶段，但冶炼初期(6～10 min)由于没有吹氧，CO2体积分数均较低，在0.51%～3.08%波动，O2体积分数较高，在18.32%～20.18%波动。从10 min开始吹氧，CO2体积分数逐渐上升，28 min时上升到8.97%，此时O2体积分数相应地从18.81%降低到12.04%。28 min左右，吹氧和脱碳进入平稳期，此时CO2体积分数达到最高值，约9.5%，O2体积分数达到最低值，约11.5%。28～38 min为平稳期，38～46 min吹氧逐渐结束，CO2体积分数逐渐降低，O2体积分数逐渐上升。

从图5、6可以判断进入Ⅰ段烟道中部时，烟气中的CO已经基本燃尽，到Ⅰ段烟道出口时，烟气中的CO已全部燃尽。这是由于通过电弧炉的炉门、电极孔等孔洞的漏气已经让炉内烟气的CO燃烧了一大部分，在水冷滑套处，较小的开度已经能够保证烟气中的CO全部燃尽。因此在系统设计时，为了减小空气的混入量，可以考虑进一步减小水冷滑套处的开度，甚至可以将水冷滑套的开度降为0，只需满足烟气中CO燃尽即可，这样可以保持较小的过剩空气系数，减小风机的负荷，同时能够回收更多的烟气余热。

4 结论

目前国内大部分电弧炉都没有做到四孔烟气余热的全部回收。研发了电弧炉烟气全余热回收装置，在某钢厂110 t电弧炉上进行了中试，对烟气温度、烟气组成及换热情况进行了现场测试，并对测试结果进行分析，得到如下结论。

① 兑铁水的比例从全废钢到质量分数为80%铁水，电弧炉烟气全余热回收装置出口的烟气温度均能控制在250 ℃以下，说明烟气全余热回收装置在变工况条件下能够回收电弧炉四孔烟气250～2 100 ℃的全部余热。

② 铁水加入量(质量分数)约50%的典型工况下，Ⅰ段烟道入口烟气最高温度可达1 982 ℃。

③ 铁水加入量(质量分数)约50%的典型工况下，Ⅰ段烟道上半部分平均热流密度高达999.8 kW/m2,传热系数高达657 W/(m2·K)；下半部分平均热流密度为327.2 kW/m2,传热系数为277 W/(m2·K),Ⅰ段烟道上半部分的平均热流密度为下半部分热流密度的3.06倍。一个冶炼周期内的烟气最大温差为1 624 ℃。如此高的热流密度及温度交变，在Ⅰ段烟道设计时需充分考虑如此大幅波动的烟气温度所造成的汽化冷却烟道的疲劳问题。

④ 燃烧沉降室顶盖虽然采用了汽化冷却结构，但其换热量很小。由于燃烧沉降室四周及底部采用了耐火材料结构，具备很好的蓄热作用，减小了燃烧沉降室出口、Ⅱ段烟道及后续列管余热锅炉的温度波动，在冶炼初期还出现了燃烧沉降室加热烟气的情况。

⑤ 从冶炼周期烟气组成来看，由于漏风等原因，电弧炉第四孔出口到Ⅰ段烟道中部时烟气中的CO已经基本燃尽。主要原因可能是电弧炉的观火孔、电极孔等孔隙的漏风率已经很高，造成电弧炉内已经有大量CO燃烧。因此为了减少漏入空气量，保持合理的过剩空气系数，减小一次风机负荷，尽量多地回收烟气余热，此时水冷滑套的开度要尽可能小，同时应尽可能减少电弧炉孔隙的漏风量。