一种水平连续加料电炉一次烟气环保治理及余热回收方法

摘要

本申请涉及电炉炼钢除尘技术领域，尤其是涉及一种水平连续加料电炉一次烟气环保治理及余热回收方法。包括烟气沉降，烟气预热废钢后经保温烟道进入沉降室沉降烟气中的大颗粒；烟气极速冷却换热，经沉降除尘的烟气进入急速冷却换热装置，进行降温、换热；急速冷却换热装置在2S内将烟气降至200℃以下；将烟气余热收集至蓄热器；活性炭吸附，烟气中喷射活性炭进行吸附；布袋除尘，排空。本申请沉降室将烟气中的大颗粒及泡沫渣进行沉降，进入急速冷却换热装置，急速降温避开二噁英的再生环境减少二噁英的生成时间，并进行换热，收集烟气显热；活性炭喷射装置对烟气利用活性炭吸附二噁英，布袋除尘过滤后，排放。既回收了能源，又降低了排放。

说明书

技术领域

本申请涉及电炉炼钢除尘技术领域，尤其是涉及一种水平连续加料电炉一次烟气环保治理及余热回收方法。

背景技术

水平连续加料（consteel）电炉是节能炼钢装备装置，具有不卡料、输送速度快、设备故障率底，经久耐用等特点。废钢在密闭的料槽中连续前进，料槽中连续前进的废钢，遇到迎面而来的高温烟尘，吸收了高温烟尘中的热量和大颗粒的烟尘，吸收了热量和大颗粒金属烟尘的废钢，连续不断进入电弧炉的钢液熔池，废钢在高温钢液中迅速融化。燃烧的电弧在覆盖的泡沫渣中稳定燃烧，电极通过大面积的钢液把热量传给废钢，大幅度提高了电弧炉的电效率和废钢融化速度。改变了传统电弧炉电极在废钢中穿井融化废钢的冶炼工艺，大幅度提高了电弧炉的效率，减少了噪音、烟尘、高次谐波。其次，连续式废钢加料避免了炉盖打开，造成的炉内热量损失、时间损失、通电停顿，同时造成高温烟气外泄。连续加料式电炉以“连续预热、连续加料、连续熔炼”为工艺特点，采取大留钢量操作，使熔炼开始就可以形成熔池，用钢液来熔化废钢，提高了传热效率；同时使全程制造泡沫渣、埋弧操作成为可能，提高了电效率，是电炉工艺中一个比较有竞争力的工艺，在全球得到了很好的应用。水平连续加料电炉烟气预热废钢后排放，其烟气排放量大，温度高（约800℃），烟气蕴含大量物理显热。

电炉炼钢废气具有较高的温度，烟气蕴含大量物理显热；成分为废钢以及废钢中含有的杂质冶炼燃烧后的颗粒，且烟气中含有少量低熔点碱金属以及腐蚀性气体，甚至产生二噁英。目前，市场主流做法为，通过机力冷却至200℃以下后，并入环境除尘系统完成烟气净化。烟气中所蕴含的大量显热不仅未回收还需要新的能源来降温，且无法避开二噁英生成温度，不能保证二噁英的达标排放，不仅造成二噁英排入大气更造成大量能源浪费，增加系统能耗，增加了企业碳排放。

针对上述中的相关技术，发明人认为首先需要对能源进行节约利用，并且尽可能避免二噁英的产生，以防止空气污染。

发明内容

为了对水平连续加料电炉烟气排放中能源进行节约利用，并且尽可能避免二噁英的产生，以防止空气污染，本申请提供一种水平连续加料电炉一次烟气环保治理及余热回收方法。

本申请提供的一种水平连续加料电炉一次烟气环保治理及余热回收方法，采用如下的技术方案：

一种水平连续加料电炉一次烟气环保治理及余热回收方法，其特征在于，包括：

烟气沉降，烟气预热废钢后经保温烟道进入沉降室沉降烟气中的大颗粒；

烟气极速冷却换热，经沉降除尘的烟气进入急速冷却换热装置，进行降温、换热；急速冷却换热装置在2S内将烟气降至200℃以下；将烟气余热收集至蓄热器；

布袋除尘，经活性炭吸附的烟气进入布袋除尘器过滤；

排空。

通过采用上述技术方案，烟气预热废钢后经保温烟道进入沉降室，烟气中的大颗粒及泡沫渣在室内进行沉降，减少烟气中含尘量，保护后续设备。经沉降室初步除尘后，烟气进入急速冷却换热装置，急速冷却换热装置可保证烟气在2S内由最高温度900℃降至200℃，急速降温避开二噁英的再生环境减少二噁英的生成时间。布袋除尘过滤并消除二噁英后的含尘烟气经布袋除尘合格后，排放。急速冷却换热装置回收了大量蒸汽，将热量收集至蓄热器，可用于预热发电、汽轮拖动或供给其他热用户。经计算，吨钢蒸汽回收量达100kg以上，依据GB21256-2013折算，相当于吨钢减少9.78公斤标煤排放。既回收了能源，又降低了排放。

可选的，还包括：沉降室补燃，在沉降室内设置燃烧器，燃烧器与燃料供气管道连接；在沉降室入口设置温度检测装置、沉降室出口设置温度检测装置；沉降室入口的温度检测装置与燃烧器的开关连锁，沉降室出口的温度检测装置与燃料供气管道的流量阀连锁；温度检测装置对烟气实时温度进行监测，并反馈温度信息；当沉降室入口的温度检测装置反馈温度低于设定值时，启动燃烧器燃烧；燃料供气管道的流量阀随沉降室出口的温度检测装置反馈温度动态调整。

通过采用上述技术方案，在沉降室设置燃烧器，对烟气温度低于650℃时，进行补燃。由于二噁英可以在烟气冷却过程的低温异相催化合成。发生低温异相催化合成的温度范围为300-650℃，由氯苯、氯酚或多氯联苯等前驱物，同时还有未燃尽碳存在，以及一些过渡金属铜、铁氯化物等，这些物质从高温（850℃以上）冷却后发生聚合，通过分子重组催化反应生成二噁英。低温异相催化合成二噁英的过程包括两个过程：前驱物在固体飞灰表面发生催化氯化反应合成二噁英；固体飞灰中的残留碳源、氯源、氧源等氧氯化反应合成二噁英的前驱物和二噁英。因此，在预热废钢的出口至沉降室的入口之间设置温度计等温度传感器，对烟气的温度进行实时监测，并将监测到的数据传输到控制单元，控制单元经比对，当温度低于650℃时，启动燃烧器燃烧，将烟气燃烧加热温度大于800℃，使烟气中产生的二噁英分解。在急速冷却换热装置进行冷却时，由于冷却时间很短，因此温度在能够生成二噁英的区间的时间足够短，使得生成二噁英的量较少。

可选的，沉降室设置至少一个燃烧器；当反馈温度信息烟气温度低于650℃时，启动燃烧器燃烧，燃料供气量动态调整；当沉降室出口烟气高于800℃后，持续设定时间长度后，关闭燃烧器、停止燃料供应。

通过采用上述技术方案，公开了沉降室的燃烧器，燃烧器可以设置一个或多个，优先设置两个三个，还可以设置助燃风机，助燃风机设置一个或两个，设置多个，可以有备用设备，保证使用过程中不会因为临时故障造成损失。温度和时间是对补燃调节的进一步限定。

可选的，所述急速冷却换热装置采用双压自然循环燃机余热锅炉，包括依次连接的入口冷却烟罩、若干个蒸发器、省煤机；

蒸发器包括换热器，换热器采用横向冲刷换热管束进行热交换，换热管内工质通过吸收烟气中的热量以使降低烟气温度，并产生一定量的饱和蒸汽，并送入蓄热器；

蓄热器对蒸汽进行缓冲、储存后，对蒸汽进行减压后通过管道输送至余热发电机组或汽轮机。

通过采用上述技术方案，公开了急速冷却换热装置的一种实施方式，急速冷却换热装置通过多个连续设置的蒸发器对烟气的温度进行冷却换热，换热后的热量供给给余热发电机组或汽轮机或其他热用户使用。省煤器由高温省煤器和低温省煤器两段管屏组成，受热面采用开齿螺旋鳍片管，错列布置。来自给水操纵台的给水依次经过低温省煤器和高温省煤器的各个管屏，从锅筒下部进入锅筒。省煤器各管屏集箱均设有疏水管和放气管，以保证运行稳定。

可选的，相邻的蒸发器之间通过烟道连接，烟道上设置清灰装置，清灰装置底部设置刮板输灰机。

通过采用上述技术方案，为便于清灰，另外每个换热器之间需设置一段连接烟道，一方面用于安装清灰装置，另一方面用于检修维护。

可选的，在换热管上增加翅片；每个换热器的换热管排数为15-17排；换热管纵向间距为100-150；单个换热器沿烟气流向的高度约为2.28m-2.52m。

通过采用上述技术方案，为强化换热效果，在部分换热管上增加翅片，增加换热面积，加强烟气侧的换热量，提高换热管的整体传热效果。由于烟气含尘特性，每个换热器的管排数、间距、烟道高度控制，便于清灰。

可选的，在还包括：活性炭吸附，经烟气极速冷却换热的烟气中喷射活性炭对烟气中的二噁英进行吸附。

通过采用上述技术方案，在急速冷却换热装置后设置活性炭喷射装置，利用活性炭对沉降室中产生的二噁英进行吸附，以保证排空的尾气排放达标。

还包括；急速冷却换热装置后烟气管道上设置活性炭喷射装置，活性炭喷射装置包括炭粉仓、喷吹罐，喷吹罐的喷吹管道与炭粉仓连接，并接入急速冷却换热装置后烟气管道上。

通过采用上述技术方案，公开了活性炭喷射装置的组成和设置位置。

可选的，保温管道内壁进行设置耐火层；耐火层包括低蠕变高铝砖砌筑、轻质高铝砖、轻质粘土砖；管道外表面温度≤50℃。

通过采用上述技术方案，公开了保温管道的耐火材料组成及外表面温度要求。

可选的，沉降室内烟气流速≤5m/s；沉降后烟气中大于40μm粒径粉尘沉降率大于95%；

布袋除尘器过滤风速≤0.75m/min，压力损失≤1200Pa；滤袋材质采用芳纶，容重≥600g/m

通过采用上述技术方案，控制沉降室的气流速度，以保证充分沉降，并保证粉尘后大颗粒粉尘得到充分沉降。公开了布袋除尘器的相关控制指标。

本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.本申请引入了二次燃烧及具有急冷功能的急速冷却换热装置两个概念，如果烟气在进入沉降室后烟气温度低于650℃，沉降室的燃烧器打开对烟气进行补燃，确保烟气在对废钢预热后进入急速冷却换热装置前的温度高于800℃，避开二噁英的在生成温度，烟气进入通过急速冷却换热装置后，确保烟气在2S内从900℃降到200℃，避免二噁英的生成区间长时间反应，同时回收了一次烟气的显热，为进一步减少二噁英的排放。

2.本申请在急速冷却换热装置后设置活性炭存储罐增加活性炭喷射装置，确保烟气中二噁英排放浓度≤0.3ng TEQ/Nm

3.本申请烟气显热回收技术既满足烟气超低排要求，又回收了大量蒸汽，经计算，吨钢蒸汽回收量达100kg以上，依据GB21256-2013折算，相当于吨钢减少9.78公斤标煤。

附图说明

图1是本申请的一种工艺路线示意图。

图2是本申请的一种工艺流程示意图。

图3是本申请的一种实施例的立面布置示意图。

图4是本申请的一种实施例的平面布置示意图。

图5是本申请的急速冷却换热装置一种实施例的立面布置示意图。

图6是本申请的急速冷却换热装置一种实施例的立面布置示意图。

附图标记说明：

1、水平连续加料装置，2、保温烟道，3、沉降室，31、燃烧器，32、助燃风机，4、急速冷却换热装置，41、入口冷却烟罩，42、蒸发器，43、省煤机，44、蓄热器，45、刮板输灰机， 5、布袋除尘器，6、排烟筒，7、活性炭喷射装置。

具体实施方式

以下结合附图对本申请作进一步详细说明。

针对水平连续加料装置1烟气预热废钢后排放，其烟气排放量大，温度高（约800℃），烟气蕴含大量物理显热。目前未能充分回收利用的问题，我院经大量查阅相关资料及多次论证，提出一种全新的可行方法对烟气显热回收技术回收此部分烟气显热，产生蒸汽，用于生产、生活。

在废钢预热过程中含氯高分子化合物通过燃烧/热解反应，分解生成二噁英，反应温度区间为300-650℃，在冶炼过程中，温度超过800°后二噁英彻底分解，但是在烟气降温过程中，会通过基元反应再次生成二噁英，反应区间为300-650℃，如何避免二噁英的再生成，需要烟气温度在2S内从900℃降温到200℃最大限度减少烟气在二噁英最适宜生成温度区间的停留时间。如何在确保二噁英等污染物达标排放的情况下对电炉一次烟气进行余热回收是目前电炉余热回收的难点和重点。

本申请实施例公开一种水平连续加料电炉一次烟气环保治理及余热回收方法。参照图1。该方法方法，包括以下环节。

电炉的一次烟气预热废钢后通过保温烟道2送至沉降室3。保温烟道2与电炉烟气出口之间设置补偿器，以防止在烟气温度波动时，保温烟道2不均匀伸缩造成开裂。

烟气沉降。烟气预热废钢后经保温烟道2进入沉降室3沉降除尘，沉降室3内烟气流速≤5m/s，在沉降室中烟气中大于40μm粒径粉尘沉降率大于95%。并在沉降室3可进行补燃。

在水平连续加料装置的烟气出口设置温度检测装置、沉降室3入口设置温度检测装置、沉降室3出口设置温度检测装置，温度检测装置可为热电偶式温度计量装置。在沉降室3内设置燃烧器31，燃烧器31与燃料供气管道连接，燃料可使用天然气。其中沉降室3入口温度检测装置与燃烧器31连锁，沉降室3入口温度决定燃烧器31是否开启。沉降室3出口温度检测装置与燃烧器31的燃料流量连锁，通过燃料的流量来调节烟气温度。烟气温度检测信号经PLC处理，自动启动燃烧器31，出口烟气温度检测信号经PLC处理，自动调节燃料量，保证烟气温度，节约燃料。

沉降室3入口的温度检测装置对烟气实时温度进行监测，并反馈温度信息，当反馈温度信息烟气温度低于650℃时，启动燃烧器31燃烧，沉降室3出口的温度检测装置对烟气实时温度进行监测，并反馈温度信息，燃料供气量动态调整。当沉降室3出口烟气高于800℃后，调小燃烧器31的燃料供气量，持续一段时间后，即可停止天然气燃烧器31，此时无二噁英或其前驱物质生成。烟气预热废钢后经保温烟道2进入沉降室3，烟气中的大颗粒及泡沫渣在室内进行沉降，减少烟气中含尘量，保护后续设备。其中，沉降室3设置至少一个燃烧器31，燃烧器31与天然气供气管道连接，并设置助燃风机32。

在沉降室3内，控制烟气流速≤5m/s，流速低有利于大颗粒沉降，低流速烟气不能夹裹大颗粒流动，大颗粒自然沉降。沉降室3内烟气流速≤5m/s能保证大颗粒沉降。在沉降室3设计时，依据烟气最大流量，计算确定沉降室3通流面积。由于依据烟气最大流量设计，不存在超速现象。因此能够保证烟气低流速通过。

电炉烟气粉尘粒径大于40μm的比例约为45%，烟气流速与夹裹大颗粒粒径及颗粒密度有关，电炉渣颗粒真密度约3.3t/m

烟气极速冷却换热。经沉降除尘的烟气进入急速冷却换热装置4，进行降温、换热；急速冷却换热装置4在2S内将烟气降至200℃以下，急速冷却换热装置4可保证烟气在2S内由最高温度900℃降至200℃，急速降温避开二噁英的再生环境减少二噁英的生成时间。急速冷却换热装置4回收了大量蒸汽，将热量收集至蓄热器44，可用于预热发电、汽轮拖动或供给其他热用户。

急速冷却换热装置4即为一种改进型的余热回收锅炉，控制原理与常规锅炉相似，按锅炉的要求与烟气回收系统正常连锁既可满足要求。

急速冷却换热装置4的换热器设置声波吹灰器及激波吹灰，保证换热器表面不积灰，即便有些许熔融渣进入急速冷却换热装置4，也不会有熔融渣粘结在换热器表面。

急速冷却换热装置4换热面一定，如果入口温度偏高，出口温度自然会高，急速冷却换热装置4换热面经计算确定。保证烟气入口最高温度时，出口烟气温度不高于200℃。

活性炭吸附。急速冷却换热装置4后烟气管道上设置活性炭喷射装置，活性炭喷射装置包括炭粉仓、喷吹罐，喷吹罐的喷吹管道与炭粉仓连接，并接入急速冷却换热装置4后烟气管道上。经降温、换热的烟气中喷射活性炭进行烟气吸附，确保烟气中二噁英排放浓度≤0.3ng TEQ/Nm

在急速冷却换热装置4入口温度低于650℃及沉降室3出口温度高于250℃的非正常工况时默认二噁英生成，投入活性炭吸附。活性炭炭粉喷入管道后吸附生成的二噁英，吸附二噁英的炭粉伴随除尘灰被收集，除尘灰及除尘布袋为危废，后续进行专业化处理。

布袋除尘。经活性炭吸附的烟气进入布袋除尘器5过滤。

排空。布袋除尘过滤后的含尘烟气经排烟筒6排出。

为最大限度的保留烟气物理显热，保温管道内壁进行喷涂。工作衬采用低蠕变高铝砖砌筑，隔热衬为轻质高铝砖和轻质粘土砖，管壳内喷涂耐火喷涂料。耐火材料厚度分别为120mm、110mm、110mm和80mm，保证管道外表面温度≤50℃，最大限度的保留烟气物理显热。

沉降室3内烟气流速≤5m/s，沉降室3中烟气中的大颗粒及泡沫渣在室内进行沉降，减少烟气中含尘量，保护后续设备。烟气中大于40μm粒径粉尘，全部沉降。大颗粒渣粒在沉降室3内进一步燃尽，燃透，保证不会有熔融渣进入急速冷却换热装置4，避免熔融渣粘结在急速冷却换热装置4表面。沉降室3设置燃烧器31，当烟气温度低于650℃时，启动燃烧器31，将烟气加热至800℃以上，保证二噁英全部燃尽。

为进一步保证二噁英达标排放，急速冷却换热装置4后管道设置活性炭喷射装置。非正常工况时，烟气中喷入活性炭，保证烟气达标排放。

除尘器过滤风速≤0.75m/min，压力损失≤1200Pa，滤袋材质：芳纶，容重≥600g/m

本申请引入了二次燃烧及具有急冷功能的急速冷却换热装置4两个概念，如果烟气在进入沉降室3烟气温度低于650℃，沉降室3的燃烧器31打开对烟气进行补燃，确保烟气在对废钢预热后进入急速冷却换热装置4前的温度高于800℃，将产生的二噁英充分分解。烟气进入急速冷却换热装置4后，确保烟气在2S内从900℃降到200℃，快速避开二噁英的生成区间，进一步减少二噁英生成。同时回收了电气一次烟气的显热，将热量收集至蓄热器44，可用于预热发电、汽轮拖动或供给其他热用户，使热量得到有效的回收利用。在急速冷却换热装置4后设置活性炭存储罐增加活性炭喷射装置，进一步对烟气中二噁英进行吸收。再经过布袋除尘过滤得到合格后的烟气尾气后排放。

实践实例1：在某项目上采用此方法，水平连续加料装置通过补偿器与保温烟道2连接，保温烟道2与沉降室3连接。沉降室3设置有三个燃烧器31，并设置有助燃风机32两台。

该项目中，预热废钢烟气出口到沉降室3入口的保温烟道2不超过15m，温降小于0.15℃，即每100米温降小于1℃。

在沉降室3设计时，依据烟气最大流量，计算确定沉降室3通流面积。烟气流量：20万Nm

依据工艺专业提供数据，水平连续加料装置1烟气常规生产温度不超过900℃，急速冷却换热装置4设计另一个重要保证条件就是确保在任何极端状态下烟气出口温度不会超过300℃，如果遇见事故状态烟气温度瞬间过高，急冷装置无法将烟气温度降到250℃，急冷装置出口烟气温度超温，二噁英未完全去除则活性炭喷射装置打开，除尘器入口混风阀打开，确保系统运行安全稳定，如果工艺系统出现故障，需停炉检修。

沉降室3与急速冷却换热装置4连接。急速冷却换热装置4包括入口冷却烟罩41、依次设置的五个蒸发器42、以及两个省煤机43，相邻的蒸发器42之间通过烟道连接，烟道上设置清灰装置，清灰装置底部设置刮板输灰机45。蒸发器42包括换热器，换热器采用横向冲刷换热管束进行热交换，管内工质吸收烟气中的热量，降低烟气温度的同时产生一定量的饱和蒸汽，并送入蓄热器44；蓄热器44对蒸汽进行缓冲、储存，然后对蒸汽进行减压后通过管道输送至余热发电机组或汽轮机或其他热用户。为强化换热效果，本急速冷却换热装置4会在部分换热管上增加翅片，增加换热面积，加强烟气侧的换热量，提高换热管的整体传热效果。由于本项目的烟气含尘特性，每个换热器的管排数控制在15-17排之间，便于清灰，纵向间距为120mm，包括换热器的支撑结构，单个换热器沿烟气流向的高度约为2.28m-2.52m之间；另外每个换热器之间需设置一段连接烟道，一方面用于安装清灰装置，另一方面用于检修维护，每段连接烟道的高度约为0.8m。省煤器由高温省煤器和低温省煤器两段管屏组成，受热面采用开齿螺旋鳍片管，错列布置。来自给水操纵台的给水依次经过低温省煤器和高温省煤器的各个管屏，从锅筒下部进入锅筒。省煤器各管屏集箱均设有疏水管和放气管，以保证运行稳定。

本项目中，急速冷却换热装置4共有5组换热器，每组换热器之间有一个连接烟道，烟气从进入第一组换热器开始，依次换热器、连接烟道，直至离开第五组换热器，所经历的时间，为烟气的停留时间。针对去除二噁英的特殊工艺要求，为满足烟气停留时间小于2S，故需针对各组换热器的烟气流速进行差异性设计，满足热负荷功率的同时，也满足烟气总停留时间的限制要求。通过整体优化设计，本项目急速冷却换热装置4从800℃降至200℃的冷却时间为1.206s（下表1～9项合计），通过680-200℃区间的停留时间为0.99s（2～5项+7～9项），完全满足烟气急冷的速率要求，能有效抑制二噁英的再生，达到喷雾急冷的同等效果。（具体见附图6中的表：烟气停留时间计算表）

急速冷却换热装置4后设置活性炭喷射装置，包括炭粉仓、喷吹罐，喷吹罐的喷吹管道与炭粉仓连接，并接入急速冷却换热装置4后烟气管道上。

急速冷却换热装置4通过保温烟道2与布袋除尘器5连接，后通过排风机与排烟筒6连接。

实践实例2：在某150t水平加料电炉项目上采用此方法，电炉烟气在经过废钢通道后保持在800℃左右，水平加料出口设置温度计当烟气温度低于650℃时，沉降室3的燃烧器31打开对烟气进行补燃确保进入急速冷却换热装置4烟气达到800℃，烟气进入急速冷却换热装置4后确保2S内烟气温度降到200℃以内，避开烟气中二噁英的在生成温度区间，急速冷却换热装置4出口后设置活性炭喷射装置，确保二噁英达标排放。经过3个月的试运行电炉一次烟气烟囱出口二噁英排放浓度≤0.3ng TEQ/Nm

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。