矿热炉烟气余热利用的实践

杨 柳

（中钢石家庄工程设计研究院有限公司，河北 石家庄 050000）

现阶段，工业生产中余热的损失大约占据了世界总能耗的30%～70%，因此，当务之急是尽快实现节能减排，从中国工业协会调查了解到，矿热炉是当前我国合金产品生产的主要机械设备，矿热炉在运行过程中会消耗我国总发电量2%的电能，因此，余热利用备受关注和重视。因此，本文重点分析了合金生产中矿热炉烟气余热利用技术。

1 矿热炉烟气回收利用重要意义

碳质还原剂一般用于生产合金产品，在进行矿热炉冶炼时，释放的烟气中一般都会含有CO,CO2,H2等成分，且炉口烟气温度可达到400℃左右，含有大量显热。以75%硅铁矿热炉为例，烟气中的大量热能相当于总能量输入的50%左右。因此，借助先进技术回收矿热炉烟气中的能量，具有非常重要的现实意义，既可以有效减少生产成本，又可以降低烟尘污染。

2 矿热炉烟气能源同收利用概况

2.1 国外矿热炉烟气能量回收利用发展历史

瑞典美国艾尔克公司瓦岗厂是最大进行半封闭型矿热炉烟气余热回收利用的企业。此工厂于1958年、1966年、1972年先后完成21000kVA、45000kVA、75000kVA半封闭矿热炉的回收蒸汽工程。其中，75000kva半封闭型硅铁电炉余热锅炉可日产1000～2000吨293摄氏度的高压蒸汽，既可以用于发电，又可以为其他周边工业企业提供热量。

挪威埃肯公司于1977年在法国敦刻尔克地区的乙炔和电冶金公司设计制造了一台大型半封闭型矿热炉，这是一台可以有效回收余热的系统，并在1978年正式投入使用，此台电炉可以通过余热锅炉回收烟气余热所产生的蒸汽再进行发电，从而减少供电量20%左右。

2.2 我国矿热炉烟气能量回收利用的发展

尽管我国矿热炉烟气能源回收利用发展起步起晚，但最近几年已经取得了令人瞩目的好成绩。在1980年代，湖南一家工程尝试在硅铁热炉上安装一个水冷壁管，用于余热回收测试。因为是烟罩敞口炉，硅微粉堵塞水冷壁管等原因，所以无法正常运作。

湖南某冶炼厂在1992年从德国马克公司花巨资引进了30000kVA的全封闭型锰硅合金电炉，主要用于净化回收的烟气，为24m的烧结机烧结锰矿提供能源。

鄂尔多斯电力冶金集团有限公司大型集群式电炉的低温烟气余热资源综合利用于2008年获得内蒙古自治区批准。一期工程建设了8台硅铁电炉，升级并建造了两台9MW发电机组。建设于2009年6月开始，第一台机组于2010年3月实现并网发电。

3 实际案例分析

吉林某厂拥有规模庞大的合金生产能力，现有25MVA矿热炉2台，50MVA矿热炉1台，拥有一条完成系统的年产20万吨锰合金生产线，为了充分利用烟气中的热量，公司又先后投入了大量资金，建成12MW余热发电系统，主要目的是充分利用矿热炉产生的高温烟气完成相应发电。利用余热发电后，烟气中的热量还没有得到充分利用，还存在一定的余热。实践证明，合金冶炼过程中高温烟气余热利用率相对较低，仅为33%；余热发电完成后，烟气余热仍有很大的利用空间和开发利用潜能。因此，为了达到烟气余热梯级利用的目的，达到良好的清洁生产、节能减排效果，余热发电产生的烟气需要直接利用干燥球团进行相应处理。

4 矿热炉剩余烟气利用技术特点

4.1 烟尘的主要来源

由于合金冶炼产品种类繁多，废气成分也因原料、工艺、设备的不同而不同。但这些气体都具有粉尘多、高温以及热损失大等共同特点。在生产过程中，一般都会释放大量的含尘高温烟气，究其原因是因为冶炼过程中，都会用到一些还原剂，并在高温条件下，空气中的氧与物料中的碳元素发生化学反应，从而产生二氧化碳、一氧化碳等气体，进而产生含有各种杂质的高温烟气。

4.2 烟气的组成部分

H2O、SO2、CO2、N2等共同组成了矿热炉烟气，各主要成分占比一次为2%、0.2%、15%～18%和75%～78%。高温烟气经余热发电处理后，通过热电偶、毕托管等众多工具，进而获得三台矿热炉的烟气温度和流量的平均值。从测量数据结果我们可以发现，矿热炉烟气余热发电后烟气温度能够达到75℃～125℃之间，烟气流量很大。一旦排空，必然会浪费大量能源，流失大量热量。因此，吉林某公司有效改进了此项技术，直接烘干球团处理此部门烟气，以达到烟气余热多阶段回收利用的目的。

5 矿热炉残余烟气利用技术原理与过程

5.1 矿热炉烟气余热利用原理

根据生产过程实测数据进行计算，50MVA矿热炉拥有22×104m3/h的烟气量，其出口温度可达45℃，入口温度高达105℃。经过精确计算，105℃时烟气热焓为148.912kJ/m3，45℃时热焓为67.239kJ/m3。当50MVA矿热炉用球团干技术，可以有效利用的能量为1.179×106kJ/h，25MVA矿热炉烟气量为42×104m3/h，出口温度45℃，入口温度可达95℃。结果表明，95℃时烟气焓为每立方米133.781KJ，45℃时烟气热焓每立方米为66.532KJ。25MVA矿热炉采用球团干燥技术时，可用能量能够达到1.552×108KJ/h，吉林某公司冶炼炉年总工作时间为24×300=7200h，年有效热量相当于标准煤（0.338+0.532）×7200=6264t。

系统分析矿热炉现场数据后，发现湿球团含水率可达12%～16%，并要求干燥后的规定含水量为1%～4%；经过精确计算，吉林某公司现在用的湿球团矿含水率为14%，干球团矿含水率为2.5%。

综上所述，如果一台50MVA矿热炉和两台25MVA矿热炉同时工作，一旦出现超负荷工作，这三台矿热炉产生的烟气可利用余热相当于标准燃料6264t/a，能够烘干球团为164842.105吨。

5.2 矿热炉烟气余热发电技术具体工作流程

主要通过连续烘干方式烘干球团，一般5天为一烘干周期，烘干之后，球团经干燥后直接用于矿热炉，提取烘干球团，准确测定其抗压强度，并对球团质量进行测试和分析。被烘干的球团拥有很强的抗压强度值。

矿热炉烟气余热干燥后的球团强度值较高，其平均值都在每平方厘米3510N以上，且球团质量始终处于一个平稳状态。相对于传统烘干方式，其强度更好，能够完全符合合金冶炼工艺对物料要求。

6 影响余热回收发电的主要因素

6.1 烟气流量和温度

矿热炉生产过程中释放的烟气，难以会流失大量热量，主要因为矿热炉以间歇式出铁为主，加料过程也是以间歇操作为主，从而导致烟气温度波动较大。此外，矿热炉冶炼期间，每隔1～2小时产出合金一次，整个过程持续时间能够达到30分钟，在此过程中，烟气流量和温度都会相应下降，最大温差能够达到150℃。此现象随冶炼时间的变化呈周期性变化，导致烟气流量和温度的波动。这种现象给余热发电系统的稳定运行带来诸多困难。为了有效解决烟气流量和温度变化问题，研究人员通过饱和蒸汽来有效处理影响系统运行的烟气流量和温度波动问题。

6.2 锅炉除尘

在埋弧炉冶炼期间，不可避免产生粉尘，其粉尘表面活性较强。在余热锅炉受热面上，粉尘不仅热阻高，而且粘附性相对很强。特别是在半封闭式锰硅冶炼炉烟气中，粉尘浓度高、粉尘粒径小，会严重锅炉热效率。甚至堵塞烟气通道，造成停炉检修，从而造成严重的经济损失。

6.3 烟道结焦

烟道一旦结焦，必然会缩小烟道口径，甚至堵塞流通区，造成炉膛压力升高，从而使烟气中SO2向外扩散，甚至需要停炉清理烟道和对流区结焦处，无形中又增加了非作业时间，且人工清洗变得极其繁重。为有妥善处理好矿热炉烟道与余热锅炉结焦问题，有效提升锅炉运行效率，工作人员通过不断尝试时间，最终发现通过化学辅助手段能够有效抑制结焦。通过提高结渣物地熔点，可以达到抑制效果。

7 其他余热发电后尾气剩余热量再利用方案

余热回收炉可以有效吸收矿热炉冶炼期间排放出的烟气，主要是因为由锅炉具有双压蒸汽系统，故排出的烟气可及时转化为过热蒸汽。汽轮机高压段进入余热锅炉高压蒸汽工作。低压蒸汽通过低压端入口进入汽轮机，变压器与饱和汽轮机的结合大大提高了汽轮机的发电量。烟气排放系统的烟气主要来自于余热锅炉释放的300℃烟气。在经过补汽锅炉冷却后产生200℃烟气，被应用到换热器中加热循环水，进而充分发挥预热、解冻、净化生活用水的作用。烟气经布袋式除尘器净化后排入大气。蒸汽发生器利用蒸汽发生器的辅助蒸汽发生器来补充蒸汽发生器的水，从而大大提高蒸汽发生器的效率。烟气余热可通过系统实现供电供热热电联产，并可回收利用，有利于提高余热蒸汽的利用效率。

8 结语

综上所述，余热发电技术从本质上讲，是一种将企业的高品位热能回收转化为自用技术的技术。余热发电后，可以更好地利用烟气余热，即将大量废气中的高级热能回收利用，转化为二次能源，不仅可以降低企业的生产成本，而且还可以实现能源再利用，达到节约资源的目的，使企业取得良好的经济收益和社会收益。矿热炉残余烟气利用技术是冶金工业实现循环经济、节能减排和清洁生产的有效手段。