AOD炉烟尘处理及余热回收技术开发应用

张卫东,施 剑,曹春华，杨乙斌

（1.无锡三达环保科技有限公司，江苏无锡，214131;2.西格斯先进技术有限公司上海办事处，上海，200085）

AOD炉烟尘处理及余热回收技术开发应用

张卫东1,施 剑2,曹春华1，杨乙斌1

（1.无锡三达环保科技有限公司，江苏无锡，214131;2.西格斯先进技术有限公司上海办事处，上海，200085）

AOD炉在冶炼过程中产生大量高温烟尘，温度达到1850益左右，烟尘量达100 g/m3，在降温除尘的同时，产生饱和蒸汽，再利用蒸汽使汽轮机电机混合驱动除尘风机，达到资源利用的目的。

AOD炉；混合驱动；回收余热；洁净处理

1 概况和趋势

我国是世界上最大的冶金生产大国，全国现有冶金行业用于冶炼的40~100 t AOD炉约800多座，AOD炉市场更多。余热据统计，我国大中型企业吨钢产生的余热总量为8.44 GJ，各种熔渣的显热约占9%，各种废(烟)气占37%，余热资源丰富。而国外先进钢铁企业余热余能的回收利用率平均达80%以上，如日本新日铁高达92%。我国大型钢铁企业余热利用率约为30%耀50%。

目前余热最新发展趋势：国内大型钢铁企业，重视高温余能回收等重大节能技术应用和相关装备的投入，如高温高压干熄焦(CDQ)发电技术、烧结余热回收技术、高炉余热发电技术等。近几年，余热回收工作逐步向中低温余热回收利用方向发展，大批中低温余热回收利用项目的陆续投产，如加热炉、退火炉烟气余热回收等，都在向中低温余热回收利用降耗和节能方向发展。

2 本项目研究的目的和意义

通常钢厂大多只考虑实施除尘这一方面，在资源再利用方面还很欠缺，余热技术的利用不够。本项目的研发不仅仅局限于除尘，还能有副产品如饱和蒸汽、电能、动能的产生。本项目采用多项专利技术是为了解决AOD炉除尘技术诸多共性难题。如冶金行业现有余热利用技术中：

（1）高温烟尘烧布袋、排放浓度达不到国家最新标准及无法余热回收综合利用。

（2）传统余热发电系统从热能原电能原动能的多环节，在节能量转化中损失能量，降低了能量利用率。

（3）汽轮机发出的电能要并网需要电力部门批准，要交纳电网使用费，增加企业成本。

本项目研究开发及推广应用，可提高国内冶金领域的环境保护及余热利用技术水平。

3 国内外情况对比

目前，国内针对炉窑高温烟尘除尘及余热利用技术都在深入的研究，方法各异。如下：

（1）德国鲁奇公司和蒂森钢厂在上世纪60年代联合开发了AOD炉干法（LT法）净化技术。该技术有如下缺点：(a)是除尘净化效率不高，粉尘质量浓度降至50 mg/m3左右；(b)是该系统阻力大，能耗高，回收余热能力差。

（2）宝钢工程技术集团有限公司开发的余热利用设备“汽化烟道+布袋除尘器”，存在的缺陷：汽化烟道的安装和维护比较麻烦，厂房高度要高，建设厂房成本大；余热利用效率不高，产蒸汽量少，不稳定，系统投资大。

表1 国内外余热除尘系统对比

4 解决的关键技术

AOD炉在冶炼过程中产生大量高温烟尘，温度高，烟尘量大，在降温除尘的同时，产生饱和蒸汽，在利用蒸汽使汽轮机电机混合驱动除尘风机。现新开发的技术：是克服现有技术中存在的不足，重点研发本项目除尘器本体运用重力和惯性原理；内配置一种火花捕集装置；新型脉冲喷吹装置；汽化烟道和余热锅炉采用辐射换热和对流换热原理；汽轮机混合驱动风机采用ORC有机朗肯循环原理，防磨隔热层保温烟道采用龟甲网结构。

重点解决的关键技术：

(1)解决创新设计变流式屋顶烟罩改变断面吸捕速度（公司专利），为方锥体或长菱锥体，锥体壁板倾角以45耀60益为佳，罩内设有导流增速板，为“活动式平行连杆机构调速板”，提高屋顶烟罩断面吸捕速度。

（2）解决HMD—火花捕集式低压脉冲布袋除尘器（专利产品）：在低压脉冲袋除尘器内连接一种火花捕集装置，能把20um以上粗颗粒捕集下来，用高效滤料来过滤，环保要求达到国家最新标准，将除尘器阻力控制在1500耀1600 Pa之内(中阻),20um以上粗颗粒捕集效率逸95%,布袋寿命15个月以上,除尘效率逸99.5%。

(3)解决采用”汽化烟道+耐高温耐磨保温烟道+翅片式余热”联合的工艺技术（发明专利），烟尘的高、中温区的余热热能全部回收，产出饱和蒸汽量大，实现能源再利用.

(4)解决利用汽轮机与电机联合拖动除尘风机工作，即“电机+除尘风机+机电一体化摩擦式离合器+汽轮机”工艺（专利产品），内部可以避免能量转换过程中能量损耗，有效提高了能量利用率。外部减少除尘电机的使用时间，节约电能。

5 本项目的技术指标

70 t AOD炉烟尘洁净处理后回收余热驱动主机系统项目为例的技术指标：

额定处理烟气量:11伊104m3/h;

布袋使用寿命:逸15月;

岗位粉尘浓度:臆8 mg/m3（扣除本底值）;

排放浓度:臆10 mg/m3;

余热锅炉进口烟气温度:630益（最高900益）;

出废热锅炉装置烟气温度:臆230益;

余热锅炉烟气流量:110000 m3/h;

余热锅炉额定产汽压力:臆2.4 MPa;

蓄热器出口饱和蒸汽压力:1.0 MPa（饱和）;

蓄热器出口饱和蒸汽流量:15耀25 t/h;

蓄热器出口饱和蒸汽温度:臆180益;

汽轮机进汽压力:1.0依0.6 MPa（饱和）;

汽轮机排气压力:0.1 MPa;

汽轮机驱动能力:1000耀2300 kW;

汽轮机转速范围:2100耀3150 r/min;

汽轮机正常工况汽耗:7.34 kg/kW.h。

6 研究试验方法、工艺流程

6.1 研究试验方法

根据AOD炉冶炼的工艺、温度、烟尘性质做了1：700实验模型，处理风量1000 m3/h，AOD炉冶炼周期100 min，检测如表2（各炉除氧器温度最高106益，平均99益）、表3(AOD炉实际测量余热锅炉温度)。

表2 五炉钢水余热锅炉进口最高烟气温度表

表3 一炉钢水时间温度表

从表2、3中得到余热锅炉最高烟气920益，平均温度在：40 min内：500 益，60 min内：410 益，60 min内：300益,从AOD炉温度上看呈“M”型。因此看出AOD炉冶炼工艺不确定因素高，导致余热产生蒸汽量波动性大。

6.2 工艺流程

AOD炉在正常冶炼时，烟气主要通过炉口上方捕集（一次烟气捕集）；在吹氧气、加料、出钢的时候烟气是通过变流式屋顶烟罩捕集（二次烟气捕集），通过管道上电动阀门来控制风量大小，将一次烟气和二次烟气排烟系统合并设置，其最大的优点是利用二次烟气较低的含尘浓度很低的烟气温度以及大风量的特点，来稀释和降低一次烟气中的高尘和温度状况；在这同时热烟尘经过翅片管式余热锅炉系统，通过辐射对流将热能吸收，产生饱和蒸汽并收集起来，用该蒸汽带动汽轮机直接拖动除尘主风机，就不需要用发电机来发电给除尘电动机供电，也不需要电厂的电能来驱动电动机，这样避免能量转换过程中能量损失。整个系统工艺可分为：除尘工艺、余热锅炉工艺、汽轮机和电机混合驱动除尘风机工艺。见图1。

6.2.1 除尘工艺

(1)一次烟气捕集：正常冶炼时，异性式水冷密排管吸口对准固定保温烟道口，增压风机产生负压作用，使炉口高温热烟尘被吸入异性式水冷密排管吸口罩中至沉降室和耐高温耐磨保温烟道，进入翅片管式余热锅炉系统，余气通过增压风机进入鳍片管道到HMD—火花捕集式低压脉冲布袋除尘器，除尘净化达标从排气筒排出。

(2)二次烟气捕集：高温烟尘在风机站负压和烟尘热抬升力作用下：加料、出钢时，烟气通过变流式屋顶烟罩，进入低温钢管道到HMD—火花捕集式低压脉冲布袋除尘器，除尘净化达标排放。

图1 整个系统工艺

6.2.2 余热锅炉工艺

余热锅炉系统可分为：热力除氧系统、产蒸汽系统、水循环系统、加药装置、取样装置、排污扩容器等。

（1）热力除氧系统

气体在水中的溶解度与水的温度（逸104益）有关。在一定的压力下，随着水温升高，气体的溶解度相应降低。热力除氧就是利用这个原理，将水加热到沸点，使水中的气体溶解度为零，而达到除氧和除二氧化碳的目的。在AOD炉高温烟气经过低压蒸发器进行热交换作用下，低压锅筒水进入低压蒸发器将换热出来汽水混合进入低压锅筒进行汽水分离，产生低压蒸汽到热力除氧器进行除氧。

（2）产蒸汽系统

AOD炉高温烟气经过中压蒸发器进行热交换作用下,中压锅筒水进入中压蒸发器将换热出来汽水混合物在热升力作用下进入中压锅筒进行汽水分离产生蒸汽再到蓄热器。蓄热器是一种节能装置，一般可节能5%耀15%，当余热锅炉负荷减小时，多余蒸汽供入蒸汽蓄热器内，使蒸汽在一定压力下变为高压饱和水，当汽轮机负荷增加大，余热锅炉蒸发量供不应求时，降低蓄热器中压力，高压饱和水即分离为蒸汽和低压饱和水，产生蒸汽给汽轮机。蓄热器产生蒸汽进入分汽缸后再进入汽轮机。分汽缸的主要作用是分配蒸汽，因此分气缸上有多个阀座，连接蓄热器的主汽阀及送汽阀门。分气缸还有储存蒸汽、多台锅炉蒸汽并用的作用，在外还有一定的汽水分离能力。

（3）水循环系统

合格的除盐水进入软化水箱，在软水泵作用下分别进溶液箱(加药)和热力除氧器补充水，内设安全自循环系统。低压给水泵从热力除氧器将水抽出来分别给到低压锅筒补水，产气低压蒸汽进入热力除氧器进行热力除氧，内设安全自循环系统。中压给水泵从热力除氧器将水抽出来到中压锅筒进行补水产生蒸汽进入蓄热器。

（4）加药装置

根据原水的硬度、碱度和锅炉水维持的碱度或药剂浓度及锅炉排污率大小等确定，通常加氢氧化钠、碳酸钙、磷酸三钠等。软水泵溶液箱(加药)在计量泵作用下到中、低压锅筒去，主要来去除结垢物。

（5）取样装置

保证锅炉系统不产结垢物和加药时间等设置取样装置，本系统有给水取样、中压炉水取样、中压蒸汽取样、低压炉水取样

（6）排污扩容器

主要在锅炉系统调试和锅炉水不合格时候才使用，本系统有低压锅筒、低压蒸发器、中压蒸发器、中压锅筒、蓄热器排污，见图2。

图2 余热系统工艺

6.2.3 汽轮机和电机混合驱动除尘风机工艺

因AOD炉冶炼工艺不确定因素高，温度、流量波动性大、变法范围大等特点，这样导致余热产生蒸汽量波动性大，随之汽轮机转速发生变化并小于电机转速，这样使除尘系统达不到环保效果。为解决这个难题：将汽轮机和主风机相连轴之间加一种机电一体化摩擦式离合器，其目的为分离和合入的功能。当汽轮机转速小于电机转速的80%（可调）时候，机电一体化摩擦式离合器将汽轮机和主风机相分离，同时电机通过电厂的电能来启动，使电机工作，这样风机始终在工作；当汽轮机转速等于电机转速时候，机电一体化摩擦式离合器将汽轮机和主风机相合入，此时电机断开电厂的电能，电机停止工作，汽轮机拖动风机工作；汽轮机转速高于电机转速是严格不允许，汽轮机本身额定转速在出厂前有严格要求。就通过蒸汽量发生变化，工质由汽和电发生转化，那汽轮机和电机混合拖动主风机，如此循环，达到除尘和环保要求。汽轮机电机转速有专门检测装置，在电气自动化上进行控制互锁和连锁等功能,见图3、图4所示。

图3 混合驱动除尘风机工艺1

图4 混合驱动除尘风机工艺2

7 结论

本项目采用全燃法“耐高温耐磨保温烟道+汽化烟道+翅片式余热锅炉+混合驱动联合”的工艺，2015在广西某钢厂AOD炉余热系统的尝试，实际产生蒸汽22 t/h,驱动功率2240 kW,排放浓度10 mg/m3，将来有较大的经济效益和社会效益。

[1]蔡九菊.钢铁企业能耗分析与未来节能对策研究 [J].鞍钢技术,2009年02期.

[2]郭汉杰,尹志明.钢铁冶金流程节能空间研究[J].钢铁,2007年02期.

[3]曹春华,张卫东,陆俊杰.AOD炉烟尘高中温余热正能回收利用及除尘系统.中国,ZL201410026304.5[P].2016-03-2.

[4]曹春华,朱晓红,张卫东.电机汽轮机混合拖动转炉除尘风机余热利用及除尘系统.中国,ZL201220346824.0[P].2013-02-27.

[5]曹春华,肖亚娟,宋晨,陆俊杰.变流式屋顶罩.中国,ZL201420274108.5[P].2014-09-17.

开发应用项目:江苏省重点研发计划--产业前瞻与共性关键技术(BE2016191)

Development and App lication of AOD Furnace Smoke Treatment and Waste Heat Recovery Technology

Zhang Weidong1,Shi Jian2,Cao Chunhua1,Yang Yibin1
(1.Wuxi Sanda Environment Protection Technology Co.,Ltd.,Wuxi,Jiangsu 214131;2.Shanghai Representative Office of Seghers Advanced Technologies Co.,Ltd.,Shanghai 200085,China）

AOD furnace produces large amount of high temperature smoke in smelting process with the smoke temperature reaching 1850益and the amount of smoke as high as 100 g/m3.Saturated steam is produced from the process of smoke cooling and dust removal,which is used to power the steam turbine to drive the dust removing fan,thus achieving the goal of resource utilization.

AOD furnace,hybrid drive,recovery waste heat,clean treatment

TK115

B

1006-6764(2018)01-0036-06

2017-08-08作者简介:张卫东（1981-），男，大学本科学历,工程师，现从事节能环保设计工作。

2017-10-10