直流电炉安全运行及煤气回收并网设计

任占誉，华志宇，王 斌

(昆明有色冶金设计研究院股份有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

发展和运行了近百年，水冷炉壁的发展使超高功率、采用长弧操作，提高生产力和电效率成为现实。尽管交流电弧炉采用了如水冷炉盖、壁，导电横臂，造泡沫渣和底吹搅拌技术等新技术，但多方改进的交流超高功率电弧炉仍有3个致命弱点：①电弧不稳定，噪声大，闪烁效应使电网受干扰和过度的炉壁烧损；②热效率不高，电力传输损失大；③石墨电极消耗大，相当于电耗费用的30 %。

全密闭直流电弧炉(以下简称DC炉)基于自身的特性，能克服上述弊端，20世纪70年代大功率可控硅整流装置日趋完善，全密闭直流电弧炉重新获得发展，越来越多的应用于铁合金行业、钛合金行业，已有取代交流电炉的发展趋势。

全密闭DC炉在炉膛内为垂直导电方式，炉底为阳极，冶炼时不受电阻率的影响，易于实现高电压长弧冶炼操作，形成开弧冶电弧炉的萌芽阶段是采用直流发电机组供电，即直流DC炉，但在19世纪末三相交流电弧炉问世，冶炼过程产生大量高温煤气，最高煤气温度可达1 800 ℃。为保证DC炉安全运行，炉内一般为微正压操作。

因烟气带走的热量，包括烟气显热、煤气的化学能，相当于输入炉内电能转化的热量，因此，充分进行DC炉余热回收，是电弧炉生产降耗的重要措施之一。如将煤气显热回收，加之煤气燃烧锅炉，可实现回收输入电能的40 %～50 %的能源。

1 直流DC炉微正压及煤气回收现状及难点

1.1 国内外已有工艺

我国有色冶炼行业和铁合金行业，2010年前建设的项目大多使用敞开式或半密闭三相交流电炉进行硅铁、锰铁、钛铁的冶炼生产。近年，已有部分企业新建了全密闭交流电炉。2009年，云南由德国DEAKE公司引进1台30 MVA高钛渣直流电炉，系目前国内唯一1台应用于高钛渣生产的全密闭直流电炉。至2016年统计数据，国内已有1 300余台交流电炉，全密闭交流电炉已有100余台。

在我国钢铁冶金行业，鉴于DC炉的优势，目前废钢冶炼生产目前已经基本全部使用直流DC炉进行冶炼，全面淘汰了三相交流电炉技术。

无论是全密闭交流电炉还是DC炉，为防止空气进入炉内，炉子的操作均为微正压操作，压力+20～+400 Pa。目前大多使用密闭矿热炉内的压力变送器与荒炉气加压风机连锁工艺，根据炉内压力随时调整风机转数以保证炉内微正压环境。为保证运行安全，亦有使用电加热后的氮气充入电炉氮气密封系统和煤气冷却系统。

钢铁企业一般使用转炉炼钢配套的空分空压装置生产的氮气，较为经济。

有色冶金企业大多单独设置变压吸附装置，生产的氮气专用于电炉充氮密封和干式除尘设备反吹使用。

因密闭电炉的生产特性，在加入矿料和还原剂同时，会混入少量空气，加之煤气冷凝、除尘过程，均为负压操作，亦会混入少量空气。按照实际生产监测数据看，矿热炉煤气氧含量普遍在0.5～3.5之间波动，具有较大的危险性。

广西的2座12 500 kVA硅锰密闭交流炉进行煤气回收，未设置煤气柜调压和安保设施，煤气用于烧结锰矿，已发生数次煤气爆震事故。为确保煤气管网安全，四川的2台25 000 KVA硅锰密闭交流炉产生的煤气(3 000 Nm3/h)分别存储于2台10 000 m3的煤气柜当中，煤气柜保持在2 000～5 000 m3柜容运行。2006年山西的1台30 000 kVA锰铁封闭电炉配置了1台20 000 m3的干式煤气柜，同样，煤气柜保持在低位运行。

1.2 DC炉微正压操作煤气安全回流及煤气回收并网的难点

DC炉因自身生产特点，煤气出口温度高达1 800 ℃，仅在DC炉出渣出铁时会降低用电负荷，煤气温度有所降低。在煤气冷却降温过程，煤气体积收缩及其容易引起DC炉内产生负压。

目前，国内钢铁企业DC炉普遍使用炉内压力变送器与荒炉气加压风机连锁+湿法除尘+氮气安保工艺，因钢铁企业N2富裕，加之全厂污水体量巨大，环保问题较为突出。

目前国内外的大多有色冶金企业，在交流电炉上依然使用煤气湿法除尘，以缩短烟气冷却水套长度，使炉内压力变送器与荒炉气加压风机连锁工艺可安全运行。

攀钢25 MVA钛渣交流电炉、龙佰焦作2×30 MVA钛渣交流电炉使用了高温YT膜干法除尘器进行干法收尘，但煤气降温幅度仅为400 ℃左右，煤气体积收缩仅30 %，使用变频调速引风机+氮气安保基本可以满足安全生产需要。其中，攀钢电炉为单炉运行，单独设置20 000 m3煤气储气柜1台；龙佰焦作2×30 MVA钛渣交流电炉未设置煤气柜，未进行煤气并网运行，均单独向16 t锅炉供气。

武定新立公司的30 MVA高钛渣直流电炉，目前仍然使用了炉内压力变送器与荒炉气加压风机连锁+湿法除尘+氮气安保工艺，拟新建设的干法收尘设施仍然在建设当中。

配套煤气干法降温、净化的DC炉微正压操作、煤气回收并网系统设计具有以下难点：

(1)因DC炉煤气出口温度达1 800 ℃，需冷却至450 ℃，方可满足干法除尘工艺要求，煤气体积收缩比达到2.87，远大于交流炉煤气体积收缩比(1.62)。

交流炉微正压操作工艺仅需炉内压力与净煤气引风机连锁+氮气安保即可，但对DC炉而言，则必须以煤气回流为微正压安保主气源，辅助以氮气安保。

(2)因DC炉煤气体积收缩比极大，需回流充入的煤气体量亦较大，为保证进入干法除尘器的煤气温度不低于370 ℃，故，必须对回流煤气进行加热，回流煤气加热功率需达600 kW以上，如使用电加热器，则极为不经济。

(3)因DC炉原料加入期间，和煤气冷却系统负压操作，引起空气的进入，必须设置氧含量分析仪，安全放散设施，系统设置较为复杂。

(4)按照交流炉的生产经验进行比对，因DC炉煤气冷却系统较交流炉为庞大复杂，预计煤气氧含量超过2 %的运行时间远较交流炉为多，同时与目前已经成熟的炼钢转炉煤气回收已有极大的差别，如何安全提高煤气回收率是设计的又一难点。

(5)1期2台DC炉运行，2期3台DC炉运行，需要有可靠的措施防止煤气柜及管网的煤气倒流至风机处于低转速运行的DC炉内。

(6)为保证DC炉微正压操作，目前武定电炉安全回流系统使用电加热氮气系统进行，成本高、电耗大，且降低了煤气热值，氮气亦占用了煤气系统运行空间。

(7)DC炉煤气干法冷却、净化回收系统设计，在国内尚属首次，就DC炉操作系统设计，多炉运行煤气并网，在国内亦无借鉴。

2 炉内微正压操作煤气回流系统设计

DC炉微正压操作煤气回流系统、煤气回收及多炉运行并网工艺较为复杂，结合煤气冷却、净化装置进行设计。

DC炉内在炉盖和炉壁接合部位，设置氮气密封装置，防止空气进入，并在炉内设置压力变送器，与荒煤气放散调压组及净煤气引风机连锁。为保证DC炉安全生产，微正压设置在+20～+200 Pa。

1 800 ℃的烟气先行进入高温水冷烟道的入口段及上升段，到达人字三通段时，温度降至1 085～1 200 ℃，体积收缩比1.52。

在荒煤气总管上设有放散管及荒煤气放散调压阀组，当荒煤气温度超过1 875 ℃时(即超过冷却控制范围时)，或氧含量>2.0 %时，关闭重力除尘器进口阀，将荒煤气放散，放散时通过调压阀组控制炉顶压力，使炉可以维持正常生产(此时，DC炉氮气密封应开至最大，净煤气引风机降至低转速运行)。

国内目前氧含量在线分析仪最高使用温度达1 200 ℃，故此，在人字三通位置设置氧含量激光在线分析仪1台，用于检测DC炉内氧含量。

荒煤气进入下降管后，以900 ℃的温度进入重力除尘器，熔融状的粉尘凝固主要在重力除尘器内部，约有30 %的粗粉尘沉降。经预除尘的煤气以370～500 ℃的温度进入高温精细除尘器内。此阶段体积收缩比2.188。

高温精细除尘器因结构特点，阻力较大，压力损失一般在2～4 kPa。当过滤元件进行反喷吹后，阻力较大，瞬间导致精细除尘进口负压提高，此时不能单纯依靠变频电机调整风机流量及出口压力，必须辅助以如煤气回流或氮气充入措施，避免破坏炉内微正压氛围。

按照热场的物理模型和理论计算，由DC炉烟气出口的微正压(+20～+200 Pa)，到重力除尘器煤气出口，形成-2 000～-3 000 Pa的负压；到高温精细除尘器出口，形成约-7 000 PA的负压。煤气回流或氮气充入入口宜设置2处，1处在重力除尘器入口，1处设置在高温精细除尘器入口，同时，设置风机进出口回流阀，可有效消除煤气冷却、净化系统运行对DC炉微正压操作的影响。

期间，因工况的变化、荒煤气的放散、高温精细除尘器反喷吹引起系统压力波动、煤气引风机变频调速等因素，极易破坏DC炉内微正压的氛围，需400～750 Nm3/h氮气或煤气充入，来维持炉内微正压的氛围。

按照相关钢铁厂直流炼钢电炉、使用干法除尘设施的钛渣交流炉的运行经验：

(1)当荒煤气放散时，炉体氮气密封充气阀与放散阀同步开启至最大开度；炉内微正压下降至+50 Pa时，放散调压阀组关闭10 %。

(2)根据高钛渣DC炉煤气的成分含量计算，DC炉煤气氧含量达到体积比的6.2 %，即达到爆炸极限的下限，本系统按爆炸极限的下限值得40 %进行放散条件设置，即煤气当中的氧含量达到2.48 %即进行紧急放散。

(3)该系统设置为新型膜式壁水冷烟道，较汽化冷却烟道具有更高的安全性，故此将荒煤气放散温度设置为1 875 ℃，减少了30 %的荒煤气放散可能性。

(4)煤气回流和氮气充入并列设置，从运行经济角度出发，宜在精细除尘器与煤气一级冷凝器之间设置煤气换热器，使用加热后的煤气回流为主，避免提高DC炉电耗。

(5)当系统正常运行时，炉内微正压下降至+50 Pa时，则开启重力除尘器入口煤气回流阀(DN150，工作压力0.05 MPa)，同时开启风机进出口回流阀，直至全开。

(6)当系统正常运行时，炉内微正压持续下降至+35 Pa时，净煤气引风机转速下调1档，同时，精细除尘器入口煤气回流阀开启。

(7)如炉内微正压持续下降至+20 Pa时，同时，系统备用氮气回流阀全开。

3 煤气回收及多炉运行并网系统设计

3.1 煤气回收系统

DC炉煤气回收系统设计参照钢铁企业转炉煤气回收设备进行，其中，三通切换阀技术、放散燃烧塔均按转炉煤气回收设备标准进行。但因转炉系统吹氧间断冶炼，间断产生煤气，DC炉为连续生产，煤气特性指标变化不大，故此，两者相比，煤气产生机理不同，净化、冷却运行状态也不同，故此煤气回收设计有较大的差别。

每台DC炉煤气回收系统均设置有氧含量在线分析仪、三通切换阀、设置在风机出口的高温逆止阀、系统煤气出口“U”型水封和放散燃烧塔。

煤气回收并网系统使用PLC自动控制系统。

氧含量分析仪设置在一级煤气冷凝器进口，当煤气中的氧含量>2 %时，设置在净煤气引风机出口端的三通切换阀放散侧打开，进行煤气放散，同时，三通切换阀回收侧关闭；此时，因回收侧管道内内失去压力，煤气逆止阀靠重力关闭。当氧含量<2 %时，三通切换阀回收侧打开，进行煤气回收，同时，三通切换阀放散侧关闭；此时，煤气逆止阀的均压阀打开，煤气逆止阀两侧压力一致，均压阀阀芯被煤气顶开，煤气外送。

三通切换阀可实现2个阀芯同步动作，宜选用气动执行机构，三通切换阀每次切换的运转时间需要和煤气流速相关联，后确定切换阀和氧含量分析仪的距离。此处，煤气最大发生量11 000 m3/h，二者之间的煤气容积24.8 m3，煤气流动时间约8 s。选用三通切换阀口径DN500，运行时间7 s。

系统的放散燃烧塔使用三烟道放散燃烧塔，即3台DC炉各用一个放散燃烧装置，互不干扰，便于煤气并网运行。

每台电炉煤气回收系统末端设置“U”型水封1台，用于将每台电炉系统与管网安全隔断，水封高度H=3 000 mm。

3.2 多炉运行并网系统设计

钢铁企业转炉大多为2～3台转炉同期生产，阶段性产生煤气。其生产主要流程为装料→吹氧冶炼→出钢3个阶段，吹氧冶炼阶段产生煤气，冶炼初期和末期生产的煤气含氧量超标，大多进行放散，合格煤气经回收站后并入管网，进入煤气柜。

有色冶金DC炉连续生产，其煤气特性具有时间较长的稳定性，如煤气当中的SO2和使用的无烟煤或焦炭相关联，尤其是O2和炉顶装料装置的进料方式、煤气系统的严密性相关联，其含量会在较长时间稳定在一个数值。

DC炉煤气冷却、除尘系统因炉内必须保证微正压因素，整个系统设置复杂、仪表设施灵敏，极易受到外界因素干扰而影响DC炉安全生产，故在双炉、三炉或多炉生产当中，煤气并网不得产生相互干扰，以及不得发生煤气柜内煤气回流至DC炉事故。

转炉煤气并网系统设置有水封逆止阀，通过水封安全防止外部煤气倒流回转炉内部。但在DC炉干法冷却回收净化系统当中，因煤气的操作温度、水封逆止阀开启关闭的速度与时间，水封阀无法使用，设置了新型耐高温煤气逆止阀，确保DC炉煤气系统不互相干扰。该阀工作温度>200 ℃，关闭时间<3 s。

目前，国内并无对煤气氧含量上限进行明确规定，《工业企业煤气安全操作规程》(GB 6222—2005)针对电捕焦油器和电除尘的氧含量进行了明确，当煤气氧含量达到1 %，必须切断电源。国内较多拥有大型煤气管网系统的钢铁企业现基本按煤气氧含量<2 %进行煤气的严格安全管理，但依然有煤气爆燃及爆炸事故产生，如2015年广西某钢8 m3转炉煤气柜爆燃事故和2019年云南曲靖某化工厂炭黑煤气管道爆燃事故。

事实上，煤气在管道内部及其容易形成层流，并且混入煤气的氧气均为团状混合气体，其体积比已经大于爆炸极限，需将其冲击打散并混均，是防止煤气管道事故的有力措施之一。

煤气柜在管网当中，是消化和吸收煤气管道内部爆燃冲击波的重要设施，同时也是均衡煤气管网压力的有力手段，在DC炉系统当中，可避免DC炉和DC炉煤气操作压力变化的影响。

该系统的设计主要考虑：①在每台DC炉煤气并入点前设置煤气混均装置，使煤气内成分较为均匀，尤其是氧气成分，体积比远远小于其爆炸极限；②快关气动蝶阀，确保在净煤气引风机进入低转速运行同时关闭该蝶阀，避免外部煤气压力变化影响DC炉的微正压操作；③在煤气管网内设置煤气储气柜，作为煤气搬峰填谷，调节管网压力，吸纳管网煤气爆燃冲击波的关键设备。

4 结 语

按照国内已有直流炼钢电炉+湿法除尘系统、交流钛渣电炉+干法除尘系统、炼钢转炉+湿法除尘系统的实际设计及运行效果看，该项目综合了以上设施的设计，并根据高钛渣DC炉煤气的特性设计了DC炉微正压操作煤气安全回流系统及煤气回收并网系统，具有可靠性高、安全性高、运行稳定的特点，因采用了煤气回流，在能耗上低于高钛渣交流炉的氮气回流设计，同时，此技术可应用于硅铁、高铬铁密闭DC炉的冶炼工艺上，具有较高的推广价值。