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烟气过程-电炉冶炼过程中需要将含塑料和油脂的废钢装入电炉内进行预热

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提高廢鋼預熱溫度。提高廢鋼預熱溫度,可降低電耗,從而降低電極消耗。

Daneli開發的Q-MELT系統將連續溫度檢測、爐渣檢測和廢氣分析等分析技術綜合為一體,再結合碳平衡法,可完全實現所有相關輸入和輸出數據的監視管理和分析。

減少含油脂、塗料等廢鋼入爐,同時在入爐前強化分選和預處理,有效去除氯源,最大限度降低含塑料、油脂等含有機物廢鋼的入爐量,同時提高鐵水的投入量。

節能降耗技術的發展電爐鍊鋼技術自1899年問世以來,其冶鍊技術和裝備水平不斷提高,出現了超高功率、氧槍操作、水冷爐壁和爐蓋、泡沫渣埋弧操作、偏心爐底出鋼、氧燃燒嘴、碳氧槍,廢鋼預熱、底吹攪拌,兌鐵水等鍊鋼技術,有效地縮短了冶鍊時間和節能降耗,並在不斷開發及優化。目前,國內外在節能降耗方面的主要工作如圖1所示。

廢鋼預熱技術廢鋼預熱技術能有效節約電能,促進廢鋼的熔化。目前廢鋼預熱的技術主要有四種:傳統料籃式廢鋼預熱、雙爐殼電爐、豎井式電爐及康斯迪電爐。目前,以豎井式電爐和康斯迪電爐的應用技術開發最為廣泛。

高效過濾及活性炭吸附技術。二噁英在低溫條件下會以固態形式吸附在煙塵表面,因此,通過高效除塵器可降低二噁英排放量。而活性炭吸附技術是在布袋除塵器前噴入活性炭粉末,吸附煙氣中的二噁英,達到降低二噁英排放的目的。

鍊鋼終點溫度控制電弧爐鍊鋼終點溫度的精確控制是降低生產成本、加快冶鍊節奏的關鍵。然而電爐鍊鋼系統很複雜,包括金屬原料成分和來源、冶鍊操作等均有很大的波動,常規的機理模型很難準確預測。隨着智能化的發展,人工神經網絡、支持向量機、遺傳算法等逐漸應用到電爐鍊鋼的終點預測中,從而改善了單一算法的不足。

Siemens開發的EAFHeatopt是一種整體性工藝優化系統,集廢氣監測系統和整體工藝模型於一身,可對燒嘴和吹氧裝置進行閉環控制。該系統同時還可對碳的噴吹進行控制,優化泡沫渣。

燒嘴助熔。提高電爐噸鋼用氧量,增加電爐內化學能輸入是強化電爐冶鍊,提高電爐節奏的最有效手段之一。每噴吹1m3氧氣相當於向爐內供應3kW·h~4kW·h電能;同時,採用氧燃燒嘴技術也可大幅降低電能。

降低電耗隨着鋼產品市場的競爭加強,最大限度地節約生產成本是每個企業追逐的重要目標。電爐鍊鋼過程中電耗消費在成本中佔據很重的比例,如何節約電能是實現盈利的重要環節。

智能電爐鍊鋼技術隨着電爐生產工藝越來越複雜,需從整體過程出發,將冶鍊過程獲取的信息與過程基本機理進行有效結合分析,並決策和控制電爐冶鍊操作,實現電爐鍊鋼整體優化。特諾恩的iEAF智能電爐鍊鋼技術整合了EFSOP煙氣分析技術及先進的工藝模型,同時結合一次和二次傳感器,以閉環形式動態控制和優化整個電爐冶鍊過程。

二噁英是目前世界上毒性最強的化合物之一,其毒性相當於氰化物的1000倍,對環境和人類有巨大危害。在鋼鐵工業生產過程中,長流程燒結工序是主要的二噁英產生來源,但短流程電爐鍊鋼工序也會產生大量二噁英。《鍊鋼工業大氣污染物排放標準》(GB28664—2012)規定,電爐煙氣中二噁英的排放限值為0.5ng-TEQ/m3,而河北省更要求電爐鍊鋼過程中二噁英類排放濃度低於0.2ng-TEQ/m3。電爐冶鍊過程中需要將含塑料和油脂的廢鋼裝入電爐內進行預熱,但由於廢鋼預熱溫度和二噁英形成溫度相近,前驅體合成及熱分解反應促使了煙氣中二噁英的形成。同時廢鋼中微量銅、鎳等氧化物可作為反應催化劑,促進二噁英的形成。此外,在高溫煙氣冷卻過程中,會以從頭合成的方式生成二噁英。實驗結果表明,當煙氣溫度高於850℃、氧氣含量不低於6%時,可有效分解二噁英。在完成二噁英氧化熱分解后,要求防止它們在250℃~500℃通過從頭合成機理再次合成,這就要求電爐煙氣在氧化熱分解之後迅速冷卻至250℃以下,實現二噁英減排。

煙氣分析技術冶鍊過程的實時動態預報是電爐達到最佳性能的關鍵。基於此,Tenova開發了GoodfellowEFSOP系統,進行電爐煙氣成分實時監測。分析電爐過程煙氣是了解電爐過程動態的關鍵因素,也是提供EFSOP直接動態控制功能的關鍵,因此空氣稀釋之前應保證純凈的過程煙氣被連續採集。EFSOP分析儀提供4種關鍵氣體的連續分析,包括CO、CO2、H2、O2等。Siemens開發的SimetalLomas連續煙氣分析系統,由於對氣體採樣探測器進行了特殊的設計,並結合安裝的自動清潔裝置和水冷裝置,能夠全自動連續測量和分析廢氣。

燃燒室熱分解,當煙氣預熱廢鋼后,進入燃燒室,並通過燒嘴燃燒煙氣,使其溫度達到850℃以上,從而使二噁英等有害氣體發生分解。

降低電極消耗電極的正常消耗主要為尖端消耗和側面消耗。電極尖端消耗主要是石墨在高溫下升華和在鋼渣中熔化所致。在正常作業情況下,尖端消耗可達到電極總消耗的50%。電極被氧化是側面消耗的主要原因,消耗量約佔總消耗的40%,其氧化反應速度與溫度密切相關。降低電極消耗的主要方法如下:

餘熱回收技術在現代電爐輸入的總能量中,大約有30%的能量是隨着煙氣逸散出電爐的,再加上將在二次燃燒室中燃燒的CO所能提供的能量,如果不加利用,大量的能量將會被浪費。一般情況下,超過25%輸入電爐的能量是可以被餘熱回收系統回收利用的。Tenova開發的iRecovery智能餘熱回收技術利用15bar~40bar水壓的高壓鍋爐管替換傳統的低壓水冷管,能高效回收餘熱,所產生的高壓蒸汽可用於補充或取代工廠中的蒸汽鍋爐。

測溫取樣技術鋼液的溫度測量和取樣一直是制約電弧爐生產效率和電能消耗的重要環節之一。Siemens設計的SimetalLiquiRob自動測溫取樣機械人,可自動更換取樣器和測溫探頭,確保了連續、安全、可靠的鍊鋼過程。

Quantum量子電爐是一種新型電弧爐,屬於Fuchs豎式電爐的改進型。其梯形設計的豎井以及手指系統改進設計提高了廢鋼預熱效果,同時有效降低了廢鋼在豎爐內發生粘結和堵塞的問題。

隨着國家環保要求的不斷提高及廢鋼資源的增加,同時政府取締中頻爐、地條鋼和配套政策的支持,使得電爐短流程產量明顯增加(如表1所示)。同時,鋼鐵企業逐步淘汰落後電爐產能,使得綠色節能電爐的需求也不斷增加。

電爐鍊鋼智能化電弧爐冶鍊過程中,如果只憑藉操作者經驗很難控制電爐生產水平,同時也限制了電弧爐生產率提高和冶鍊過程優化。通過開發一系列先進的監測模型和控制模型,結合數據信息交流和過程優化,可進一步促進電弧爐裝備技術的發展。

煙氣急冷,經過高溫熱分解的煙氣應在冷卻塔內進行快速冷卻,從而抑制二噁英的從頭合成。

為進一步實現節能環保的目的,康斯迪電爐對廢鋼預熱系統做了技術改進,稱為增強型康斯迪電爐。增強型康斯迪的技術革新主要在電爐冶鍊和廢鋼預熱兩部分:電爐冶鍊部分主要採用了更大的留鋼量和更好的留渣操作,同時結合合適的噴吹系統,進一步節能降耗。廢鋼預熱技術改革主要體現在預熱通道上,其核心技術是引入了燒嘴加熱廢鋼通道(通道B),並和煙氣加熱廢鋼(通道A)分開,從而實現均勻加熱。採用增強型康斯迪電爐進行廢鋼預熱,預熱溫度可達400℃~450℃,節約電耗70kW·h/t。圖2為增強型康斯迪電爐的基本構造及其預熱通道。

提高密閉性。由於高溫條件下石墨電極易被空氣氧化,提高密閉性,減少空氣侵入爐內,可有效降低電極的消耗;同時,盡量減少赤熱的電極在爐外的暴露時間,規範吹氧操作。採用量子電爐、生態電弧爐進行冶鍊時,由於提高了密閉性,噸鋼電極消耗可從2.5kg/t降低至1.0kg/t。

為了適應環境發展的要求,抑制二噁英的排放,採用合適的減排手段尤為必要。具體方法如下:

  环保技术的发展

催化分解。美國戈爾公司研發的催化過濾Remedia技術,主要是將表面過濾技術同催化過濾技術集成在濾袋上,能夠使二噁英在較低溫度下(200℃左右)通過催化反應徹底分解成CO、H2O和HCl,該技術去除二噁英徹底且不存在二次污染。

康斯迪電爐(Consteel)

電爐大型化採用超高功率電爐鍊鋼,可以縮短廢鋼熔化時間、提高功率、縮短冶鍊周期、降低電耗,易於與爐外精鍊、連鑄相配合,實現高產低耗的目的。採用超高功率電爐鍊鋼后,生產效率可從1.5t/(h·MW)提高到2.5t/(h·MW)以上,同時電耗能降低100kW·h/t左右。目前國內新建電爐的容量普遍在100t以上。

康斯迪電爐是一種連續加料、預熱和熔化的電爐。其廢鋼預熱的方式是在連續加料的過程中,利用冶鍊過程中產生的高溫廢氣對行進的爐料連續預熱,可使廢鋼入爐前的溫度達到250℃~300℃。

豎窯式電爐20世紀90年代,德國福克斯公司開發出第一代Fuchs豎爐,其原理是在爐頂第四孔(直流電弧爐第二孔)處安裝一豎井通道,廢鋼填充到豎井內,並與熔化室連接。在電爐冶鍊過程中,高溫煙氣從第四孔排出,進入豎井內預熱廢鋼。為實現100%預熱廢鋼,福克斯公司開發出手指式豎爐,在豎井與熔化室之間安裝一活動托架。當廢鋼加入到豎井內預熱完成後,打開托架加入熔化室中。豎爐的優點是廢鋼預熱溫度高、冶鍊周期短。但是,手指式豎爐的「手指」在高溫下使用壽命低,維護成本高,影響電爐的連續生產,目前在國內基本淘汰。為了減緩上述問題,進一步提高預熱效率,Shaftarcfurnace、Ecoarc及Quantum等電爐相繼產生。Shaftarcfurnace電爐是一種改進型豎爐,最大的特點就是電爐上有兩個半圓形豎井,保持豎井內煙氣自然對流,從而使預熱更均勻。Ecoarc生態電弧爐是基於減少二噁英排放的環保需求而開發的,其特徵是預熱豎爐和熔化室直接連接在一起的,它能使廢鋼連續存在的狀態下進行熔化,同時密封性良好,有效降低廢鋼氧化,廢鋼預熱溫度可達850℃以上,電耗也降至210kW·h/t,甚至於低於150kW·h/t。

平熔池操作。在電爐冶鍊過程中採用留鋼操作,預熱的廢鋼直接加入到熔化的鋼液中,實現了平熔池操作,減少閃變,降低了電極折斷的幾率。

減少爐蓋開啟電爐爐蓋開啟少,可減少熔池暴露造成的熱輻射損失。相比于傳統頂裝料電爐,新型設計的康斯迪電爐具有良好的連續加料方式,可降低爐蓋開啟時間,從而有效降低電能消耗。而其他新型電爐在加料方式上也在逐步改進和完善,如量子電爐利用帶溜槽的升降機系統將廢鋼從地下傾卸站裝入電弧爐,而不需要使用天車或廢鋼料籃,實現全自動操作,從而減少爐蓋開啟頻次。

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