電弧爐煉鋼的能量節(jié)約與利用

曾昭士

摘 要：節(jié)能降耗是當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的主題 ，余熱資源的回收利用是節(jié)約能源和減少污染的有效途徑之一。本文針對(duì)電爐能量消耗的特性，從已有的電弧爐煉鋼的能量平衡關(guān)系出發(fā)，論述了預(yù)熱廢鋼、余熱發(fā)電、生產(chǎn)蒸汽、生產(chǎn)煤氣余熱回收利用方法，分析了其關(guān)鍵技術(shù)，并根據(jù)實(shí)際使用狀況對(duì)不同余熱回收方法節(jié)能降耗的效果進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)各企業(yè)開展余熱回收利用、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電弧爐煉鋼；煙氣余熱；回收利用；余熱發(fā)電；生產(chǎn)煤氣；節(jié)能降耗

近年來，我國(guó)粗放的能源消耗正在一步步威脅我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，節(jié)能減排成為當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的主題。鋼鐵企業(yè)長(zhǎng)期以來被認(rèn)為是廢氣排放量大、耗能高、污染嚴(yán)重的企業(yè)，而電弧爐冶煉在我國(guó)鋼鐵企業(yè)相當(dāng)普遍，其生產(chǎn)過程中一方面要消耗大量的能源，另一方面電弧爐冶煉過程中產(chǎn)生的大量熱量隨煙氣排出，既污染了環(huán)境，又造成資源的極大浪費(fèi)。因此，在電弧爐煉鋼作業(yè)中，對(duì)電弧爐煉鋼過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)行捕集并充分利用其余熱，從而最大限度的提高電弧爐生產(chǎn)率和降低能源消耗，具有一定的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益。

水冷為主，然而目前常用的投入工程應(yīng)用的有廢鋼預(yù)熱和余熱回收生產(chǎn)蒸汽兩種方式。

1 余熱回收實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗可行性分析

隨著電弧爐兌加鐵水比例的增加、碳氧槍的應(yīng)用和供氧強(qiáng)度的加大，在熔化及氧化期內(nèi)爐氣的生成量急劇增加，電弧爐在冶煉過程中產(chǎn)生大量的高溫爐氣帶走大量的能量，電弧爐爐氣攜帶的熱量約為電弧爐輸入總能量的15%，某些時(shí)段甚至高達(dá)30%以上，節(jié)能減排潛力巨大。因此有效回收電弧爐高溫爐氣將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益。

2 電弧爐能量消耗狀況分析

傳統(tǒng)的電弧爐煉鋼以冷廢鋼為主要原料，考慮到冶煉過程升溫、去氣、去夾雜等冶金操作的需要，適當(dāng)配加一定量的冷生鐵以保證合適的脫碳量和熔池?cái)嚢鑿?qiáng)度。隨著電弧爐兌加鐵水比例的增加，碳氧槍的應(yīng)用和供氧強(qiáng)度的加大，電弧爐冶煉強(qiáng)度明顯提升，電弧爐煉鋼工序能量結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大改變：

1）過程的物理熱和化學(xué)熱的供應(yīng)大大增加，使得電能的需求壓力減輕，過程的速率明顯提高；

2）由于鐵水量的增加，同時(shí)造成爐氣量與爐氣帶走的物理熱與化學(xué)熱增加。

因電弧爐煉鋼廣泛地采用了配加熱鐵水的方案，本文就配加50%熱鐵水作為典型工況，進(jìn)行電弧爐能量收支平衡分析，并對(duì)爐氣余熱利用及其減排效果進(jìn)行研究。以下采用噸鋼水為標(biāo)準(zhǔn)分析電弧爐能量收入與支出。

2.1 電孤爐能量收入項(xiàng)

1）鐵水物理熱：鐵水量為550kg，生鐵的固體平均熱熔為0.745kJ/（kg·℃），熔化潛熱218kJ/kg，液體平均熱熔為0.745kJ/（k·℃），計(jì)算得出的鐵水物理熱為652.8MJ，即181kWh；

2）化學(xué)反應(yīng)熱：電弧爐的化學(xué)反應(yīng)熱主要包括鐵水與廢鋼中的元素氧化反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)熱以及其他輔助燃料產(chǎn)生的化學(xué)熱，經(jīng)計(jì)算化學(xué)反應(yīng)熱平均為253kWh；

3）電能：在鐵水比例為50%的條件下，根據(jù)國(guó)內(nèi)電弧爐生產(chǎn)狀況，平均需要提供170kWh的電能；

4）潛在化學(xué)熱：潛在化學(xué)熱是指脫碳反應(yīng)后產(chǎn)生爐氣中未能完全燃燒的CO的能量，根據(jù)鐵水含碳量4.2%，脫碳反應(yīng)中90%的碳生成CO，10%的碳生成CO2，能夠計(jì)算得出CO量為48.5kg，再根據(jù)單位CO燃燒生成CO2的化學(xué)反應(yīng)熱9940kJ/k，計(jì)算得出潛藏在爐氣中的CO化學(xué)熱為482.2MJ，即134kWh。

2.2 電弧爐能量支出項(xiàng)

1）爐氣化學(xué)熱：爐氣化學(xué)熱是指脫碳反應(yīng)后產(chǎn)生爐氣中未能完全燃燒的CO的能量，因此同收入項(xiàng)中的潛在化學(xué)熱相同，爐氣化學(xué)熱為482.2MJ，即134kWh；

2）爐氣物理熱：爐氣物理熱是指脫碳反應(yīng)生成的爐氣與電弧爐外混入的空氣形成的高溫氣體排出電弧爐帶走的高溫能量。電弧爐爐氣量為200-400Nm3，爐氣溫度為1200℃，將體積轉(zhuǎn)換為質(zhì)量單位，取爐氣量為378kg，爐氣的平均熱熔為1.137kJ/（kg·℃），計(jì)算得出的爐氣物理熱為506.7MJ，即141kWh；

3）爐渣物理熱；爐渣量為70kg，爐渣的平均熱熔.為1248kJ/（k·℃），熔化潛熱為209kJ/kg，計(jì)算得出的爐渣物理熱為154.9MJ，即43kWh；

4）熱損失：電弧爐煉鋼過程的熱損失主要包括冷卻水帶走的熱量與高溫電弧爐本體的導(dǎo)熱、對(duì)流給熱、輻射換熱帶走的熱量。不同的爐型與冶煉條件熱損失存在差別，平均熱損失總量為24kWh；

5）鋼水物理熱：出鋼鋼水量為1000kg，鋼水的固體平均熱熔為0.699kJ/（kg·℃），熔化潛熱為272kJ/kg，液體平均熱熔為0.837kJ/kg·℃），計(jì)算得出的鐵水物理熱為1428.4MJ，即397kWh。

將以上對(duì)電弧爐能量收支的分析結(jié)果匯總，見表1、圖1。

從能量支出中可以看出，除進(jìn)入鋼水中的能量外，其他部分的能量是可以回收利用的，總和為341kWh，而其中爐氣帶走的能量包括爐氣化學(xué)熱與爐氣物理熱，總和為274kWh，這部分是電弧爐余熱利用的主要對(duì)象。

3 電弧爐煉鋼的能量節(jié)約與利用

在高溫爐氣帶走的能量中，爐氣物理熱為140kWh/t，化學(xué)熱為134kWh/t。下面根據(jù)電弧爐爐氣回收利用的四種方式（預(yù)熱廢鋼、余熱發(fā)電、生產(chǎn)蒸汽、生產(chǎn)煤氣）的實(shí)際使用狀況對(duì)電弧爐余熱回收效果進(jìn)行分析，從能量回收效率與減排環(huán)保方面進(jìn)行對(duì)比研究。

3.1 四種電弧爐爐氣余熱利用狀況

3.1.1 預(yù)熱廢鋼

預(yù)熱廢鋼是將電弧爐高溫爐氣通過與冷的廢鋼進(jìn)行熱交換，提高廢鋼進(jìn)入電孤爐之前的溫度，從而節(jié)省電弧爐冶煉過程中其他能量的輸入，理論可以回收能量為140kWh。

根據(jù)如今主要的電弧爐的預(yù)熱廢鋼效果，一般可以使預(yù)熱廢鋼的溫度提高400-600℃，其中預(yù)熱廢鋼每提高100℃可節(jié)電15kWh/t，即相當(dāng)于噸鋼節(jié)電60-90kWh，平均噸鋼節(jié)約電能75kWh。

3.1.2 余熱發(fā)電

余熱發(fā)電是利用高溫爐氣通過發(fā)電裝置將爐氣中物理熱轉(zhuǎn)換為電能，理論可回收能量為140kWh。

國(guó)內(nèi)某企業(yè)利用2座150噸電弧爐爐氣發(fā)電，正式投運(yùn)后年可發(fā)電57.60×106kWh，供電51.80×106kWh。結(jié)合實(shí)際電弧爐的產(chǎn)量，平均噸鋼可以節(jié)省電能91kWh。

3.1.3 生產(chǎn)蒸汽

生產(chǎn)蒸汽是利用高溫爐氣與水進(jìn)行熱交換來提供高溫蒸汽，從而回收爐氣中的物理熱，理論可回收能量為140kWh。

國(guó)內(nèi)某企業(yè)100噸電弧爐，利用余熱鍋爐回收電弧爐煉鋼產(chǎn)生的高溫爐氣余熱，每年可生產(chǎn)33.4萬(wàn)噸2.0MPa的飽和蒸汽，相當(dāng)于每年節(jié)約2365噸標(biāo)煤，結(jié)合企業(yè)實(shí)際電弧爐產(chǎn)量，平均噸鋼回收能量為24kWh。

3.1.4 生產(chǎn)煤氣

早期的電弧爐主要的原料是廢鋼，電弧爐企業(yè)不回收煤氣。現(xiàn)如今隨著電弧爐的原料條件與轉(zhuǎn)爐相似，脫碳任務(wù)增加，爐氣中的CO含量提高。電弧爐對(duì)爐氣的回收利用可以采用回收煤氣的方式，回收煤氣主要是對(duì)爐氣中的化學(xué)熱進(jìn)行利用，理論回收能量為134kWh。

煤氣回收條件設(shè)定為w（CO）≥20%且w（O2）<1.5%，由于電弧爐爐氣成分波動(dòng)與爐氣中CO含量較低，不能回收全部的CO，在高鐵水比例條件下60%-80%的爐氣能夠被回收利用為煤氣，平均噸鋼回收能量為95kWh。

3.2 節(jié)能分析對(duì)比

根據(jù)以上對(duì)四種電弧爐爐氣余熱利用的分析，匯總不同方式下的能量回收對(duì)象、實(shí)際節(jié)能效果、理論能量回收量、能量回收效率，見表2。

根據(jù)以上對(duì)電弧爐余熱利用四種方式的研究可以得出，現(xiàn)如今電弧爐企業(yè)較常見的預(yù)熱廢鋼與余熱生產(chǎn)蒸汽方式，分別節(jié)能75kWh/t與24kWh/t，具有一定的節(jié)能效果；投入較大的余熱發(fā)電方式節(jié)能91kWh/t，節(jié)能效果較好；現(xiàn)極少被應(yīng)用的生產(chǎn)煤氣方式節(jié)能95kWh/t，節(jié)能效果好，能量利用效率高。

對(duì)電弧爐爐氣利用的節(jié)能效果分析后，這里按照一定的系統(tǒng)界定的邊界來分析不同余熱利用方式前后物質(zhì)與能量的變化情況。這里將爐氣余熱利用工序作為邊界，因此這個(gè)邊界的開始是電弧爐冶煉產(chǎn)生的大量高溫爐氣，最終是回收剩余的爐氣與余熱利用產(chǎn)品。四種余熱利用方式的系統(tǒng)邊界，如圖2所示。

對(duì)于各種余熱利用方式，匯總回收前后的爐氣與能量回收產(chǎn)品，如表3所示。

3.3 余熱利用的碳排放分析研究

溫室氣體對(duì)人類社會(huì)的危害日益嚴(yán)重，二氧化碳作為主要溫室氣體因排放量巨大而受到全社會(huì)高度重視。鋼鐵業(yè)作為二氧化碳排放大戶，普遍存在能源利用率低、污染高、碳排放高的問題，節(jié)能降耗的任務(wù)更加艱巨。因此，本文在對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行分析的同時(shí)，也對(duì)CO2減排效果進(jìn)行了研究。

其中排放因子指某種物料或產(chǎn)品單位質(zhì)量產(chǎn)生的CO2排放量；計(jì)算時(shí)考慮各個(gè)承接工序間因損耗而產(chǎn)生的界面系數(shù)，并按照系統(tǒng)界定的邊界確定鋼廠總的產(chǎn)出物。企業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，一般是噸鋼物料和能量消耗，必須轉(zhuǎn)化為噸鋼碳排放值（碳足跡），本文中噸鋼的碳排放量是以標(biāo)煤為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算公式如下：

M碳=M標(biāo)煤×EF標(biāo)煤（1）式中，M碳為物料或能量消耗的噸鋼碳排放量；M標(biāo)煤為物料或能量消耗轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤的值；EF標(biāo)煤為標(biāo)準(zhǔn)煤的碳排放量，（EF標(biāo)煤=2.772kg/kg）。

根據(jù)上述分析的節(jié)能狀況，將節(jié)能效果轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤，再通過標(biāo)準(zhǔn)煤的碳排放量計(jì)算各種方式的碳減排效果，具體計(jì)算的節(jié)能與減排效果匯總，如表4所示。

從碳排放的角度出發(fā)，四種方式的碳排放減少量分別為：預(yù)熱廢鋼方式降低碳排放量25.54kg/t，預(yù)熱發(fā)電方式降低碳排放量30.99kg/t，生產(chǎn)蒸汽方式降低碳排放量8.17kg/t，生產(chǎn)煤氣方式降低碳排放量32.35kg/t，綜合評(píng)價(jià)四種方式，余熱發(fā)電與生產(chǎn)煤氣對(duì)降低碳排放效果較好。對(duì)于一個(gè)年產(chǎn)200萬(wàn)噸的電弧爐廠，若采用煤氣回收的方式進(jìn)行電弧爐余熱利用，每年能夠節(jié)省190×106kWh，降低碳排放量64.70×106kg。

本文是針對(duì)50%鐵水比例的情況進(jìn)行分析的。而如今國(guó)內(nèi)的電弧爐生產(chǎn)過程中的鐵水添加比例往往大于50%，電弧爐爐氣的余熱將更多，因此，電弧爐余熱利用的節(jié)能與降低碳排放效果將更加顯著。

4 結(jié)論

總之，電弧爐余熱回收是鋼鐵行業(yè)在實(shí)施節(jié)能降耗、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)過程中的一項(xiàng)成功實(shí)踐，其運(yùn)行費(fèi)用低并可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，能夠取得一定的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和社會(huì)效益，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。文章分析了預(yù)熱廢鋼、余熱發(fā)電、生產(chǎn)蒸汽、生產(chǎn)煤氣四種余熱利用工況，通過回收利用的節(jié)能與減排效果分析，肯定了回收利用的實(shí)效性，并得出結(jié)論，具有一定的參考價(jià)值。隨著煉鋼企業(yè)電爐容量的擴(kuò)大，電弧爐爐氣的余熱將更多，加之國(guó)家對(duì)節(jié)能減排要求的進(jìn)一步提高，勢(shì)必要求電爐煙氣余熱回收方式與系統(tǒng)應(yīng)具有更高的安全性和經(jīng)濟(jì)性，因此，相關(guān)方面的研究還需不斷深化。

參考文獻(xiàn)

[1]宋艷慧，王莉莎，花皚.電弧爐余熱回收的有效利用實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排[J]，工業(yè)加熱， 2012， 41（6）：51-53.

[2]賀道中，彭自勝，肖鴻光.電爐煉鋼節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)技術(shù)探討[J].冶金能源， 2013， 32（2）：37-40.

[3]郭軍利，黨文靜.70t電弧爐煙氣除塵兼余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].工業(yè)加熱， 2016， 45（1）：55-57.

[4]蘭軍鵬，徐啟明，李海鳳.100t電弧爐余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].科技研究， 2014.