藺學(xué)浩，張振申，賀瑞飛，張國君，張雷

（安陽鋼鐵股份有限公司）

摘要：安鋼100 t電弧爐一次煙塵余熱回收系統(tǒng)在運行過程中發(fā)生多次除塵灰堵塞的情況。對各個階段的堵塞物取樣進行成分和電鏡分析發(fā)現(xiàn):溫度較高的煙氣進入余熱鍋爐時，CaO、MgO、SiO₂、Al₂O₃和TiO₂主要在絕熱煙道內(nèi)沉積,K、Na、Zn、Pb主要在絕熱煙道至余熱鍋爐2段完成富集;在余熱鍋爐2段和3段內(nèi)含K、Cl、Zn等元素的物質(zhì)依附于大顆?；覊m粘結(jié)長大，形成10-20 mm的大顆粒簇狀灰塵，并在換熱器翅片內(nèi)黏附沉積是余熱鍋爐發(fā)生堵塞的主要原因之一。

關(guān)鍵詞：電弧爐；除塵灰；余熱鍋爐；堵塞

0  前言

為了推動安鋼節(jié)能降耗綠色發(fā)展，安鋼100t電弧爐改造后，采用余熱鍋爐系統(tǒng)回收冶煉過程中的煙氣余熱。該余熱鍋爐系統(tǒng)回收高溫煙氣中余熱的效率較高，配合布袋除塵煙氣排放容易達到超低排放的要求，同時解決了電弧爐節(jié)能和環(huán)保的問題。電弧爐冶煉過程中產(chǎn)生的煙塵的成分、溫度、爐氣量、煙塵含量都在不斷波動變化，且隨電弧爐冶煉周期呈周期性變化,爐氣中的煙塵具有高溫、波動性、周期性、粘結(jié)性等特征^[1-2]。余熱鍋爐運行過程中， 廢氣的含塵濃度高、溫度高、低熔點物質(zhì)含量高,使得換熱管受熱面容易粘結(jié)積灰^[3-4]。安鋼100t電弧爐一次煙塵余熱回收系統(tǒng)在運行過程中,余熱鍋爐的5個段多次出現(xiàn)大量除塵灰沉積堵塞的情況,致使大量煙塵無法從第四孔排除，煙氣中的含塵量超出密閉罩和三次除塵的除塵能力，造成電弧爐廠房冒煙，環(huán)保壓力增加。針對安鋼100 t電弧爐的運行特點，對其產(chǎn)生的煙塵特性及造成余熱鍋爐堵塞的原因進行分析。

1  除塵系統(tǒng)組成及流程

安鋼100 t電弧爐除塵系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。電弧爐冶煉過程中產(chǎn)生的高溫煙塵經(jīng)第四孔進入燃燒沉降室,然后經(jīng)絕熱煙道上升到余熱回收鍋爐的頂端,再經(jīng)余熱鍋爐降溫后混入二次煙氣（密閉罩和三次除塵收集的煙氣）進入脈沖布袋除塵器，將爐氣中的煙塵含量降到10 mg/m³以下后經(jīng)排氣筒排出。電弧爐沉降室主要收集吸入的廢鋼雜質(zhì)、石灰、白云石以及由煙氣形成的大顆粒狀灰塵，促使CO在沉降室中燃燒，煙氣溫度約1 000℃；余熱鍋爐進口的煙氣溫度約700 ~ 900℃，隨著換熱煙氣溫度不斷降低，煙氣中的低熔點氣態(tài)物質(zhì)不斷凝結(jié),經(jīng)脈沖布袋除塵器被收集在灰倉中。

2  電弧爐煙氣的特征

電弧爐冶煉過程中余熱鍋爐系統(tǒng)的運行方式為:在出鋼、等料、加一批料等階段的煙氣溫度、流量和爐氣中的含塵量均最少，此時增壓風(fēng)機選用低轉(zhuǎn)速檔位運行;兌鐵時，吹氧助熔以及熔清后吹氧脫碳階段的煙塵量最多、溫度較高,此時增壓風(fēng)機選用高轉(zhuǎn)速檔位運行。根據(jù)風(fēng)機特性曲線，控制工況溫度,使風(fēng)機達到最佳工作點，保證除塵順行^[5]。因此,在電弧爐冶煉過程中根據(jù)不同的冶煉階段選用不同的風(fēng)機運行模式。電弧爐煙塵的成分見表1。

從表1可以看出,沉降室中粗塵的鐵氧化物、SO₂、Al₂O₃、CaO以及MgO的含量明顯高于灰倉細灰,而灰倉細灰中K、Na、Zn、Pb和MnO的含量高于沉降室的粗塵。

3  除塵系統(tǒng)堵灰問題分析

在電弧爐冶煉氧化期，煙塵量較大，堵塞現(xiàn)象尤為明顯。大量煙塵無法從第四孔排出，二次燃燒的火焰和煙塵經(jīng)電極孔、爐蓋的縫隙和加料口排出，而密閉罩和三次除塵不足以快速處理這部分煙塵，致使廠房內(nèi)環(huán)境惡劣,給環(huán)保和生產(chǎn)帶來巨大壓力，額外增加停產(chǎn)檢修時間。對于含塵量較高的煙氣，將風(fēng)流速控制在10 ~ 12 m/s時煙塵不易在換熱管表面沉積^[6]，增加增壓風(fēng)機轉(zhuǎn)速和風(fēng)量后，第四孔排風(fēng)的能力明顯改善，但運行一段時間后電弧爐除塵系統(tǒng)余熱鍋爐段仍發(fā)生堵塞現(xiàn)象,分別在沉降室、絕熱煙道、余熱鍋爐的5個段、余熱鍋爐出口和電弧爐除塵口取灰樣進行分析。

3.1除塵系統(tǒng)各個階段除塵灰的宏觀形貌

沉降室中含有少量爐渣和輕薄廢鋼料,灰塵主要由粒度較粗的球狀顆粒、石灰和白云石組成;絕熱煙道中輕的顆粒和片狀結(jié)殼灰塵存在;余熱鍋爐1 段中的灰塵顆粒大小不均勻;余熱鍋爐2段發(fā)現(xiàn)由大量細灰粘結(jié)成10 ~20 mm的球狀顆粒，其重量占比77. 4% ,球狀顆粒的燒結(jié)強度較低;余熱鍋爐3段存在少量粒度大于10 mm的球狀顆粒,1 ~10 mm粒度的重量占34. 2% ；4段以后的除塵灰形貌與除塵口的細灰相似,97. 6%以上的灰塵粒度位于0. 3 mm以內(nèi)。

3.2 除塵系統(tǒng)各階段灰塵成分

在電弧爐除塵系統(tǒng)各階段除塵灰中CaO和 MgO的含量如圖2所示。沉降室中除塵灰CaO和MgO的含量明顯較高，并逐漸降低，余熱鍋爐2段 之后其含量變化不大，但最終除塵口的CaO和MgO 的含量偏高。在電弧爐冶煉加料過程中，粒度較小的石灰和輕燒白云石從爐蓋第四孔被抽入沉降室是造成CaO和MgO含量偏高的主要原因之一,除塵口的含量偏高是由于屋頂罩和精煉煙塵的混入造成的。

除塵灰中SiO₂>Al₂O₃和TiO₂的含量如圖3所示。SiO₂>Al₂O₃和TiO₂主要在絕熱煙道內(nèi)沉積，其成分含量遠高于余熱鍋爐之后各階段的量，表明SiO₂>Al₂O₃和TiO₂的化合物在絕熱煙道之前的高溫環(huán)境下凝聚在大顆粒灰塵上。

除塵灰中MnO和S、P的含量的變化如圖4所示，除塵灰中K、Na、Zn和Pb的含量的變化如圖5所示。

隨著煙氣溫度不斷降低,MnO和S、P在絕熱煙道到余熱鍋爐1段的含量迅速升高，表明MnO、S、P在絕熱煙道到余熱鍋爐1段開始大量沉積，并隨風(fēng)帶至余熱鍋爐1段,P含量在余熱鍋爐2段達到最大值，之后其含量變化不大。表明MnO和S的化合物主要在絕熱煙道和余熱鍋爐1段內(nèi)凝聚，而含P的化合物在絕熱煙道和余熱鍋爐2段的溫度范圍內(nèi)凝聚。

隨煙氣溫度不斷降低,Na、Zn和Pb的化合物從絕熱煙道開始逐漸析出并在余熱鍋爐3段達到最大值，在余熱鍋爐1段和余熱鍋爐2段的凝聚速度最快。含K的化合物從絕熱煙道開始緩慢析出沉積, 在出余熱鍋爐1段到2段之間迅速凝結(jié)并達到最大值，余熱鍋爐3段之后含量變化一致。

3.3 除塵灰的形貌特征

在電鏡下觀察各階段的煙塵形貌并對其進行能譜分析，結(jié)果見圖6和表2。1段除塵灰中,K、C1和Zn元素含量較高的顆粒附著在球形氧化物表面，直徑基本小于10 μm；2段除塵灰中，顆粒成簇狀粘結(jié)在一起，單個顆粒直徑約在5 ~10 pm。電弧爐原料中K、Na、Zn、Pb、Cl元素的含量不穩(wěn)定、不可控，含K、Na、Zn、Pb的化合物在余熱鍋爐內(nèi)凝結(jié)并依附于其他顆粒長大，在余熱鍋爐2段和3段粘結(jié)成10 ~ 20 mm的大顆粒及簇狀灰塵且粘結(jié)在換熱管翅片內(nèi)是致使余熱鍋爐段除塵灰堵塞的主要原因之一。

對不同階段的煙塵隨機選取視場進行能譜分析，共統(tǒng)計有效數(shù)據(jù)63組，如圖7所示。

分析發(fā)現(xiàn)K、C1和Zn元素含量均在余熱鍋爐3段達到最高,這與定量分析結(jié)果的趨勢相對應(yīng)。對K和C1含量進行分析發(fā)現(xiàn),K和C1元素原子比例為1.1:1,即電弧爐除塵灰中K主要以KC1的形式存在，如圖8所示。

K、Na的熔沸點最低，其次是 Zn、Pb,再依次是 K₂O、Na₂O、KCl、NaCl、PbO。 在相同溫度下的飽和蒸氣壓依次為:Zn > KC1 > NaCl>PbO > Pb,且飽和蒸氣壓隨著溫度升高而升高。

電爐高溫煙塵中KCl、NaCl、Zn、Pb、PbO存在氣態(tài)形式。廢鋼中ZnO在爐氣中與CO發(fā)生還原反應(yīng)，反應(yīng)式為：

ZnO + CO(g) = Zn(g) +CO₂(g)

AG = 178 020 -111.67T

平衡常數(shù)隨溫度的升高而降低，平衡常數(shù)K越大，在一定條件下，，則ZnO可被CO還原為Zn,Zn主要以單質(zhì)蒸汽存在，反之Zn以固態(tài)ZnO形式存 在。隨著爐氣中CO含量的增加，反應(yīng)平衡溫度向低溫移動,Zn蒸汽氧化為ZnO的反應(yīng)在余熱鍋爐內(nèi)完成，加0粘結(jié)依附塵粒長大，最終在余熱鍋爐換熱管的翅片內(nèi)沉積,造成余熱鍋爐堵塞。

4  結(jié)論

(1)余熱鍋爐系統(tǒng)回收電弧爐高溫煙氣余熱過程中,CaO、MgO主要在沉降室內(nèi)沉積，SiO₂,Al₂O₃和TiO₂主要在絕熱煙道內(nèi)沉積;含Mn、S、P的物質(zhì)主要在余熱鍋爐1段凝聚，含K、Na、Zn、Pb的低熔點物質(zhì)主要在余熱鍋爐1段和2段凝聚長大。

(2)含C1、K和Zn的低熔點化合物在余熱鍋爐2段和3段依附于球狀氧化物生長或粘結(jié)成簇狀,形成尺寸在10?20 mm的大顆?；覊m并在換熱器翅片內(nèi)黏附沉積，是造成余熱鍋爐灰塵堵塞的主要原因之一。

5  參考文獻

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