铁合金矿热炉烟气回收能源利用述评

张曾蟾

（中国铁合金工业协会，北京 100711）

我国是世界第一铁合金生产大国，2010年全国铁合金产量2 435.5万t，同比增长10.23%，占世界铁合金总产量的50%以上。我国铁合金行业90%左右产品采用矿热炉电热法生产，能源消耗比较高，是国家节能减排的重点行业。

1 铁合金矿热炉分类及烟气回收能源利用的意义

1.1 铁合金矿热炉炉型分类

铁合金矿热炉一般分3种炉型，第一种是全封闭型，第二种是矮烟罩半封闭型，第三种是高烟罩敞口型。目前，我国绝大多数大中型矿热炉采用矮烟罩半封闭型，仅少数5 000 kVA以下小矿热炉没有进行技术改造，仍采用高烟罩敞口型；锰硅合金、高碳锰铁、高碳铬铁、工业硅等大中型矿热炉有部分采用全封闭型，这是铁合金矿热炉炉型发展方向。

1.2 矿热炉烟气回收利用重要意义

硅系、锰系、铬系等大宗铁合金产品生产，一般采用碳质还原剂，在矿热炉冶炼过程中会产生大量含有CO、CO2、H2等成份的烟气，而且炉口烟气温度一般在400℃左右，含有大量的显热。按生产75%硅铁矿热炉为例，烟气中的大量热能相当于总输入能量的约50%。因此，采用先进工艺技术，回收利用矿热炉烟气能源意义重大，不仅能降低铁合金生产成本，更重要是可以减少烟尘污染，这是“十二五”期间铁合金行业节能减排的重要工作之一。

2 铁合金矿热炉烟气能源回收利用概况

2.1 国外矿热炉烟气能源回收利用发展情况

最早实现半封闭型矿热炉烟气余热回收利用的是瑞典的美国艾尔克公司瓦岗厂。该厂于1958年、1966年、1972年先后建成21 000 kVA、45 000 kVA、75 000 kVA半封闭型矿热炉的回收蒸汽工程。其中75 000 kVA半封闭型硅铁电炉的余热锅炉每天可产生293℃的高压蒸气1 000～1 200 t，除用来发电外还可向周边的工业企业进行供热。

1977年，挪威埃肯公司为法国敦刻尔克地区的乙炔和电冶金公司设计制造了96 000 kVA带有余热回收系统的大型半封闭型矿热炉,并于1978年投产，这台电炉利用余热锅炉回收烟气余热产生的蒸汽发电，可降低供电量20%左右。

日本重化学工业公司和贺川厂1979年开始研制的一台32 000 kVA带有余热发电系统的半封闭型硅铁炉至今仍正常运行，这套余热回收和利用系统包括高温操作的半封闭炉、热交换器和涡轮发电机，电炉烟气中回收余热节约的电能达3 400万kWh。

芬兰奥托昆普公司利用50 000 kVA全封闭型高碳铬铁电炉的煤气，烧结铬粉矿球团，并预热炉顶料仓炉料，冶炼电耗降到2 700～2 800 kWh/t，从而达到充分利用铬粉矿冶炼高碳铬铁目的。

2.2 我国矿热炉烟气能源回收利用发展情况

我国矿热炉烟气能源回收利用虽然起步较晚，但是，近年来也取得了明显成效。

20世纪80年代,湖南某厂曾经在硅铁矿热炉上安装水冷壁管进行过回收余热试验，由于当时还是高烟罩敞口炉，再加上硅微粉堵塞水冷壁管等原因，因而未能成功运行。

1992年,原湖南铁合金厂引进德马克公司的30 000 kVA全封闭型锰硅合金电炉，回收煤气除尘净化后，供24m2烧结机烧结锰矿。

2008年,内蒙古自治区核准了鄂尔多斯电力冶金集团有限公司大型集群电炉低温烟气余热资源综合利用项目。该项目一期改造硅铁电炉8台，建设装机2台9MW发电机组，2009年6月开工建设，2010年3月首台机组并网发电。

2009年,中钢集团广西铁合金有限公司在半封闭型锰硅合金电炉上，采用BOT方式建成3台余热锅炉和12MW余热发电机组，并实现并网发电。与此同时，青海物通(集团)实业有限公司也率先在半封闭型硅铁电炉上应用烟气余热发电技术，取得了非常好的成效。

3 半封闭型矿热炉烟气余热回收利用技术

3.1 半封闭型矿热炉烟气余热特点

当代出现的矮烟罩半封闭型矿热炉具有广泛的适应能力，它不仅解决冶炼75%硅铁等需要炉口料面操作的产品生产工艺技术要求，而且也有效地解决了烟气净化和余热回收利用技术。半封闭型矿热炉烟气量约为全封闭型的10～15倍，但比敞口型矿热炉烟气量要少得多。

以冶炼75%硅铁为例，烟气量每吨硅铁25 000～30 000 Nm3，炉口烟气温度250～400℃。烟气余热属于中温余热，废气流量较少，热品位较低；烟气温度、流量具有一定的波动性，波动范围大；烟气中的硅微粉极细，平均粒径0.5～0.2μm，比表面积15 000～20 000m2/kg的粉煤灰大50倍左右，比水泥大50～100倍，有极强粘附力和非常高的热阻。

3.2 半封闭型矿热炉烟气余热回收利用方式

半封闭型矿热炉烟气余热回收利用有2种方式。

（1）用工业锅炉回收余热生产饱和蒸汽或热水，用于日常生产和生活。但铁合金电炉生产中几乎可以不用蒸汽，而生活用汽则用于采暖、食堂、淋浴等热负荷，对蒸汽的质量要求较低，因此，这种方式烟气的余热不能被充分利用，余热利用率约30%左右。

（2）用发电锅炉回收余热，产生过热蒸汽推动透平机发电，从而将烟气热能转化成清洁、使用方便、输送灵活的电能，扩大余热利用途径，这种方式理论上余热利用效率可达60%以上。

3.3 半封闭型矿热炉烟气余热发电的核心技术

烟气余热发电的核心技术主要包括：余热锅炉进出口烟气参数的确定、余热电站热力系统及参数的确定、余热锅炉的低温换热技术、余热锅炉的清灰技术(机械振打、燃气爆燃、立式余热锅炉机械刷)、余热锅炉的建设及运行对铁合金生产线的影响、锅炉烟气阻力对矿热炉风机的影响和粉尘的回收利用等。

3.4 国内某厂硅铁矿热炉烟气余热发电实例

（1）烟气余热参数

单台矿热炉烟气流量120 000Nm3/h，烟气温度370℃，烟气出炉烟囱压力-88Pa，烟气化学成份：CO2（3.55%）、H2O（1.11%）、N2（76.57%）、O2（18.76%）、CO（0.01%）。

硅微粉参数，平均粒径0.15～0.2μm，具有极强的表面活性。烟尘比重0.2 g/cm3，烟尘含量3～5 g/Nm3。硅微粉化学成分：SO2（91.7%）、CaO（0.2%）、Fe2O3（0.2%）、AI2O3（0.3%）、K2O（1.41%）、NaO（1.54%）、游离C（＜2.0%）。

（2）余热电站装机方案

8台25 000 kVA硅铁电炉配4台余热锅炉和2台9 MW发电机组。每台余热锅炉可生产约18.5 t/h、1.35MPa、340℃过热蒸汽。选用的汽轮机主蒸汽参数1.25MPa、330℃，平均发电功率约7.15MW。

（3）余热发电系统技术特点

选取了适当的、相对较低的工作压力参数，运用了先进的窄点分析技术，通过不同的组合，能最大程度地提高余热综合利用率。

余热锅炉烟气系统均设有旁通烟道，一旦余热锅炉或电站发生事故时，可以将余热锅炉从硅铁生产系统中解列，不影响硅铁正常生产。

优化锅炉本体和进出口烟道系统设计，选择合适的烟气流速，保证余热锅炉烟气系统的阻力不大于原空冷换热器的阻力，无须更换硅铁系统中原有的风机。

采用以机械振打为主、燃气爆燃为辅的联合清灰方式，每组受热面都设置有清灰装置，较好地解决了清灰问题。

采用真空除氧系统，替代传统的热力除氧系统，提高余热回收率，同时可以降低除氧设备层高度，节省土建投资。

4 全封闭型矿热炉煤气回收利用技术

4.1 全封闭型矿热炉煤气特点

锰硅合金、高碳锰铁、高碳铬铁等全封闭型矿热炉冶炼过程中产生的大量烟气，含CO较高，一般占到60%～80%，发热值也较高，因此称为铁合金矿热炉煤气，一般净化前称为荒煤气，净化除尘后称为净化煤气。

按有关资料介绍，不同类型的全封闭型矿热炉煤气特点分别为：①锰硅合金全封闭型矿热炉，煤气量1 200Nm3/t产品，发热量9 kJ/Nm3；②高碳锰铁全封闭型矿热炉，煤气量960～1 050Nm3/t产品，发热量12 kJ/Nm3；③高碳铬铁全封闭型矿热炉，煤气量900Nm3/t产品，发热量10 kJ/Nm3。这种全封闭型矿热炉煤气，可以作为热源用于煤气发电或作烧结机烧结、回转窑干燥、预还原等。

其实，在学习的过程中不少学生都会进行一定的纠错，但是却没有看到明显的效果，究其原因，其实是纠错方法不对，据笔者观察，目前大多数学生在纠错的过程中存在以下几个问题：

全封闭型矿热炉在工艺操作顺行的条件下，应严格控制炉盖内为微正压状态，以防止空气渗漏炉内。荒煤气净化后应设气体自动分析仪，监测O2和H2含量。荒煤气净化流程有干法和湿法2种。

4.2 荒煤气干法净化工艺流程

全封闭型矿热炉荒煤气首先通过集灰箱除去粗颗粒粉尘，经水冷烟道、风力列管式冷却器降温、旋风除尘器一级除尘后，通过主风机送入布袋除尘器二级除尘，然后经过外淋式空气列管冷却器降温，再进煤气柜贮存，或直接送用户使用。

干法净化除尘工艺有一定的技术难度，主要是安全防爆和布袋堵塞再生困难等问题，对炉料、矿热炉密封及正常运行等要求都比较高。目前，干法净化除尘工艺国外还没有企业应用，国内应用的企业也不多，但是，这是全封闭型矿热炉荒煤气净化工艺发展方向。

20世纪80年代，湖南某厂率先在9 000 kVA锰硅合金封闭炉试验干法净化除尘，90年代从国外引进的30 000 kVA锰硅合金封闭电炉正式应用干法净化除尘。2010年该厂通过技术改造，将矿热炉全部改成全封闭型，矿热炉荒煤气经过干法净化除尘后，净煤气一部分作锰矿烧结机烧结用，一部分用作煤气发电，目前正在调试。

四川某厂在2台25 000 kVA锰硅合金封闭电炉上采用干法净化除尘工艺，经过不断改造完善，目前已经做到煤气全部除尘回收。煤气含一氧化碳70%～80%，流量3 000 Nm3/h，贮存于2座1万m3的气柜中，供1台Ф1.5m×40m的钒渣焙烧窑使用，或者供1台Ф1.5m×26m的钛精矿焙烧窑使用，部分替代了原用的天然气，经济效益明显。

2006年山西某厂新上的9 000 kVA电炉锰铁封闭炉也采用了干法净化工艺流程。

4.3 荒煤气湿法净化工艺流程

全封闭型矿热炉荒煤气湿法净化典型的工艺流程是：荒煤气首先通过集灰箱除去粗颗粒粉尘，经雾化冷却器冷却后，先进喷淋塔一级除尘，再连续通过文氏管(Ⅰ)、脱水器(Ⅰ)、文氏管(Ⅱ)、脱水器(Ⅱ)二级除尘脱水，最后通过风机，进煤气柜贮存，或直接送用户使用。

吉林某厂全封闭型矿热炉采用这种湿法净化工艺流程，净化回收的净煤气用于原料预处理和供暖余热化。广西2家工厂的4台12 500 kVA锰硅合金全封闭型矿热炉也是采用湿法净化工艺流程，但没有配置煤气贮柜，回收的净煤气一家用于锰矿盘式烧结机，一家用于回转窑锰矿预还原。

20世纪60年代以来，国外铁合金全封闭型矿热炉荒煤气净化工艺流程一直沿用湿法。目前，国内企业采用湿法净化工艺流程的也多于采用干法的。它的主要特点是快速洗涤易于熄火，在很短时间内使高温荒煤气降到饱和温度，作为消除爆炸因素之一，可实现安全操作。净化后的煤气含尘量低于20Mg/Nm3，符合国家标准要求。湿法净化工艺流程的缺点是污水处理比较复杂。

4.4 荒煤气先烧锅炉发电后除尘排放工艺流程

国内某厂曾提出将全封闭型锰硅合金矿热炉荒煤气先在燃烧室点火，然后烧煤气锅炉发电，废气最后再经除尘后排放。这种荒煤气回收利用工艺流程的优点是既回收了荒煤气显热和燃烧热，又可以解决荒煤气爆炸风险。但是，由于荒煤气中含有K2O、NaO等碱金属氧化物，熔点比较低，在燃烧过程中容易附着于锅炉水冷管壁，难以清除造成堵塞，因而该工艺流程最终没被采用。目前，国内内燃式电石炉回收荒煤气就有采用先烧锅炉发电、后除尘净化排放的工艺流程。因此，全封闭型锰硅合金矿热炉荒煤气，先烧锅炉发电，废气最后再经除尘净化后排放工艺流程应该继续试验实践。

（本栏责任编辑 胡 珏）