硅锰合金矿热炉烟气余热回收方法研究

曾锦波，卜文平

（1.中铝环保节能科技（湖南）有限公司，长沙 410019；2.新奥（北京）电力服务有限公司，北京 101102）

硅锰合金是钢铁产品的重要原料，其生产工艺具有高耗能、高污染、高排放特征。硅锰合金采用矿热炉（又称埋弧还原电炉）生产，其出口高温烟气经水冷烟道和风冷器冷却降温、除尘净化后，将合格的煤气送入气柜利用。硅锰合金矿热炉排出高温烟气，但烟尘浓度高、易吸附，容易堵塞换热设施，目前暂没有硅锰合金矿热炉余热回收高效的成功案例，大量烟气余热经烟气净化设施耗散在冷却水和空气中。

长期以来，我国铁合金行业存在设备与技术落后、环境污染严重等问题，早在2012年，我国铁合金产能就超过4 000万t，铁合金相关企业超过2 000家，其主要分布在矿产和电力资源丰富的中西部地区。锰系铁合金主要分布在我国西南地区。随着国家不断提高铁合金行业准入门槛，部分落后企业被淘汰，科技感更强、功率更大的矿热炉在铁合金行业的应用率越来越高，目前从整个铁合金行业来看，仍有很多矿热炉存在运行效率低的问题。为了适应环境保护要求，铁合金企业必须加大对清洁生产的投入，如密闭生产、余热余压利用、废弃物利用等。

硅锰合金生产工艺的余热资源主要有高温烟气余热、渣余热、产品余热等，一般直接外排或者经冷却介质耗散到环境中，造成企业能耗大，中间介质不能回收，增加环境热污染和水汽污染。硅锰合金矿热炉出口烟气流量大，烟气经水冷夹套冷却后，出口烟温为500～800 ℃，烟尘浓度为120～150 g/Nm，烟尘容易黏结积灰。因此，本文分析了矿热炉外排高温烟气的余热回收方法。

1 概述

某企业矿热炉生产单位硅锰合金产品的电能消耗约为4 300 kW·h/t，单台设备的有功功率约为33 000 kW，其中水冷夹套带走的热量约占总热量的16%，烟气带走的热量约占总热量的9%。因烟气含尘量高，该企业利用余热回收工艺进行回收，但换热设施堵塞严重，严重影响余热回收。为实现高质量发展，该企业深挖节能潜力，尽可能降低能源消费强度。

2 烟气成分分析

硅锰合金矿热炉出口烟气成分如下：H含量为3.5%～12.0%，CO含量约为70%，烟尘含量约为150 g/Nm。烟尘浓度高，成分不同，在不同温度下，各自特性也不一样，采集烟尘进行成分测试，结果如表1所示。

表1 烟尘成分测试结果

数据显示，烟尘主要成分为MnO、SiO、AlO、FeO、KO、SO、CaO等。经灰熔融性测试，烟尘变形温度（）为1 100 ℃，软化温度（）为1 140 ℃，半球温度（）为1 160 ℃，流动温度（）为1 170 ℃。烟尘测试结果表明，其含有大量碱金属，烟尘微粉直径大多介于0.1～0.5 μm，灰密度小，静电吸附和微粒间的吸附能力强，易黏结、不易沉降，容易搭桥积灰，形成热阻影响通流。

3 余热回收方案分析

3.1 炉料反应机理

硅锰合金是在矿热炉内用碳还原锰矿和硅石炼成的，在不同反应区按照顺序进行化学反应。硅锰合金生产过程的还原反应如下：

式中：为与锰原子结合的碳原子数量。

由式（1）至式（3）可知，锰矿和硅石还原，在高温下生成更加稳定的硅化锰，硅锰合金中溶解的碳随高温镇静时间的延长而减少，矿热炉排出的烟气中，CO占比为70%。其中，碳还原二氧化硅的过程有复杂的反应机理。首先，中间产物碳化硅和一氧化硅产生，二者的生成与分解在二氧化硅还原过程中起着重要作用。1 500～1 600 ℃温度区间产生以下反应：

在炉膛高温区域，1 700～1 800 ℃温度区间发生以下反应：

温度大于1 827 ℃时，碳化硅和二氧化硅、一氧化硅发生反应而分解，生成硅和CO。具体反应如下：

SiO在炉内高温区以气态形式随反应产生的炉气在炉料内上升，高温反应区的气体从料面逸出时，气体中的SiO与氧气接触，发生如下反应：

SiO在1 100 ℃温度以下不稳定，还可能发生下列反应：

但是，还原剂表面优先发生下列反应：

从以上反应判断，高硅锰合金含硅量大，如果炉内电极上抬、炉料表面温度高或者原料炭材布料不均匀，均会造成大量SiO气体外溢，而SiO极易与锰矿中分解出或炉盖泄漏进入的氧气结合生成SiO，加上其本身在低温下的凝析作用，其极易堵塞烟道及净化设备。

通过对比矿热炉正常运行时烟气中烟尘成分和矿热炉烟道发生堵塞时烟尘成分，硅锰合金矿热炉生产时硅的挥发是堵塞烟道的主要因素。

3.2 烟气余热回收原理

该企业单台矿热炉外排烟气量约为10 000 Nm/h，炉内压力约为10 MPa，炉体采用水冷除尘降温处理，未经冷却处理的矿热炉出口烟气温度高达1 000 ℃。经计算，出口烟气携带热量约15 GJ/h，考虑硫酸露点腐蚀温度后，余热排烟热量约为4 GJ/h，本次可利用余热资源约为11 GJ/h。实践经验表明，黏结性积灰只有在壁面温度超过某一临界值时才会出现，一般壁温不小于500 ℃才能促进黏结性积灰的形成。本次拟采用2.0 MPa、300 ℃蒸汽吸收烟气余热，从单位时间消耗来看，折合成2.0 MPa蒸汽约4.1 t/h，折标准煤约397 kgce/h，减少二氧化碳排放约1 103 kg CO/h。

3.3 余热回收设施结构

根据烟尘成分测试结果，该企业烟尘含有18.91%的SiO，说明烟气中SiO、SiO含量高，而矿热炉出口烟气温度约为1 000 ℃，SiO处于极不稳定状态，易与炉盖泄漏进入的氧气发生化学反应，堵塞烟道。余热回收设施是烟气余热回收的核心设备，考虑到烟气CO含量约为70%，余热回收设施需要起到安全降尘吸热的作用，保证烟气净化系统正常运行。该企业拟采用密闭式压力容器回收烟气余热，避免氧气进入，保证烟气中CO浓度在安全范围，同时避免漏入氧气与SiO反应而堵塞换热面。

碱金属在800 ℃温度以上即可升华，升华会引起结焦。高温烟气含冶炼中升华的碱金属氧化物，其易在受热面管壁冷凝，进而与烟气中SO反应形成硫酸盐，硫酸盐与烟尘中AlO、MnO反应形成复合盐，这些反应物在500～800 ℃温度下呈熔融态或黏性。该企业拟在烟道入口设置节能器，将大空腔密闭式压力容器入口烟温控制在烟尘黏结温度以下，利用旋风除尘方式分离烟气中烟尘，通过降尘吸热回收烟气余热。大空腔密闭式压力容器可采用立式或卧式，其流通面积约为9.2 m。

3.4 余热回收设施清灰方式

清灰问题一直是制约矿热炉余热回收的难点，矿热炉采用的清灰法有铬丸法、激波法、爆破法、压缩空气法和机械法等，除尘效果各有差异，近年常用的为钢球清灰法和钢刷清灰法。钢球清灰不易卡涩，可靠性高，但需要专门的钢球输送系统，清灰不彻底，局部有积灰。钢刷清灰效果好，但高温下易变形，需要定期更换。该企业拟在余热回收设施内部采用旋风除尘方式，经大空腔密闭式压力容器借助离心力和重力将大部分尘粒从气流中分离，使尘粒落入余热回收设施底部的灰斗，再经特殊位置设置的人孔定期清灰，底部采用螺旋输粉机清灰。

3.5 余热回收设施的布置

余热回收设施的布置综合考虑矿热炉烟道出口位置、烟气净化设施的进出口参数要求。其间选择合适接入点，将余热回收设施与烟道出口烟气净化设施旁通布置，控制调节阀的开度来调节烟气流量，最大限度回收余热资源，同时不影响矿热炉的正常生产。

4 碳减排分析

节能减排和降碳达峰是社会发展的客观要求，高耗能企业有市场压力和社会责任履行科学用能义务，实现高质量发展。矿热炉属于高耗能工序，采用余热回收，投资回收期约为3年，可减少二氧化碳排放约1 103 kg CO/h，折合8 737 t CO/a。

5 结语

冶炼过程产生大量余热资源，目前常规的可利用高温余热已经基本利用，高粉尘、高黏结的周期性余热资源尚未得到经济有效的回收利用，随着能源控制的加强，高耗能企业需要优化能源消费结构。本研究采用密闭烟气净化除尘的原理解决余热回收降尘难题，实现硅锰合金矿热炉烟气余热回收。余热回收项目经济效益可靠，回收期短，但其和场地位置与冶炼工艺紧密相关。总体来看，回收余热资源，可以降低冶炼能源消耗，节能减排，最终促进企业实现高质量发展。