礦熱爐煙氣資源綜合利用

1、Vol29，No8中國(guó)資源綜合利用2011 年 8 月China Resources Comprehensive Utilization礦熱爐煙氣資源綜合利用武榮陽(yáng) 1，3，吳國(guó)華 2，向召洋 1，張愷進(jìn) 1，張殿華 3 綜合利用（1.大連重工·起重集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院，遼寧大連116013；2.大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸管理學(xué)院，遼寧大連116026；3.東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110819）摘要：根據(jù)礦熱爐煙氣溫度及成分的特點(diǎn)，提出其資源綜合利用的多種方案，并闡述其主要設(shè)備組成、工藝難點(diǎn)優(yōu)劣和今后的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：礦熱爐；煙氣；余熱；綜合利用中圖分類(lèi)號(hào)：X701

2、，X706文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：10089500（2011）08001705Comprehensive Utilization of Submerged ArcFurnace Off-gas ResourcesWu Rongyang1，3， Wu guohua2， Xiang Zhaoyang1， Zhang Kaijin1， Zhang Dianhua3（1.D.& R.Institute of DHI·DCW Group Co.， DAliAn116013， ChinA.；2.College of TrAnsportAtion MAnAgement， DAliAn MA

3、ritime University，DAliAn116026， ChinA；3.The StAte Key LAb of Rolling And AutomAtion， NortheAstern University， ShenyAng110819， ChinA）Abstract：Multiple schemes of off-gAs integrAted reuse Are presented According to off-gAs chArActeristic ontemperAture And ingredient. The pAper repersented the key equi

4、pment constitution， technology difficultiesAnd dominAnces， development tend.Keywords：submerged Arc furnAce； off-gAs； WAster heAt； comprehensive utilizAtion我國(guó)的工業(yè)煙氣余熱技術(shù)在水泥和鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用相對(duì)比較成熟，目前在鐵合金和電石行業(yè)已1礦熱爐分類(lèi)及煙氣參數(shù)有應(yīng)用，但仍然存在許多問(wèn)題。 如：?jiǎn)闻_(tái)礦熱爐煙氣受操作的影響，波動(dòng)較大，穩(wěn)定性差，煙氣量相對(duì)較小， 收集利用效益不明顯；500700 高溫?zé)煔獾某煞謴?fù)雜粉塵含量較大，處理設(shè)備投資成本較高

5、。大連重工·起重集團(tuán)公司在冶金和化工行業(yè)從事礦熱爐設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造和總承包工程已有 20 多年的歷史，目 前年設(shè)計(jì)制造 100 多臺(tái)（套）各類(lèi) 礦 熱爐，而且不斷向上下游一體化綜合利用總包方向發(fā)礦熱爐主要用礦石、 碳質(zhì)還原劑及溶劑等原料，生產(chǎn)硅鐵，錳鐵，鉻鐵、鎢鐵、硅錳合金等鐵合金和電石。礦熱爐根據(jù)其冶煉工藝和設(shè)備密封程度，分為半密閉爐和密閉爐， 目前半密閉爐主要以冶煉硅鐵、鎳鐵等為主，密閉爐主要以冶煉電石、鉻鐵、錳硅等為主。（1）半密閉爐（75%硅鐵）煙氣特點(diǎn)展。 隨著石油、化工資源和電力能源緊張，該領(lǐng)域的表 1煙氣量、溫度和成分爐群正向大型化、規(guī)模化、效益化發(fā)展，其爐群煙氣煙氣溫度煙

6、氣量CO CH4 CO2 H2OO2H2N2總體的排放量相當(dāng)可觀。 目前國(guó)家節(jié)約型社會(huì)的發(fā)（）（Nm3/h）（%） （%）（%） （%） （%） （%） （%）展，對(duì)企業(yè)和用戶(hù)在礦熱爐資源的綜合利用上提出400520 11 00014 000 313 12 518 4.4 7578了更高的要求，另外環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排政策的要表 2煙氣中粉塵的化學(xué)成分求日益嚴(yán)厲，以及國(guó)家對(duì)該領(lǐng)域節(jié)能減排政策支持成分（%）CAOCSiO2 Fe2O3 Al2O3 Mg0其它力度的逐漸加大，促使該領(lǐng)域改造和新建項(xiàng)目的余2.03.58221.50.918.09熱回收資源綜合利用將迎來(lái)大發(fā)展的有利時(shí)機(jī)。收稿日期：201

7、10416作者簡(jiǎn)介：武榮陽(yáng)（1974），男，山西五臺(tái)人，博士，高級(jí)工程師，研究方向：資源綜合利用、礦熱爐煙氣余熱發(fā)電。 17 綜合利用中國(guó)資源綜合利用第8 期根據(jù)表 1、表 2 可知，半密閉爐由于其含有的則較少，但潛熱量大，適合采用燃?xì)忮仩t發(fā)電。 另外可燃?xì)怏w微乎其微，溫度高達(dá) 400 以上，而且從表 3密閉爐煙氣量、溫度和成分爐門(mén)處混入的空氣較多，煙氣量較大。 適合采用余煙氣溫度 煙氣量COH2CH4 CO2O2H2熱鍋爐換熱發(fā)電，熱效率能達(dá)到 2628%左右，但（）（Nm3/h）（%）（%） （%） （%）（%）（%）難點(diǎn)在于其粉塵中含有大量的 SiO2，顆粒細(xì)小吸附6507504200

8、7482.5 02.0 05 210 0.20.6 18性強(qiáng)，質(zhì)量較輕比表面積大，給鍋爐除灰?guī)?lái)較大表 4密閉爐煙氣中粉塵的化學(xué)成分難度，傳統(tǒng)的機(jī)械振打等除灰方式都不理想，嚴(yán)重成分（%）CCAOVmPSiO2 R2O3 MgO 其他影響換熱效率。（2）密閉爐（電石爐）煙氣特點(diǎn)密閉爐中可燃?xì)怏w含量較高達(dá)到 80%左右，而且溫度較高達(dá)到 700 左右， 氣量相對(duì)于半密閉爐26.61 37.59 3.47 0.99 7.28 11.96 3.01 9.09也可以經(jīng)過(guò)凈化壓縮處理后用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電或者生產(chǎn)化工產(chǎn)品1-2。礦熱爐煙氣利用的主要工藝流程如圖 1 所示。半密閉礦熱爐不含 CO 的臟爐氣余熱鍋

9、爐蒸汽汽輪發(fā)電機(jī)組A.半密閉礦熱爐煙氣利用工藝縮程圖燒石灰煙氣除塵煙氣凈化裝置凈煤氣凈煤氣燒石灰窯燃?xì)忮仩t煙氣蒸汽生產(chǎn)干冰汽輪發(fā)電機(jī)組密閉礦熱爐含 CO 的臟爐氣發(fā)電直燃余熱鍋爐蒸汽汽輪發(fā)電機(jī)組煙氣凈化及 凈煤氣加壓裝置燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組高溫?zé)煔庥酂徨仩t蒸汽汽輪發(fā)電機(jī)組化工產(chǎn)品煙氣凈化凈煤氣生產(chǎn)甲酸鈉、甲醇b.密閉礦熱爐煙氣利用工藝縮程圖圖 1礦熱爐煙氣利用方式圖較高的沿海和南方市場(chǎng)更有發(fā)展?jié)摿Α?該系統(tǒng)的難22.1半密閉礦熱爐煙氣利用方案工業(yè)生活利用點(diǎn)在鍋爐的除灰系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要根據(jù)灰塵的特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的除灰方式設(shè)計(jì)，否則嚴(yán)重影響鍋爐的換熱利用其顯熱進(jìn)行取暖、燒水、蒸飯和洗澡等工業(yè)生活配套。 其利

10、用受限，北方供暖大約有 45 個(gè)月，燒水等生活用量也少而且不規(guī)則，只能間歇式利用，利用效率低，浪費(fèi)嚴(yán)重。熱效率只能利用 1015%左右。效率和發(fā)電效益，甚者無(wú)法連續(xù)生產(chǎn)，影響冶煉工序。2.2余熱發(fā)電利用利用半密閉爐 500 左右的高品質(zhì)熱源進(jìn)行余熱鍋爐換熱提供飽和蒸汽進(jìn)行蒸汽輪機(jī)發(fā)電。 主要設(shè)備包括余熱鍋爐、蒸汽輪發(fā)電機(jī)組、循環(huán)水冷卻設(shè)備、發(fā)配電控制設(shè)備等，流程示意圖如圖 2 所示。 通常裝機(jī)容量在 10 000 KVA 的礦熱爐其發(fā)電機(jī)配置在 800 kW 左右，其煙氣熱轉(zhuǎn)換效率在 2530%左右，單位發(fā)電成本在 0.1 元左右，在電價(jià)比18圖 2余熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖第8 期密閉礦熱爐煙氣利用

11、方案3燒石灰3.1武榮陽(yáng)等：礦熱爐煙氣資源綜合利用 綜合利用該方案主要適用于生產(chǎn)電石的密閉爐。 煙氣中含 6080%左右的 CO 氣體， 特別是對(duì)于生產(chǎn)電石的礦熱爐，其反應(yīng)式為 CaO+3C=CaC2+CO，需要原料 CaO，從工藝配套的角度，煤氣用來(lái)燒石灰更為直接經(jīng)濟(jì)，CaCO3=CaO+CO2， 其煅燒過(guò)程中產(chǎn)生的大量 CO2 經(jīng)過(guò)處理可以用來(lái)做食品級(jí)原料生產(chǎn)碳酸飲料或者用作石油開(kāi)采地下油層的填料。 該流程受目前除塵工藝設(shè)備限制需要將煙氣降溫冷卻圖 4煙氣燃?xì)忮仩t發(fā)電示意圖再除塵， 因此該過(guò)程煙氣的顯熱被白白空冷掉，沒(méi)有被合理利用，其利用的僅為煙氣的 CO 和少量氫氣的潛熱。該方案的主體設(shè)

12、備為煙氣除塵設(shè)備、 石灰窯、CO2 膜分離變壓吸附設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等。 其工藝方案流程圖如圖 3 所示。設(shè)備包括：直燃鍋爐、蒸汽輪發(fā)電機(jī)組、發(fā)配電控制設(shè)備等。 系統(tǒng)流程示意圖如圖 5 所示，其熱量回收率在3035%左右。 該方案的難點(diǎn)（1）鍋爐除灰；（2）實(shí)現(xiàn)煙氣波動(dòng)條件下電石爐正常冶煉與發(fā)電系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行二者之間的協(xié)調(diào)控制。圖 3煙氣燒石灰窯系統(tǒng)示意圖3.2煙氣燃燒發(fā)電圖 5煙氣直燃鍋爐發(fā)電示意圖3.2.1燃?xì)忮仩t發(fā)電33.2.3燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)發(fā)電4該方案流程為礦熱爐煙氣經(jīng)過(guò)除塵凈化后，送入煤氣柜作緩沖，煤氣柜提供相對(duì)穩(wěn)定的氣源和壓力，然后送入燃?xì)忮仩t燃燒產(chǎn)生蒸汽再送入蒸汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電并網(wǎng)， 其工

13、藝流程示意圖如圖 4 所示。主要設(shè)備包括：煤氣柜、燃?xì)忮仩t 、蒸汽輪發(fā)電機(jī)組、發(fā)配電控制設(shè)備等。 方案特點(diǎn)在于可以廣泛借鑒火力發(fā)電的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)配套相對(duì)比較成熟，投資和運(yùn)行費(fèi)用較低、短期效益明顯，但要損失掉礦熱爐煙氣的顯熱，熱利用效率在 30%左右。該方案煙氣的熱利用效率較 高能達(dá)到 4050%左右。 其原理在于首先將煙氣凈化處理，含塵量控制在 10 mg/Nm3 以下，送入煤氣柜進(jìn)行穩(wěn)壓和穩(wěn)流，再進(jìn)行精除塵過(guò)濾，然后根據(jù)可燃?xì)怏w的含量，通過(guò)壓氣機(jī)進(jìn)行壓縮到 2536 MPa，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒發(fā)電， 燃燒后的尾氣溫度在 500 左右，將其送到余熱鍋爐換熱，產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)蒸汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，其工藝流程

14、示意圖如圖 6 所示。其主要設(shè)備包括：煤氣凈化除塵設(shè)備、氣體壓3.2.2直燃鍋爐發(fā)電縮機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、余熱鍋爐、蒸汽輪發(fā)電機(jī)對(duì)于石灰用量不大的錳硅、鉻鐵、鎳鐵等鐵合金礦熱爐，適合采用煙氣不經(jīng)過(guò)除塵直接到直燃鍋爐中燃燒，其工藝流程為：每臺(tái)礦熱爐配一臺(tái)直燃組、發(fā)配電控制裝置等。 該方案一次性投資較大，燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備備件和維護(hù)相對(duì)較高， 但長(zhǎng)期效益明顯。鍋爐，煙氣在爐內(nèi)直接燃燒并除塵，產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)母管聯(lián)接在一起推動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。 該系統(tǒng)主3.33.3.1煙氣生產(chǎn)化工產(chǎn)品5生產(chǎn)甲酸鈉方案 19 綜合利用圖 6中國(guó)資源綜合利用煙氣通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)發(fā)電示意圖第8 期甲酸鈉是重要的化工原料， 主要用于

15、生產(chǎn)甲圖 7煤氣與燒堿生產(chǎn)甲酸鈉工藝流程圖酸、草酸和保險(xiǎn)粉，還可用于制備還原劑和消毒劑等。 甲酸鈉可以采用燒堿和一氧化碳作原料，通過(guò)加溫加壓進(jìn)行反應(yīng)制得， 反應(yīng)不需催化劑的參與。對(duì)于電石生產(chǎn)工藝中富于的煙氣，以及下游氯堿化工生產(chǎn)富于的燒堿溶液，用來(lái)生產(chǎn)甲酸鈉，特別有優(yōu)勢(shì)。3由引風(fēng)機(jī)引出，經(jīng)換熱器降溫，再進(jìn)入干法脫塵旋風(fēng)分離器，為了使尾氣粉塵含量小于 10 mg/Nm，需要將電爐尾氣送入二級(jí)帶有填料的水洗塔,再經(jīng)過(guò)其主體工藝流程如圖 8 所示，包括：氣體的凈化、變換、脫硫脫碳及甲醇合成與精制。 粗原料氣組分中氫碳比太低， 故氣體首先要經(jīng)過(guò)變換工序，使過(guò)量的一氧化碳變換為氫氣和二氧化碳，再經(jīng)脫硫脫

16、碳工序?qū)⒘蚝瓦^(guò)量的二氧化碳除去，最后原料氣經(jīng)過(guò)壓縮、甲醇合成與精餾精制后制得甲醇。湍流塔水洗， 凈化后的尾氣進(jìn)入壓縮機(jī)或煤氣柜。圖 8礦熱爐煙氣生產(chǎn)甲醇工藝流程圖由凈化或氣柜送來(lái)的氣體經(jīng)壓縮機(jī)壓縮至一定的壓力之后，送入變壓吸附裝置脫除二氧化碳，再回到壓縮機(jī)壓縮至 2.3 MPa 即可進(jìn)入合成工序。 燒堿經(jīng)配制、加壓、預(yù)熱與煤氣混合在預(yù)熱器達(dá)到一定工藝要求之后， 進(jìn)入合成反應(yīng)器合成甲酸鈉水溶液。 甲酸鈉水溶液由泵從儲(chǔ)罐打入蒸發(fā)器蒸發(fā)，蒸發(fā)后的甲酸鈉懸浮物料進(jìn)入甩干機(jī)固液分離，母液循環(huán)蒸發(fā)；固體甲酸鈉結(jié)晶物料進(jìn)入氣流烘干塔干燥，隨后包裝作為產(chǎn)品銷(xiāo)售。 工藝流程如圖 7 所示。礦熱爐煙氣甲醇的合成采

17、用中壓和低壓比較適 合 。 中 低 壓 法 的 合 成 壓 力 分 別 為 10 MPa 和 5MPa 左右，操作溫度為 200300 ，使用 Cu-Zn-Al系作催化劑，能耗低，與高壓比投資相對(duì)較低。該方案的優(yōu)勢(shì)在于與傳統(tǒng)的煤氣化、 天然氣、重油等生產(chǎn)工藝相比，原料成本低，礦熱爐煤氣作為冶煉附產(chǎn)品除增加凈化等投入外，幾乎可以免費(fèi)利用，而且煤氣濃度較高，成本優(yōu)勢(shì)明顯，經(jīng)濟(jì)效益顯著，但總體投資成本較高。該方案優(yōu)勢(shì)是利用礦熱爐煙氣副產(chǎn)品和氯堿生產(chǎn)的燒堿溶液， 每噸甲酸鈉的生產(chǎn)成本為 1 5004結(jié)論元左右，比傳統(tǒng)工藝降低單位成本 500 元左右。 難點(diǎn)是爐氣中的煤焦油與少量殘存粉塵易堵塞管道，需要

18、定期清理，給長(zhǎng)期穩(wěn)定操作帶來(lái)一定困難。半密閉爐余熱發(fā)電已經(jīng)成為該爐型煙氣利用的主流工藝，但余熱鍋爐除灰需要根據(jù)灰塵的特點(diǎn)有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，另外半密閉爐其環(huán)境污染、能源3.3.2生產(chǎn)甲醇方案利用和碳排放較高，已經(jīng)逐漸淡出市場(chǎng)。甲醇是一種應(yīng)用廣泛的基礎(chǔ)化工原料和優(yōu)良的清潔燃料，在世界基礎(chǔ)有機(jī)化工原料中，甲醇消費(fèi)僅次于乙烯、丙烯和苯，是一種大宗有機(jī)化學(xué)品，由它可以加工成的有機(jī)化學(xué)品有 100 余種。20今后發(fā)展的主流是密閉爐，其利用兩大分支是發(fā)電和化工產(chǎn)品，發(fā)電比較成熟且可借鑒的是燃?xì)忮仩t蒸汽輪機(jī)發(fā)電工藝，而且短期投資小和技術(shù)成熟較高，電能可以直接回饋到工廠電網(wǎng)利用，對(duì)南工藝流程為：電石爐尾氣（粉塵含

19、量 100 g Nm ）第8 期武榮陽(yáng)等：礦熱爐煙氣資源綜合利用 綜合利用方和沿海電能短缺比較適合，另外在資金相對(duì)寬裕的情況下， 從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和更高的能源轉(zhuǎn)換效率考慮，采用燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)發(fā)電也是比較好的選擇和較國(guó)際間環(huán)保發(fā)展、節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，如何高效經(jīng)濟(jì)地利用密閉礦熱爐高品質(zhì)煙氣已經(jīng)成為今后研究和發(fā)展的方向和焦點(diǎn)。好的發(fā)展方向。 化工產(chǎn)品在不計(jì)煙氣成本的情況下，利潤(rùn)雖然相對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)方式較高但投資成本較參考文獻(xiàn)大， 而且涉及化工生產(chǎn)對(duì)環(huán)境二次污染的問(wèn)題，同時(shí)生產(chǎn)產(chǎn)品需要投入市場(chǎng)銷(xiāo)售，生產(chǎn)受市場(chǎng)的影響較大，對(duì)于電價(jià)較低地區(qū)而且有成熟銷(xiāo)售市場(chǎng)的冶煉及煤化工綜合企業(yè)可以考慮該方案。隨著國(guó)家經(jīng)

20、濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)能源和化工產(chǎn)品的需求量增加，世界能源全球化競(jìng)爭(zhēng)加劇、能源趨緊、能源需求量和進(jìn)口難度逐步加大，費(fèi)用提高以及用電成本的增加，已被國(guó)內(nèi)外廣為關(guān)注，再加上12345馬曉茜，黃文迪低熱值煤氣燃燒技術(shù)的應(yīng)用與分析J冶金能源，1994，13，34-35.GB50028-1993，城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范S欽 新，惠世恩燃油燃?xì)忮仩tM西安：西安交通大學(xué)出版社，2000焦樹(shù)建燃?xì)庖徽羝?lián)合循環(huán)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000王小寶無(wú)機(jī)化學(xué)工藝學(xué)M北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006（責(zé)任編輯 趙建國(guó)）他 山 石發(fā)達(dá)國(guó)家報(bào)廢汽車(chē)回收帶來(lái)的啟示當(dāng)前我國(guó)汽車(chē)報(bào)廢不盡如人意，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有很大的差距。 梳理歐美日等汽車(chē)強(qiáng)國(guó)的汽車(chē)回收經(jīng)驗(yàn)，能夠帶給我們有益的借鑒和啟示。一、誰(shuí)生產(chǎn)誰(shuí)回收的報(bào)廢汽車(chē)處理模式這種模式受到很多國(guó)家的青睞，在德國(guó)等歐洲國(guó)家，汽車(chē)制造企業(yè)在新車(chē)上市之前，必須出具一份證明，確保即將投入市場(chǎng)的新車(chē)的材料回收率和可利用率達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，否則就拿不到市場(chǎng)準(zhǔn)入許可證。在日本，汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)必須承擔(dān)一定的回收任務(wù)。 根據(jù)日本汽車(chē)回收再利用法規(guī)定，汽車(chē)生產(chǎn)廠家有義務(wù)承擔(dān)汽車(chē)殘?jiān)饽业戎付悴考幕厥绽靡约?/p>