電弧爐煉鋼的能量節約與利用

曾昭士

摘 要：節能降耗是當前社會發展的主題 ，余熱資源的回收利用是節約能源和減少污染的有效途徑之一。本文針對電爐能量消耗的特性，從已有的電弧爐煉鋼的能量平衡關系出發，論述了預熱廢鋼、余熱發電、生產蒸汽、生產煤氣余熱回收利用方法，分析了其關鍵技術，并根據實際使用狀況對不同余熱回收方法節能降耗的效果進行了對比分析，對各企業開展余熱回收利用、實現節能降耗具有一定的參考價值。

關鍵詞：電弧爐煉鋼；煙氣余熱；回收利用；余熱發電；生產煤氣；節能降耗

近年來，我國粗放的能源消耗正在一步步威脅我國的經濟發展，節能減排成為當前社會發展的主題。鋼鐵企業長期以來被認為是廢氣排放量大、耗能高、污染嚴重的企業，而電弧爐冶煉在我國鋼鐵企業相當普遍，其生產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生的大量熱量隨煙氣排出，既污染了環境，又造成資源的極大浪費。因此，在電弧爐煉鋼作業中，對電弧爐煉鋼過程中產生的高溫煙氣進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率和降低能源消耗，具有一定的社會效應和經濟效益。

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

1 余熱回收實現節能降耗可行性分析

隨著電弧爐兌加鐵水比例的增加、碳氧槍的應用和供氧強度的加大，在熔化及氧化期內爐氣的生成量急劇增加，電弧爐在冶煉過程中產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%，某些時段甚至高達30%以上，節能減排潛力巨大。因此有效回收電弧爐高溫爐氣將會產生巨大的經濟效益與環保效益。

2 電弧爐能量消耗狀況分析

傳統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，適當配加一定量的冷生鐵以保證合適的脫碳量和熔池攪拌強度。隨著電弧爐兌加鐵水比例的增加，碳氧槍的應用和供氧強度的加大，電弧爐冶煉強度明顯提升，電弧爐煉鋼工序能量結構發生了重大改變：

1）過程的物理熱和化學熱的供應大大增加，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，同時造成爐氣量與爐氣帶走的物理熱與化學熱增加。

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，進行電弧爐能量收支平衡分析，并對爐氣余熱利用及其減排效果進行研究。以下采用噸鋼水為標準分析電弧爐能量收入與支出。

2.1 電孤爐能量收入項

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·℃），計算得出的鐵水物理熱為652.8MJ，即181kWh；

2）化學反應熱：電弧爐的化學反應熱主要包括鐵水與廢鋼中的元素氧化反應產生的化學熱以及其他輔助燃料產生的化學熱，經計算化學反應熱平均為253kWh；

3）電能：在鐵水比例為50%的條件下，根據國內電弧爐生產狀況，平均需要提供170kWh的電能；

4）潛在化學熱：潛在化學熱是指脫碳反應后產生爐氣中未能完全燃燒的CO的能量，根據鐵水含碳量4.2%，脫碳反應中90%的碳生成CO，10%的碳生成CO2，能夠計算得出CO量為48.5kg，再根據單位CO燃燒生成CO2的化學反應熱9940kJ/k，計算得出潛藏在爐氣中的CO化學熱為482.2MJ，即134kWh。

2.2 電弧爐能量支出項

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

2）爐氣物理熱：爐氣物理熱是指脫碳反應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℃，將體積轉換為質量單位，取爐氣量為378kg，爐氣的平均熱熔為1.137kJ/（kg·℃），計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熱、對流給熱、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·℃），計算得出的鐵水物理熱為1428.4MJ，即397kWh。

將以上對電弧爐能量收支的分析結果匯總，見表1、圖1。

從能量支出中可以看出，除進入鋼水中的能量外，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象。

3 電弧爐煉鋼的能量節約與利用

在高溫爐氣帶走的能量中，爐氣物理熱為140kWh/t，化學熱為134kWh/t。下面根據電弧爐爐氣回收利用的四種方式（預熱廢鋼、余熱發電、生產蒸汽、生產煤氣）的實際使用狀況對電弧爐余熱回收效果進行分析，從能量回收效率與減排環保方面進行對比研究。

3.1 四種電弧爐爐氣余熱利用狀況

3.1.1 預熱廢鋼

預熱廢鋼是將電弧爐高溫爐氣通過與冷的廢鋼進行熱交換，提高廢鋼進入電孤爐之前的溫度，從而節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。

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

3.1.2 余熱發電

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

國內某企業利用2座150噸電弧爐爐氣發電，正式投運后年可發電57.60×106kWh，供電51.80×106kWh。結合實際電弧爐的產量，平均噸鋼可以節省電能91kWh。

3.1.3 生產蒸汽

生產蒸汽是利用高溫爐氣與水進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。

國內某企業100噸電弧爐，利用余熱鍋爐回收電弧爐煉鋼產生的高溫爐氣余熱，每年可生產33.4萬噸2.0MPa的飽和蒸汽，相當于每年節約2365噸標煤，結合企業實際電弧爐產量，平均噸鋼回收能量為24kWh。

3.1.4 生產煤氣

早期的電弧爐主要的原料是廢鋼，電弧爐企業不回收煤氣?，F如今隨著電弧爐的原料條件與轉爐相似，脫碳任務增加，爐氣中的CO含量提高。電弧爐對爐氣的回收利用可以采用回收煤氣的方式，回收煤氣主要是對爐氣中的化學熱進行利用，理論回收能量為134kWh。

煤氣回收條件設定為w（CO）≥20%且w（O2）<1.5%，由于電弧爐爐氣成分波動與爐氣中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 節能分析對比

根據以上對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象、實際節能效果、理論能量回收量、能量回收效率，見表2。

根據以上對電弧爐余熱利用四種方式的研究可以得出，現如今電弧爐企業較常見的預熱廢鋼與余熱生產蒸汽方式，分別節能75kWh/t與24kWh/t，具有一定的節能效果；投入較大的余熱發電方式節能91kWh/t，節能效果較好；現極少被應用的生產煤氣方式節能95kWh/t，節能效果好，能量利用效率高。

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

對于各種余熱利用方式，匯總回收前后的爐氣與能量回收產品，如表3所示。

3.3 余熱利用的碳排放分析研究

溫室氣體對人類社會的危害日益嚴重，二氧化碳作為主要溫室氣體因排放量巨大而受到全社會高度重視。鋼鐵業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，節能降耗的任務更加艱巨。因此，本文在對節能效果進行分析的同時，也對CO2減排效果進行了研究。

其中排放因子指某種物料或產品單位質量產生的CO2排放量；計算時考慮各個承接工序間因損耗而產生的界面系數，并按照系統界定的邊界確定鋼廠總的產出物。企業統計數據時，一般是噸鋼物料和能量消耗，必須轉化為噸鋼碳排放值（碳足跡），本文中噸鋼的碳排放量是以標煤為計算標準，計算公式如下：

M碳=M標煤×EF標煤（1）式中，M碳為物料或能量消耗的噸鋼碳排放量；M標煤為物料或能量消耗轉換為標準煤的值；EF標煤為標準煤的碳排放量，（EF標煤=2.772kg/kg）。

根據上述分析的節能狀況，將節能效果轉換為標準煤，再通過標準煤的碳排放量計算各種方式的碳減排效果，具體計算的節能與減排效果匯總，如表4所示。

從碳排放的角度出發，四種方式的碳排放減少量分別為：預熱廢鋼方式降低碳排放量25.54kg/t，預熱發電方式降低碳排放量30.99kg/t，生產蒸汽方式降低碳排放量8.17kg/t，生產煤氣方式降低碳排放量32.35kg/t，綜合評價四種方式，余熱發電與生產煤氣對降低碳排放效果較好。對于一個年產200萬噸的電弧爐廠，若采用煤氣回收的方式進行電弧爐余熱利用，每年能夠節省190×106kWh，降低碳排放量64.70×106kg。

本文是針對50%鐵水比例的情況進行分析的。而如今國內的電弧爐生產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能與降低碳排放效果將更加顯著。

4 結論

總之，電弧爐余熱回收是鋼鐵行業在實施節能降耗、發展循環經濟過程中的一項成功實踐，其運行費用低并可長期穩定運行，能夠取得一定的經濟效益、環保效益和社會效益，具有很強的現實意義。文章分析了預熱廢鋼、余熱發電、生產蒸汽、生產煤氣四種余熱利用工況，通過回收利用的節能與減排效果分析，肯定了回收利用的實效性，并得出結論，具有一定的參考價值。隨著煉鋼企業電爐容量的擴大，電弧爐爐氣的余熱將更多，加之國家對節能減排要求的進一步提高，勢必要求電爐煙氣余熱回收方式與系統應具有更高的安全性和經濟性，因此，相關方面的研究還需不斷深化。

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