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电弧炉炼钢废钢预热新技术

文章来源:世界金属导报 发布时间:2022-12-27 浏览量:

钢铁生产过程所产生的二氧化碳约占全球二氧化碳排放量的7%,其中绝大部分都是采用铁矿石为原料的炼铁工艺过程中所产生,也有一小部分是由废钢为原料的炼钢过程所造成。全球范围内,采用废钢为原料的电弧炉炼钢企业分布不均,建设电弧炉炼钢的年份各不相同。2021年,废钢和直接还原铁短流程电弧炉炼钢比例在世界最大的钢铁生产国中国仅为10.6%,德国为30.2%,欧盟为43.9%,北美为68.9%,中东为94.0%,采用短流程电弧炉炼钢全球平均比例为28.9%,在全球减少碳足迹的背景下,这一比例预计会越来越高。

废钢电弧炉炼钢能量平衡

采用废钢循环利用比采用铁矿石炼钢更加有利,但需要大量的能源消耗,生产每吨钢水需要消耗750-800kWh/t能量,其中电能与化学能(由天然气和煤产生)各占一半。常规电弧炉炼钢能耗一般包括钢水消耗50%的热能,熔渣消耗6%的热能,烟气消耗22%的热能,冷却水升温耗能15%,辐射和电损耗等因素占用7%热能,从而可以发现,大约50%的能耗几乎是白白浪费。当初,第一座竖炉电弧炉投入使用后,吨钢耗电量降低了70kWh/t,整个工艺过程总能耗下降15%。

如今,随着炉料结构的优化完善以及生产率的提高,现代电弧炉的电能和化学能耗量都有大幅度降低,比如,单罐料式电弧炉。但是,能量损失和环境保护也是一个无法回避的问题。

竖炉的额外能量输入

如果采用传统电弧炉炼钢工艺,不需要在电弧炉炉区附近对烟气进行二次燃烧和冷却,但对竖炉电弧炉来讲,就必须对烟气进行二次燃烧和冷却作业。由于竖炉内气流速度较快,加之炉内能量平衡,热气流不足以将热能传递给废钢达到预热目的。如果对废钢进行加热,废钢焓量升高,即可缩短废钢在竖炉内的熔化时间,从而缩短竖炉冶炼周期,提高生产效率。这样的话,进一步降低了能量载体的烟气可用性。可以说,采用竖炉电弧炉体现了凡事不可一举两得的道理。

在竖炉炼钢后半程,需要高达90kWh/t的额外热能对加热室内的烟气进行加热,之后再通过冷却塔对气流进行冷却,内部能量平衡可降至650kWh/t,其中包括310kWh/t的电能,电炉/竖炉/二次处理系统的总能量平衡高达740kWh/t。

严格的环境保护制度

对废钢进行加热时,废钢内的油漆、油类、油脂、塑料制品等物质一同燃烧。如果是常规电弧炉,当通过打开的炉盖向炉内添加废钢时,以及废钢装进炉内时,即可发生这种燃烧情况,常规电弧炉中,燃烧所产生的有毒化合物直接散发在电弧炉周围,不会与烟气混合,但在竖炉冶炼过程中,这些有毒化合物以集中方式包含在烟气之中。

在日益严格的环境保护政策下,必须采取有害化合物和细颗粒物的减排措施。目前,对可吸入颗粒物减排已经达到历史最佳水平,对一氧化碳、碳氢化合物(CHx)、氮氧化物(NOx)以及二噁英类的化合物等有害化合物,同样必须进行环境无害化处理。

对于剧毒二噁英和呋喃的处理措施,一般有三种方式:

1)将其封装或隔离进活性炭环境中,吸附脱除二噁英和呋喃;

2)将其重新加热,然后快速冷却以便抑制其重组(二次合成);

3)将其燃烧尽。

采用活性炭封装成本太高,耗时费力,危险性大,并对过滤器造成超负荷运行,因此,对于采用单体结构的废钢预热系统电弧炉,唯一可行的方法是防止重整(合成),采用这种方式的话,对生态环境很有好处,但经济成本非常高昂。最重要的是,CONSTEEL通过输送机向各种结构的竖炉中连续添加废钢,在输送过程中,利用电弧炉排出的高温烟气对废钢进行部分预热,对生态环境起到很好的保护作用。但是,高达240kWh/t的化石能源燃烧,会造成大量二氧化碳排放。

废钢预热新技术

瑞士一家公司通过实践探索,采用电弧炉排出的高温烟气对废钢进行预热,并增加更多的气态化学能对废钢进行预热,这一废热利用新技术取得了很大成功,同时减少了二氧化碳对环境的污染。实施步骤如下:1)二次燃烧CO,转化为CO2,再用热CO2对废钢进行进一步预热;2)在熔化和预热过程中采用氢能燃烧器,提高烟气热能使用率;3)提高电弧能产能,降低各项损耗,避免空气渗入。

这家瑞士公司开发的新型生态上料器(Ecofeeder)由数个双仓结构的可倾斜预热罐组成,预热罐采用交替上料方式,意味着废钢和烟气之间的交换面积大幅增加,提高了废钢预热效果,所需电能低于250kWh/t,化学反应能在320kWh/t以下。这里只需要90kWh/t化石能源,炉渣泡沫化和电极熔化提供所需碳粉,废钢自身反应产生二氧化碳。

在恒定的初始废钢状态下,以及在恒定的加热炉操作条件下,电弧炉运行效果最佳,例如,Ecoshaft(Ecofeeder系列的组成部分),其设计废钢密度为0.5-0.6t/m3,废钢收得率为90%-92%。

综上所述,在废钢回收利用过程中所排放二氧化碳的化学能,可以从280kWh/t降低到90kWh/t,或者是低于总能耗的1/6。除此之外,如果使用可再生能源发电,二氧化碳排放量可以进一步减少。

化学能的比例越来越大,增加了热烟气产出比例,这与以最佳方式使用这些气体的需求是一致的,因此,二氧化碳含量未能降低,将含二氧化碳的热烟气的热能转化到废钢上,达到废热利用的目的,所以说这也是Ecoshaft的优势,即:降低了总能耗,同时也减少了二氧化碳排放。根据电弧炉规格尺寸情况,提高化学能使用量,高达总能耗的60%,Ecofeeder系列竖炉可以实现该目标。


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