一、研究的背景与问题

在应对全球气候变化、推进节能减排的宏观背景下，工业领域的能源高效利用与绿色低碳转型已成为必然趋势。钢铁行业作为国民经济的支柱产业，既是能源消耗大户，也是碳排放重点领域，其可持续发展备受关注。

电炉炼钢作为钢铁生产的重要工艺，生产过程中会产生大量高温烟气，蕴含巨大的热量。若不能有效回收利用，不仅会造成能源浪费，还会加剧环境负担。因此，研发应用高效的电炉烟气余热回收技术，对钢铁企业节能降耗、减少排放、提升经济与环境效益具有重要现实意义。

1、电炉烟气的特点

（1）烟气流量与温度同步耦合变化

电炉烟气温度和流量呈周期性变化，且二者变化趋势正相关，即吹炼期烟气温度高，流量大，装料和出钢期烟气温度低，流量小。这种烟气温度和流量的同步剧烈波动要求余热锅炉具备宽负荷自适应能力，避免热应力损伤。

（2）烟气粉尘浓度高且成分复杂

电炉烟气含大量粉尘，主要包括金属氧化物（如FeO、MnO）、焦炭颗粒、炉渣微粒等，粉尘浓度达10～30g/Nm3，粒径分布在 0～30μm范围内，易在换热器表面积灰板结，影响传热效率；同时硬质颗粒随高速烟气流动，对设备（如管道、换热器管束）造成冲刷磨损，缩短设备寿命。因此电炉余热回收装置必须充分考虑防积灰、防磨损问题。

（3）烟气具有一定的腐蚀性

受原料成分影响，电炉烟气含有微量的二氧化硫、氯化氢、氟化氢、氮氧化物等酸性气体。当烟气温度降至露点以下时，这些酸性气体与水分结合，会对换热设备造成腐蚀。因此余热回收设备需选用耐腐蚀材料或控制壁温避开腐蚀区间。

2、电炉余热回收系统存在问题

永钢集团100t电炉配套烟气余热回收系统和内排除尘系统。电炉冶炼烟气经炉盖四孔、水冷滑套、水冷烟道、汽化烟道、沉降室、汽化烟道、余热锅炉冷却降温后进入布袋除尘器，净化后经烟囱排入大气。

近年来随着电炉生产工艺的调整，铁水比和冶炼强度大幅提升，原有电炉余热回收系统已无法满足当前的生产节奏和余热回收需求，主要问题如下：

（1）设计参数与实际工况不匹配

①原始设计参数

余热回收系统原始设计参数如下表：

②当前实际烟气条件。随着电炉生产工艺调整，冶炼强度和铁水比提升，电炉烟气量大幅增加，理论计算过程如下： ?

a.炉气量。已知电炉最大出钢量为107t，最大脱碳速度为0.25%/min。故电炉冶炼过程中产生的CO最大量： V₁=60×107000×0.0025÷12×22.4=29960Nm3/h 。每Nm3CO理论燃烧所需空气量约2.38Nm3，理论烟气量为3.1Nm3。为保证完全燃烧，取空气过剩系数1.45，则每Nm3CO燃烧实际产生炉气量为3.1+2.38×（1.45-1）=4.17m3。总炉气量为V_炉=4.17V₁=4.17×29960 ≈125000Nm3/h 。

b.混风量?？悸堑缏谟胨浠准湎?、炉体本身漏风、沉降室漏风等因素，沉降室出口烟气温度约800℃，取炉内烟气温度1300℃，混冷风温度30℃，根据热量平衡，混风量为V_混≈101000Nm3/h 。

c.内排总烟气量。V_总=V_炉+V_混=125000+101000=226000Nm3/h。按照理论测算值，在当前铁水比冶炼模式下，实际电炉内排烟气量远超原始设计工况。受电炉烟气实际参数与设计参数偏离影响，原有余热回收系统无法适应烟气量变化，系统长期超负荷运行，大量余热资源未被有效回收。

（2）设备运行故障频发

余热回收系统长期超负荷运行引发多重问题，主要包括：①系统运行阻力偏高，余热锅炉进出口压差达3500Pa，常规锅炉仅800～1000Pa，不仅增加除尘风机能耗，还影响除尘效果。②排烟温度偏高，长期维持在260℃以上，大量的热量随着烟气直接排放到大气中，影响了余热回收效率。③锅炉换热管束频繁爆管，导致维修成本与停产风险上升。④锅炉耐材脱落、外墙烧穿等问题时有发生，威胁设备安全与生产连续性。

（3）环境污染隐患加剧

原有电炉除尘采用内、外排混合除尘工艺，主要通过阀门调节内外排风量。该方式不仅增加了除尘系统阻力，同时炉口负压控制难度大，电炉加料时烟气难以有效捕集，影响车间岗位环境。?

二、解决问题的思路与技术方案

针对上述诸多问题，永钢集团从设备能力提升、运行模式优化及现场管理改善三个关键方面入手，开展了系统的全面优化工作，旨在提高电炉烟气余热回收效率，保障设备稳定运行，降低能耗和环境污染。

（一）设备能力提升

为提升电炉生产稳定性并改善余热回收效果，永钢集团对现有余热回收系统进行了升级改造，包括汽化冷却烟道扩容，新增一套急冷余热锅炉（处理烟气量15万Nm3/h）。两台锅炉采用并联方式，既可单独使用，也可共同使用，合并处理风量25万Nm3/h，可满足电炉生产要求。

1.汽化冷却烟道改造

(1)改造前状况。原有的汽化冷却烟道直径为DN2400mm，受热面积约158㎡，面对大幅增加的烟气量，其处理能力明显不足，无法对高温烟气热量进行充分回收，影响了余热回收系统的整体效率。烟气流程如下图：

(2)改造措施。对汽化冷却烟道进行全面升级改造，采用了创新性的“一进二出”三通结构。沉降室出口直径扩大至DN3200，然后分支为DN2600和DN2000的两个分支烟道，分别连接新建余热锅炉和原有余热锅炉，汽化冷却烟道受热面积增加至331㎡，换热能力大幅提升。烟气流程如下图：

改造后汽化烟道设计入口烟气温度1000℃，采用强制循环，循环管路与新建锅筒连接，现有锅筒循环水、蒸汽管路与新锅筒之间增加阀门，具备切换使用功能。

2.余热锅炉改造

(1)保留原有锅炉。对现有设备工况进行评估后，决定保留原有余热锅炉。该锅炉设计处理风量为10万Nm3/h，虽然在当前高烟气量工况下处理能力不足，但在系统优化后，仍可与新建锅炉协同工作，发挥一定的余热回收作用，同时也降低了设备改造成本。

(2)新建余热锅炉。在原有余热锅炉北侧布置一套新的急冷余热锅炉，主要技术参数如下：

最大蒸发量：≥25t/h

最大工作压力：2.45MPa（汽包）

工作温度：饱和

进口烟气量：15万Nm3/h

进口烟气温度：800℃

出口烟气温度：≤200℃

新锅炉采用卧式布置，换热组件选用光管膜式壁，具有良好的换热性能和抗磨损性能。高温烟气从侧面冲刷受热面，先经过蒸发器初步降温，再进入省煤器进一步回收余热，最终降温至200℃后的烟气进入除尘系统进行净化处理。

改造后汽化冷却烟道和余热锅炉的换热能力大幅增加，同时降低了系统阻损和排烟温度，可实现余热资源的充分利用。

（二）运行模式优化

1.内、外排烟气除尘系统分离

为了进一步提高除尘系统运行效率和余热回收效果，对原有内、外排烟气混合除尘系统进行改造，新增一套独立的内排除尘系统，通过风机频率调节，可以更加精准地控制内排烟气处理量，减少冷风混入，提高烟气温度，从而提升余热回收量。

2.除尘风机频率自动调节

在系统投运初期，内排除尘风机按40Hz定频运行，大量冷风混入高温烟气中，导致产汽量严重不足。经过深入研究和调试，对风机运行模式进行优化，在加料期和出钢期，烟气量较小且温度较低，风机降频至10HZ运行，减少冷风混入；在冶炼期，烟气量和温度较高，风机升频至27HZ运行，确保电炉高温烟气得到有效处理。这种自动调频控制策略不仅降低了除尘风机电耗，还显著提高了烟气温度，为余热回收创造了有利条件。

内排除尘风机自动调频设定如下：

（三）现场管理改善

1.内漏问题排查与解决

对整个余热回收系统进行了全面细致的内漏排查，对汽化冷却烟道内漏、锅炉排污阀、紧急放水阀关闭不严等问题进行整改，确保系统的密封性，减少内漏热损失。整改后锅炉汽水比从原来的0.64提升至0.83，大大提高了余热回收系统的运行效率。

2.建立设备维护与巡检制度

为了确保余热回收系统和除尘系统的长期稳定运行，建立了完善的设备维护与巡检制度。安排专业技术人员定期对设备进行全面检查和维护，确保设备始终处于良好的运行状态。通过加强设备维护与巡检管理，有效降低了设备故障率，提高了生产的连续性和稳定性。

四、主要创新性成果

（一）烟气系统与锅炉结构的创新设计

1.“一进二出”汽化烟道分流优化

相较于传统单烟道设计，采用了创新的三通式“一进二出”汽化烟道结构，通过烟气阀门智能控制，可以根据实际生产需求和锅炉运行状况，灵活调整进入两台锅炉的烟气流量，确保系统在不同工况下都能保持高效运行。

通过烟气阀门控制，可实现两台锅炉并联/切换运行。当某台锅炉需要进行维护检修时，可通过阀门将烟气全部切换至另一台锅炉，避免因锅炉检修而导致电炉停产，大大增强了系统的可靠性和灵活性，为余热回收系统的稳定运行提供了有力保障。

2.双压锅炉的梯级能量利用架构

新建余热锅炉创新采用中压（2.45MPa）与低压（0.3MPa）双压系统设计。中压蒸汽主要外供至蓄热器，为其他生产环节提供高品位能源；低压蒸汽则用于系统内的除氧工艺，满足系统自身的用能需求。这种双压锅炉梯级能量利用架构突破了传统单压锅炉的效率瓶颈，显著提高了余热回收系统的能源利用效率，为企业带来了可观的经济效益。

3.低干扰改造模式

在本次技术改造中，充分考虑了改造过程对生产的影响，采用了保留原有锅炉并新增并联锅炉的低干扰改造模式。这种改造模式避免了对原有系统的大规模拆除和重建，极大地缩短了改造周期，减少了因停产改造而带来的经济损失。同时，通过合理的系统设计和设备选型，实现了新老设备的协同工作，在不影响生产的前提下，成功提升了系统的整体性能和余热回收能力，为钢铁企业在进行技术改造时提供了一种可借鉴的新思路。

（二）高效换热技术的突破

1.全温域烟气热量捕获系统

针对电炉烟气温度周期性波动的特点，创新设计“中压蒸发器→省煤器→低压蒸发器”三级换热流程。中压蒸发器换热面积达3200㎡，是蒸汽回收的主要换热设备；省煤器对中压汽包补水进行加热，实现烟气进一步冷却；利用低压蒸发器控制排烟温度在酸露点以上，200℃以下，确保锅炉换热器和布袋除尘器安全稳定运行。三级换热协同实现全温域热量回收，较传统单级换热系统效率提升30%以上。

2.激波清灰智能化应用

配备30点激波清灰装置，通过 PLC 系统按设定周期自动运行。利用空气与可燃气混合点火产生的冲击波，结合高声强震荡与热清洗作用，能够快速、有效的清除换热面积灰。与传统的机械清灰方式相比，激波清灰智能化应用大大减少了人工干预，降低了劳动强度，同时确保了换热管表面积灰始终保持在≤3mm的较低水平，避免积灰导致的换热效率衰减。

3.换热管束耐磨损设计

考虑到电炉烟气中含有大量的粉尘，对换热管束具有较强的冲刷作用，在前三排换热管上采用了特殊的耐热钢防磨?；ご胧?。这种耐热钢材料具有优异的耐磨性能和耐高温性能，能够有效抵御高含尘烟气的长期冲刷，显著延长换热管束的使用寿命，降低设备维护和检修成本，保障了余热回收系统的长期稳定运行。

（三）智能控制与自动化运维的创新

1.PLC全闭环控制系统

采用西门子S7-1500PLC系统，集成56点隔离器、工业以太网?？榧吧衔换嗫仄教ǎ迪制?、压力、蒸汽流量等参数的实时采集与自动调节。通过锅炉给水泵自动调频，适应负荷波动。通过与除尘主控室的数据互通，实现余热锅炉与除尘系统的协同控制。系统预留15%I/O点冗余，支持未来全厂智能网络接入，为系统的扩展和优化提供了便利条件。

2.全自动卸灰与储灰联动系统

设计了一套高效的“灰斗→星型卸灰阀→刮板输灰机→斗式提升机→储灰仓”全自动卸灰与储灰联动系统。通过PLC 控制实现定时自动运行，当储灰仓内的灰量达到设定上限时，系统能够自动停止卸灰操作，避免了灰仓满溢的风险。整个系统实现了自动化运行，大大减少了人工参与，降低了劳动强度，同时有效避免了溢灰导致的二次污染，提高了生产环境的清洁度和安全性。

（四）除尘系统运行模式优化

通过将内、外排除尘系统分离，并采用不同冶炼阶段风机自动调频的运行策略，不仅减少了高温烟气混入冷风量，提高了烟气温度，还显著降低了内排除尘系统的电耗。根据实际运行数据统计，内排除尘系统运行模式优化后，吨钢除尘电耗最大降幅达到了76%，创造了良好的节能效益。

四、应用情况与效果

1.蒸汽回收量提升

2024年3月份，新增电炉余热锅炉开始投用，至6月份系统调试基本结束。改造前2023年1-12月的吨钢蒸汽回收量和改造后2024年7月-2025年6月的吨钢蒸汽回收量逐月数据对比如下：

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改造前后，电炉吨钢蒸汽回收量平均值从128.3kg/t提升至150.2kg/t，提升比例约17%。其中2024年10月份吨钢蒸汽回收量最高达160.5kg/t，提升比例约25%。

2.内排除尘电耗下降

2024年3月份，与电炉余热配套的内排除尘系统开始投用，内排除尘风机频率根据不同冶炼阶段的风量需求逐步优化，并实现了自动调节，除尘电耗也随之降低。2024年3月-2025年6月，内排除尘电耗数据如下：

通过风机频率优化，内排除尘吨钢电耗从最高8.53kWh/t逐步下降至最低2.05kWh/t，最大降幅约76%。

信息来源：江苏永钢集团有限公司