矿热炉烟气资源综合利用

1、Vol29，No8中国资源综合利用2011 年 8 月China Resources Comprehensive Utilization矿热炉烟气资源综合利用武荣阳 1，3，吴国华 2，向召洋 1，张恺进 1，张殿华 3 综合利用（1.大连重工·起重集团设计研究院，辽宁大连116013；2.大连海事大学 交通运输管理学院，辽宁大连116026；3.东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，沈阳110819）摘要：根据矿热炉烟气温度及成分的特点，提出其资源综合利用的多种方案，并阐述其主要设备组成、工艺难点优劣和今后的发展方向。关键词：矿热炉；烟气；余热；综合利用中图分类号：X701

2、，X706文献标识码：B文章编号：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我国的工业烟气余热技术在水泥和钢铁行业的应用相对比较成熟，目前在铁合金和电石行业已1矿热炉分类及烟气参数有应用，但仍然存在许多问题。 如：单台矿热炉烟气受操作的影响，波动较大，稳定性差，烟气量相对较小， 收集利用效益不明显；500700 高温烟气的成分复杂粉尘含量较大，处理设备投资成本较高

5、。大连重工·起重集团公司在冶金和化工行业从事矿热炉设计生产制造和总承包工程已有 20 多年的历史，目 前年设计制造 100 多台（套）各类 矿 热炉，而且不断向上下游一体化综合利用总包方向发矿热炉主要用矿石、 碳质还原剂及溶剂等原料，生产硅铁，锰铁，铬铁、钨铁、硅锰合金等铁合金和电石。矿热炉根据其冶炼工艺和设备密封程度，分为半密闭炉和密闭炉， 目前半密闭炉主要以冶炼硅铁、镍铁等为主，密闭炉主要以冶炼电石、铬铁、锰硅等为主。（1）半密闭炉（75%硅铁）烟气特点展。 随着石油、化工资源和电力能源紧张，该领域的表 1烟气量、温度和成分炉群正向大型化、规模化、效益化发展，其炉群烟气烟气温度烟

6、气量CO CH4 CO2 H2OO2H2N2总体的排放量相当可观。 目前国家节约型社会的发（）（Nm3/h）（%） （%）（%） （%） （%） （%） （%）展，对企业和用户在矿热炉资源的综合利用上提出400520 11 00014 000 313 12 518 4.4 7578了更高的要求，另外环境保护和节能减排政策的要表 2烟气中粉尘的化学成分求日益严厉，以及国家对该领域节能减排政策支持成分（%）CAOCSiO2 Fe2O3 Al2O3 Mg0其它力度的逐渐加大，促使该领域改造和新建项目的余2.03.58221.50.918.09热回收资源综合利用将迎来大发展的有利时机。收稿日期：201

7、10416作者简介：武荣阳（1974），男，山西五台人，博士，高级工程师，研究方向：资源综合利用、矿热炉烟气余热发电。 17 综合利用中国资源综合利用第8 期根据表 1、表 2 可知，半密闭炉由于其含有的则较少，但潜热量大，适合采用燃气锅炉发电。 另外可燃气体微乎其微，温度高达 400 以上，而且从表 3密闭炉烟气量、温度和成分炉门处混入的空气较多，烟气量较大。 适合采用余烟气温度 烟气量COH2CH4 CO2O2H2热锅炉换热发电，热效率能达到 2628%左右，但（）（Nm3/h）（%）（%） （%） （%）（%）（%）难点在于其粉尘中含有大量的 SiO2，颗粒细小吸附6507504200

8、7482.5 02.0 05 210 0.20.6 18性强，质量较轻比表面积大，给锅炉除灰带来较大表 4密闭炉烟气中粉尘的化学成分难度，传统的机械振打等除灰方式都不理想，严重成分（%）CCAOVmPSiO2 R2O3 MgO 其他影响换热效率。（2）密闭炉（电石炉）烟气特点密闭炉中可燃气体含量较高达到 80%左右，而且温度较高达到 700 左右， 气量相对于半密闭炉26.61 37.59 3.47 0.99 7.28 11.96 3.01 9.09也可以经过净化压缩处理后用于燃气轮机发电或者生产化工产品1-2。矿热炉烟气利用的主要工艺流程如图 1 所示。半密闭矿热炉不含 CO 的脏炉气余热锅

9、炉蒸汽汽轮发电机组A.半密闭矿热炉烟气利用工艺缩程图烧石灰烟气除尘烟气净化装置净煤气净煤气烧石灰窑燃气锅炉烟气蒸汽生产干冰汽轮发电机组密闭矿热炉含 CO 的脏炉气发电直燃余热锅炉蒸汽汽轮发电机组烟气净化及 净煤气加压装置燃气轮机发电机组高温烟气余热锅炉蒸汽汽轮发电机组化工产品烟气净化净煤气生产甲酸钠、甲醇b.密闭矿热炉烟气利用工艺缩程图图 1矿热炉烟气利用方式图较高的沿海和南方市场更有发展潜力。 该系统的难22.1半密闭矿热炉烟气利用方案工业生活利用点在锅炉的除灰系统设计，要根据灰尘的特点进行针对性的除灰方式设计，否则严重影响锅炉的换热利用其显热进行取暖、烧水、蒸饭和洗澡等工业生活配套。 其利

10、用受限，北方供暖大约有 45 个月，烧水等生活用量也少而且不规则，只能间歇式利用，利用效率低，浪费严重。热效率只能利用 1015%左右。效率和发电效益，甚者无法连续生产，影响冶炼工序。2.2余热发电利用利用半密闭炉 500 左右的高品质热源进行余热锅炉换热提供饱和蒸汽进行蒸汽轮机发电。 主要设备包括余热锅炉、蒸汽轮发电机组、循环水冷却设备、发配电控制设备等，流程示意图如图 2 所示。 通常装机容量在 10 000 KVA 的矿热炉其发电机配置在 800 kW 左右，其烟气热转换效率在 2530%左右，单位发电成本在 0.1 元左右，在电价比18图 2余热发电系统示意图第8 期密闭矿热炉烟气利用

11、方案3烧石灰3.1武荣阳等：矿热炉烟气资源综合利用 综合利用该方案主要适用于生产电石的密闭炉。 烟气中含 6080%左右的 CO 气体， 特别是对于生产电石的矿热炉，其反应式为 CaO+3C=CaC2+CO，需要原料 CaO，从工艺配套的角度，煤气用来烧石灰更为直接经济，CaCO3=CaO+CO2， 其煅烧过程中产生的大量 CO2 经过处理可以用来做食品级原料生产碳酸饮料或者用作石油开采地下油层的填料。 该流程受目前除尘工艺设备限制需要将烟气降温冷却图 4烟气燃气锅炉发电示意图再除尘， 因此该过程烟气的显热被白白空冷掉，没有被合理利用，其利用的仅为烟气的 CO 和少量氢气的潜热。该方案的主体设

12、备为烟气除尘设备、 石灰窑、CO2 膜分离变压吸附设备、监控设备等。 其工艺方案流程图如图 3 所示。设备包括：直燃锅炉、蒸汽轮发电机组、发配电控制设备等。 系统流程示意图如图 5 所示，其热量回收率在3035%左右。 该方案的难点（1）锅炉除灰；（2）实现烟气波动条件下电石炉正常冶炼与发电系统平稳运行二者之间的协调控制。图 3烟气烧石灰窑系统示意图3.2烟气燃烧发电图 5烟气直燃锅炉发电示意图3.2.1燃气锅炉发电33.2.3燃气轮机循环发电4该方案流程为矿热炉烟气经过除尘净化后，送入煤气柜作缓冲，煤气柜提供相对稳定的气源和压力，然后送入燃气锅炉燃烧产生蒸汽再送入蒸汽轮机进行发电并网， 其工

13、艺流程示意图如图 4 所示。主要设备包括：煤气柜、燃气锅炉 、蒸汽轮发电机组、发配电控制设备等。 方案特点在于可以广泛借鉴火力发电的经验，技术配套相对比较成熟，投资和运行费用较低、短期效益明显，但要损失掉矿热炉烟气的显热，热利用效率在 30%左右。该方案烟气的热利用效率较 高能达到 4050%左右。 其原理在于首先将烟气净化处理，含尘量控制在 10 mg/Nm3 以下，送入煤气柜进行稳压和稳流，再进行精除尘过滤，然后根据可燃气体的含量，通过压气机进行压缩到 2536 MPa，进入燃气轮机燃烧发电， 燃烧后的尾气温度在 500 左右，将其送到余热锅炉换热，产生蒸汽推动蒸汽轮机进行发电，其工艺流程

14、示意图如图 6 所示。其主要设备包括：煤气净化除尘设备、气体压3.2.2直燃锅炉发电缩机、燃气轮机发电机组、余热锅炉、蒸汽轮发电机对于石灰用量不大的锰硅、铬铁、镍铁等铁合金矿热炉，适合采用烟气不经过除尘直接到直燃锅炉中燃烧，其工艺流程为：每台矿热炉配一台直燃组、发配电控制装置等。 该方案一次性投资较大，燃气轮机设备备件和维护相对较高， 但长期效益明显。锅炉，烟气在炉内直接燃烧并除尘，产生的蒸汽通过母管联接在一起推动蒸汽轮机发电。 该系统主3.33.3.1烟气生产化工产品5生产甲酸钠方案 19 综合利用图 6中国资源综合利用烟气通过燃气轮机循环发电示意图第8 期甲酸钠是重要的化工原料， 主要用于

15、生产甲图 7煤气与烧碱生产甲酸钠工艺流程图酸、草酸和保险粉，还可用于制备还原剂和消毒剂等。 甲酸钠可以采用烧碱和一氧化碳作原料，通过加温加压进行反应制得， 反应不需催化剂的参与。对于电石生产工艺中富于的烟气，以及下游氯碱化工生产富于的烧碱溶液，用来生产甲酸钠，特别有优势。3由引风机引出，经换热器降温，再进入干法脱尘旋风分离器，为了使尾气粉尘含量小于 10 mg/Nm，需要将电炉尾气送入二级带有填料的水洗塔,再经过其主体工艺流程如图 8 所示，包括：气体的净化、变换、脱硫脱碳及甲醇合成与精制。 粗原料气组分中氢碳比太低， 故气体首先要经过变换工序，使过量的一氧化碳变换为氢气和二氧化碳，再经脱硫脱

16、碳工序将硫和过量的二氧化碳除去，最后原料气经过压缩、甲醇合成与精馏精制后制得甲醇。湍流塔水洗， 净化后的尾气进入压缩机或煤气柜。图 8矿热炉烟气生产甲醇工艺流程图由净化或气柜送来的气体经压缩机压缩至一定的压力之后，送入变压吸附装置脱除二氧化碳，再回到压缩机压缩至 2.3 MPa 即可进入合成工序。 烧碱经配制、加压、预热与煤气混合在预热器达到一定工艺要求之后， 进入合成反应器合成甲酸钠水溶液。 甲酸钠水溶液由泵从储罐打入蒸发器蒸发，蒸发后的甲酸钠悬浮物料进入甩干机固液分离，母液循环蒸发；固体甲酸钠结晶物料进入气流烘干塔干燥，随后包装作为产品销售。 工艺流程如图 7 所示。矿热炉烟气甲醇的合成采

17、用中压和低压比较适 合 。 中 低 压 法 的 合 成 压 力 分 别 为 10 MPa 和 5MPa 左右，操作温度为 200300 ，使用 Cu-Zn-Al系作催化剂，能耗低，与高压比投资相对较低。该方案的优势在于与传统的煤气化、 天然气、重油等生产工艺相比，原料成本低，矿热炉煤气作为冶炼附产品除增加净化等投入外，几乎可以免费利用，而且煤气浓度较高，成本优势明显，经济效益显著，但总体投资成本较高。该方案优势是利用矿热炉烟气副产品和氯碱生产的烧碱溶液， 每吨甲酸钠的生产成本为 1 5004结论元左右，比传统工艺降低单位成本 500 元左右。 难点是炉气中的煤焦油与少量残存粉尘易堵塞管道，需要

18、定期清理，给长期稳定操作带来一定困难。半密闭炉余热发电已经成为该炉型烟气利用的主流工艺，但余热锅炉除灰需要根据灰尘的特点有针对性的设计，另外半密闭炉其环境污染、能源3.3.2生产甲醇方案利用和碳排放较高，已经逐渐淡出市场。甲醇是一种应用广泛的基础化工原料和优良的清洁燃料，在世界基础有机化工原料中，甲醇消费仅次于乙烯、丙烯和苯，是一种大宗有机化学品，由它可以加工成的有机化学品有 100 余种。20今后发展的主流是密闭炉，其利用两大分支是发电和化工产品，发电比较成熟且可借鉴的是燃气锅炉蒸汽轮机发电工艺，而且短期投资小和技术成熟较高，电能可以直接回馈到工厂电网利用，对南工艺流程为：电石炉尾气（粉尘含

19、量 100 g Nm ）第8 期武荣阳等：矿热炉烟气资源综合利用 综合利用方和沿海电能短缺比较适合，另外在资金相对宽裕的情况下， 从长远发展和更高的能源转换效率考虑，采用燃气轮机循环发电也是比较好的选择和较国际间环保发展、节能减排、循环经济发展的需要，如何高效经济地利用密闭矿热炉高品质烟气已经成为今后研究和发展的方向和焦点。好的发展方向。 化工产品在不计烟气成本的情况下，利润虽然相对传统生产方式较高但投资成本较参考文献大， 而且涉及化工生产对环境二次污染的问题，同时生产产品需要投入市场销售，生产受市场的影响较大，对于电价较低地区而且有成熟销售市场的冶炼及煤化工综合企业可以考虑该方案。随着国家经

20、济的高速发展，对能源和化工产品的需求量增加，世界能源全球化竞争加剧、能源趋紧、能源需求量和进口难度逐步加大，费用提高以及用电成本的增加，已被国内外广为关注，再加上12345马晓茜，黄文迪低热值煤气燃烧技术的应用与分析J冶金能源，1994，13，34-35.GB50028-1993，城镇燃气设计规范S钦 新，惠世恩燃油燃气锅炉M西安：西安交通大学出版社，2000焦树建燃气一蒸汽联合循环M北京：机械工业出版社，2000王小宝无机化学工艺学M北京：化学工业出版社，2006（责任编辑 赵建国）他 山 石发达国家报废汽车回收带来的启示当前我国汽车报废不尽如人意，与发达国家相比，还有很大的差距。 梳理欧美日等汽车强国的汽车回收经验，能够带给我们有益的借鉴和启示。一、谁生产谁回收的报废汽车处理模式这种模式受到很多国家的青睐，在德国等欧洲国家，汽车制造企业在新车上市之前，必须出具一份证明，确保即将投入市场的新车的材料回收率和可利用率达到一定标准，否则就拿不到市场准入许可证。在日本，汽车生产企业必须承担一定的回收任务。 根据日本汽车回收再利用法规定，汽车生产厂家有义务承担汽车残渣、气囊等指定零部件的回收利用以及