日本ECOARC生态电弧炉 节能技术介绍

日本ECOARC生态电弧炉 节能技术介绍

 

概要

JP Steel Plantech（以下简称“SPCO＂）开发了“ECOARC™，这是一种高效率电弧炉，具有最先进的能量回收和环保技术。ECOARC™使用高温废气预热废钢，将废钢装入到连接在炉壳上的“竖型＂预热室中。此外，气体用于在燃烧室内处理废气里的化学物质，其过程中只需要加少量燃料。只有ECOARC™具有高度的气密性以及防止空气渗入废钢预热室和炉体内的特征。

在日本，韩国和泰国已经有七套ECOARC™在进行了商业运作，能耗可减少大约30%。在本文中，我们将介绍如何利用废气预热提高能源效率的方法，也同时介绍商业运作中的ECOARC™。

 

关键词

EAF，ECOARC™，电弧炉，高效率，废钢预热，省电，废气处理

 

1.简介

1.1 ECOARC™系统概要

图1显示ECOARC™的概念图。这包括熔融炉和预热室。预热室强固地连接到熔融炉。连接的预热室防止空气渗透是这个炉子的一个重要的特色。由于紧密的连接，没有空气渗入预热室内。同时，电炉中的各个水冷盘等之间的间隙的最小化也实现了半气密结构。ECOARC™的另一个机械特征是在预热室内没有支支撑废钢的机械结构如手指(Finger)，预热室底部的废钢一直与熔融炉中的钢水接触。在操作过程中，废钢从预热室的顶部装入炉中。因此，除了第一个炉次之外，熔融过程在所谓的“Flat Bath = 平坦浴＂状态。即使在精炼升温和出钢阶段，预热室保持一定量的废钢进行预热。在ECOARC™生产过程中，废钢每炉次分成10-13次半连续投入。从废钢成本和较高的预热效率考量;在冶炼上可以尽量使用更为便宜的轻型废钢。当然也可以使用车床削, 捆扎及大尺寸废钢。此外，也可以使用像汽车废钢等低体积密度废钢和高可燃性废钢。实际在商业运作中没有对废钢有所限制。

 

1.2 废气处理系统

图2显示来自预热室的废气流程。通过使用废气中所含的CO气体，只加少量燃料就可以避免产生有害化学物质。因为在ECOARC™中，来自预热室的废气的氧化度（OD = CO2/{CO+CO2}）控制在60～70％。具有这种成分的气体，它本身可自己燃烧。位于预热室下游的燃烧室中，废气可保持够高的温度以分解二恶英。燃烧之后，废气通过冷却室内的喷水快速冷却，以防二恶类物质的重新组合。通过这一过程，ECOARC™实现了日本建设新电弧炉的规定要求的二恶英度，低于0.5ng-TEQ/m3N。ECOARC™可以以更低的成本实现更好的有害化学品处理。

Figure 1: Concept diagram of ECOARC™

 

Figure 2: Outline of ECOARC™ process

 

2优点

表1显示ECOARC™与常规EAF相比的优点。

Table 1: Merits of ECOARC™

 

2.1 高效率

通常竖式电弧炉具有降低一定水平的热损失的优点，除了预热室中的热回收之外，因为装入废钢时不需要打开炉顶，可减少热损。SPCO开发了ECOARC™，充分利用竖式炉的优点。

事实上，通过商业运作收集的数据显示，当氧气消耗量为33m3N/t时，可达到了耗电量为210kWh/t（本文中t表示metric ton出钢量）。

在ECOARC™制程中，高温CO和CO2气体直接接触预热室底部的废钢，而不需要像有手指(Finger)一样的有废钢保持机构。因此，废钢始终与预热室底部的钢水接触。从废气到废钢和从钢水到废钢的热回收都是最大化的，因为它不会有机械结构带来的热损失。此外没有手指机构受到来自高温废气热负荷损害的可能，所以O2喷吹不受废气温度的限制。增加氧气使用量对电力消耗有很大的影响。

这也意味着ECOARC™没有像手指(Finger)与预热废钢之间粘附，漏水等，有关手指在维护上的难度和麻烦。

2.2 废气氧化度控制

避免炉内和预热室的空气渗透的气密性也是实现更低能耗的必要条件。如果预热室和熔融炉“不是＂直接连接，则废钢预热室和熔融炉之间存在一定的间隙。该间隙导致空气渗入，会导致废钢的过度氧化并降低预热室内的气体温度。预防空气渗透和废气氧化度控制都是为了稳定的预热必要条件。必需要保持高CO浓度和低O2浓度的气体才能使废气稳定燃烧。由于废气中O2浓度高且不均匀，其他具有较低气密性的工艺往往会造成不可控制的废气燃烧。

直到今天，一些竖式电弧炉作为概念模型被提出了，其中一些实际上已被商业化了。然而，在其他方法中，熔融炉和预热室被分离以使其炉体本身可以自体倾动。具有这样相当大的间隙，会使废气的氧化度容易达到1.0，

不仅造成废钢氧化，而且经常发生废钢熔融粘附情形。在其他供应商的论文中报告了这些问题。因此，从气密性的角度来看，分离式炉体由于过度氧化，在稳定高效的运行中似乎存在一些困难。低温空气混合废气可能将能耗水平限制在280 kWh/t。由于这些原因，SPCO采用了ECOARC™连接式预热室。 

2.3“始终＂熔池及气密过程

在ECOARC™，生产一旦开始，熔融和加热过程在熔池状态下持续进行。因此熔池生产的好处可以充分利用。值得注意的优点如下。

a）降低钢水中氮含量

炉内足够的钢渣量水平很容易能实现浸没电弧。由于电弧始终被炉渣覆盖，钢水中的氮侵入会减少。根据我们客户的报告，与常规电弧炉相比，钢水氮含量降低了10ppm。

b）降低电极消耗量

通过连续的熔池生产，不需要像常规电弧炉那样的废钢钻入期。因此废钢滑落钢水造成的电极损坏情况减少，而且在钢水和电极之间通电时的电弧变得稳定。由于这些原因，可以降低电极消耗。我们的一家客户报告了AC ECOARC™中的消耗数值。这个消耗数值远远低于常规电弧炉。

电极消耗（AC）; 0.75kg/t

c）提高钢水收得率

在ECOARC™中，通过熔池生产氧气一直喷吹入钢水中。换句话说，这里没有所谓氧枪的废钢切割工作。从这一方面，与常规EAF相比，避免产生过量的FeO。气密室也有助于避免废钢的氧化。提高了钢水收得率。有报告提出，钢水收得率可提高约1.0-1.5％。

d）粉尘产生量的减少和灰尘中较高的Zn含量

由于采用埋弧的熔池生产和废钢加料不打开炉顶盖，在预热室内具有除尘效果，粉尘量减少。因此，实际生产结果，从常规炉转变后，有报告说等于或小于约50％的粉尘量。此外，灰尘中的Zn凝固变得更高，因为气化Zn被预热室中的废钢层捕获。对于EAF粉尘，较高的Zn浓度意味着更高的交易价格。所以，粉尘处理的总成本会降低，成品率会提高。与常规炉相比，炼钢厂房内的环境也会保持更清洁。

e）改善供电系统

由于熔池生产，没有像常规电弧炉中的很大的功率波动。可以在整个炉次中保持高功率因数，低闪烁和较低的高次谐波。因此，可以大大降低SVC，高次谐波过滤器等，为了符合电力规定所需的电气设备容量的投资。图3和图4是常规电弧炉和ECOARC™在一个炉次的高次谐波比较。另外，图5显示了ECOARC™中的闪烁测量值。从这些测量中，很容易理解，ECOARC™对电源质量有很大的优势。

Figure 3: Harmonics distortion of conventional EAF

 

f）噪音较低

由于充分的泡沫渣的熔池生产和没有打开炉顶盖方式的废钢装入，操作过程中的噪音大大降低。图6和图7是在相同生产量的常规电炉和ECOARC™操作时噪声水平测量的结果。在常规电弧炉中，在熔化期间噪声水平记录大于约100dB。而ECOARC™中的噪声水平始终小于100dB，平均值约为90-95dB。

Figure 4: Harmonics distortion of ECOARC™

 

Figure 5: Flicker measurement value in ECOARC™

2.4 高效率废气处理系统

在常规电弧炉中，大型燃烧器安装在燃烧室中以热分解污染物。经过严格的监管，燃油成本过高，这是无法忽视的。在ECOARC™中，来自熔化炉的CO气体在燃烧室中混合燃烧，可以使用很少燃料的燃烧器点燃CO气体。将温度提升到800摄氏度以上的温度，白烟，恶臭和二恶英的致病物质就可被分解。通过半气密性，熔融炉和预热室的渗透空气会被最小化。然后，ECOARC™的废气量远低于常规电弧炉，并且与具有相同生产量的常规电弧炉相比，其废气量只约为60％。因此，废气通过自燃的CO气体变得更高温。常规预热系统中的白烟/恶臭等污染问题也通过在ECOARC™的这些过程中解决。商转实绩中ECOARC™都已经通过了每个国家二恶英的监管数据。追求预热效率和控制污染物是矛盾的问题。然而，创新的ECOARC™技术体现在可以为两个矛盾提供解决方案。

2.5 高度复杂的控制系统

ECOARC™还配备了高等级精确的控制系统。几乎所有的操作任务都是自动化的，包括废钢混合指令，废钢输送，副原料混合指令和输送等。操作人员可以通过无缝控制站（包括HMI和2级）来帮助指导系统控制ECOARC™。图8显示了一个例子。它用于在装入废钢量和输入功率之间保持适当的平衡。

3.商业应用

表2显示了六套实际在商业生产的ECOARC™的主要规格。其中三套是新建，其余三套是旧炉体的更新项目。如表2所示，ECOARC™具有广泛的出钢量范围，可以投入全球标准规格的废钢。

Table 2: Main specification of commercial ECOARC™

 

在此，以泰国第五套ECOARC™项目为例。该项目计划旨在提高EAF性能和周边地区的环境状况，同时以最小的关停期将旧的常规电炉改造成ECOARC™及其辅助设备，直接吸烟系统和废钢输送系统。同时尽可能留用现有的炼钢厂设施，以最大限度地减少资本支出是另一项重要任务。

Figure 6: Noise level of conventional EAF

 

 

Figure 7: Noise level of ECOARC™

改善目标数字在投产后仅在两个月内就达到了。對於现有炼钢厂设备可达到最大的可重用性，虽然ECOARC™具有竖式预热室与从预热室顶部装入废钢的方法，但是不修改天车和厂房是必要条件。

此外，原有的主电力系统包括变压器，电极臂，滤袋式过滤器的厂房除尘系统，水处理系统和一些其他辅助设施都可以继续使用。事实上，SPCO可以将ECOARC™系统设计为符合所有客户的最佳解决方案。

 

Figure 8: Scrap charging guidance

 

4 结论

SPCO基于下述全新思路开发了最先进的电弧炉“ECOARC™＂

a）直接接触到熔融钢液的预热室。

b）预热室保持在整个生产中充满废钢，以连续预热，以达最大限度地提高能源效率。

c）同时存在的废钢和钢水可有效地传热。

通过第一家商业化设备的稳定运行，SPCO确认了能耗达到210kWh/t。此外，第二套至第六套ECOARC™运作顺利，不断更新运作记录。值得注意的是，最大的第六套ECOARC™也在2014年底顺利投产。

生产成本和最近被重视的环境保护议题是EAF设备投产必须面对的问题。ECOARC™为节省生产成本和开发更环保的钢铁工业提供最佳解决方案。

       西安秦东冶金设备制造有限责任公司成立于2009年1月23日，公司位于中国陕西西安，主导业务为冶金设备设计制造、环保除尘技术设计、冶炼原料处理和先进冶炼工艺技术开发，公司的愿景是成为能够为用户提供先进适用的成套冶炼技术解决方案的服务型主导企业，公司矢志将“秦东冶金”打造成电炉行业的优秀品牌。公司致力于EAF炼钢电弧炉，LF钢包精炼炉，DC直流电弧炉，VOD,AOD精炼炉，铁合金电弧精炼炉，的设计制造销售以及安装和服务。咨询电话：13389219118 / 13630250959。