科技新进展：转炉烟气宽温域（800-200℃）干式余热回收技术的开发与应用

一、研究的背景与问题

余热资源的高效回收利用是钢铁工业实现“双碳”目标和高质量可持续发展的重要途径。转炉炼钢在我国炼钢生产中占比大约90%，转炉烟气是钢铁企业重要的二次余热余能资源，也是二次能源回收利用最具代表性的薄弱环节，由于其含有大量的余热和化学能，具有间断生产、含尘浓度高、易燃易爆的特征，当前国内外普遍采用OG工艺、LT工艺，通过喷淋对烟气降温后进行煤气回收。喷淋方式可以有效避免煤气爆炸，但也造成了中低温余热资源的直接浪费。随着钢铁行业极致能效工程的推进，转炉烟气中低温余热的安全、高效、稳定回收是众多企业一致期盼的需要攻克的难点。近二十年来国内外开展过很多相关研究，但都突而不破。

图1及图2分别对LT工艺及假定的宽温域（800-200℃）余热回收新工艺的能量流进行了分析，后者由余热锅炉及省煤器系统替代蒸发冷却器，取消喷淋过程。对比可得LT工艺造成的能量损失>90MJ/t钢。800-200℃烟气显热被有效回收，将大幅提升转炉工序能效指标，进一步提升转炉负能炼钢水平，推动钢铁行业实现“双碳”目标。

图1 LT系统能流图

图2 新工艺能流图

实现转炉烟气中低温段余热回收需要依次解决以下难题：

1、为实现余热回收，摒弃常规的湿式喷淋降温工艺，首先要面对因转炉烟气具备爆炸三要素同时存在、可能发生燃爆的安全难题。以保证转炉安全生产为首要前提，建立一种干式防爆方法，并开发配套的核心装备，为实现中低温段烟气显热回收提供可能。

2、针对中低温段烟气、烟尘特性，开发一种适用于其特性的余热回收技术及装备，避免换热面粘灰结垢、积灰堵塞的发生，保证余热回收稳定、可靠、高效。

3、针对烟尘物性随温度变化波动大，在流道内容易发生堵塞影响连续稳定生产的难题，需要开发有效的烟尘管控措施。

截止目前，除本课题项目外，国内外仅在承钢、包钢进行过相关领域的工业性试验，尚未有成功的核心装备的相关报道。

项目团队自2006年起便开展转炉烟气中低温余热回收相关技术的研究，是国内外最早开展相关研究工作的团队之一。自开展研究以来，陆续获得中国五矿科技专项计划及中冶集团181攻关计划的专项资金支持。2022年10月，首台套工程项目投入运行；2023年10月顺利通过系统功能考核，达到稳定运行状态。

二、解决问题的思路与技术方案

图3 技术路线图

以实现800-200℃转炉烟气余热回收为总体目标。组织开展相关技术、装备及管控等方面的基础理论、工程应用技术的研究与创新，开发出一套可靠安全、高效回收、连续稳定的新工艺、新装备及应用技术。从工程实践出发，开展理论分析、数值模拟、实验室实验、工业热态试验等，对预定的各个目标展开研究。

三、主要创新性成果

1、首创一种转炉烟气宽温域（800-200℃）干式余热回收工艺技术

针对转炉烟气中低温余热长期无法回收的难题，提出了转炉烟气余热回收“主动防爆+被动泄爆”的防爆理念，研发出高温火种捕集、高温泄爆、中低温区宽流道对流换热等核心技术，首创一种转炉烟气宽温域（800-200℃）干式余热回收工艺技术。攻克了转炉烟气800-200℃长期无法回收的行业难题，实现了吨钢蒸汽回收量40%以上的大幅增长，节能约5kgce/t钢，减少二氧化碳排放13.3kg/t钢。

全新的干式防爆工艺及系统，同时实现中低温段烟气显热余热回收技术创新包括：

（1）干式防爆技术

转炉炼钢工艺生产的间歇性，使得冶炼过程中空气-烟气-煤气间的变换周期性发生，含CO煤气与含氧烟气混合爆炸的条件经常出现，即使冶炼控氧后，局部或短时，610℃以下烟道内（中低温段烟气）仍然存在爆炸性气体和燃爆风险，爆炸隐患很难彻底消除。为实现安全可靠回收转炉烟气中低温显热，通过对转炉烟气固有特性、混合煤气爆炸理论、热点点火理论、最小点火能等基础理论研究，提出替代现有喷淋降温技术的干式防爆技术。

（2）高温泄爆装置

中低温段烟气余热回收的换热方式是对流换热，对流换热入口区是大量高能颗粒与换热面的直接碰撞区，高能释放带来燃爆风险；燃爆产生的压力会将危险物由炉口逆向挤出，直接威胁炉口作业面安全。明确燃爆风险，保证转炉安全生产是需要解决的首要难点。为进一步保证安全生产，在烟气高温区（中低温余热回收前序）设置被动泄爆，使系统通过消除火种主动防爆的同时，具备被动泄爆的功能。

（3）中低温余热回收技术及装备

烟气余热回收过程中，中低温区主要采用对流换热，对流换热过程中，烟气直接冲刷受热面。结合以往的研究及工业实验发现，常规对流换热结构并不适应转炉烟尘，常常发生严重积灰堵塞。针对转炉烟气含尘浓度高、成分复杂、Fe含量高、高温环境下易粘结，常规对流换热结构并不适用。结合现有的研究基础，通过分析转炉烟气在流道内发生、发展的变化规律，创新开发高效的中低温区余热回收技术及宽流道余热锅炉装备。

为实现宽温域（800-200℃）干式余热安全回收，确定在着火点以上温域捕集大能量颗粒、降低中低温区燃爆风险的主动防爆的技术方案。开发出“主动防爆+被动泄爆”的工程技术，研发出高温火种捕集、高温泄爆、中低温区宽流道对流换热等核心技术，实现了蒸汽回收量40%以上的大幅增长。

图4 高温泄爆装置模型及仿真

图5 中低温余热回收装备

首台套项目实现累计10000余炉合格冶炼，如图3-3所示，保证炼钢生产的同时，成功实现干式防爆及系统零泄爆；宽流道对流换热装备实现了烟气有效降温，余热锅炉出口烟温稳定在170~260℃；实现了800-200℃烟气显热的安全稳定回收，吨钢蒸汽回收量提升≥40%，如图3-4所示，节能约5kgce/t钢。

图6 4月~6月炼钢冶炼炉数及出钢量曲线图

图7 外供蒸汽量

2、首创出基于控流分配浅层斜板沉降技术的高温火种捕集装备

烟气中的高温烟尘含量高、烟尘成分复杂、粒径分布广，实现高效捕集10微米级颗粒是去除火种的关键技术。现有研究关于高温区干式消除火种的相关技术及装备尚未涉及。开发一种高温火种捕集技术及装备，对火种（高温颗粒）进行有效的干式分离，是实现中低温余热安全回收的关键。

图8 冷态实验台

图9 控流分配单元的圆筒形沉降装置内部流场

针对转炉炼钢过程中，转炉烟气温度、成分、炉气量频繁大幅波动（间歇生产约50次/日），火种捕集技术及分离方法、材料和设备的选择难点问题，以及高温运行环境要求装备具备耐高温特性，使其在高温环境下可以连续稳定运行等关键技术难题，通过理论计算、数值模拟、冷态试验相结合，开展了多种气固两相分离技术的捕集效率及阻损研究（惯性分离、颗粒层过滤、浅层沉降），首创了控流分配的浅层斜板沉降技术。同时，对材料高温性能开展热态试验，研制了火种捕集装备。技术创新主要包括：

（1）首创出基于控流分配浅层沉降技术的高温火种捕集装备，实现了800℃入口烟气温度条件下对火种颗粒的有效捕集，为转炉烟气中低温余热回收工艺的实现起到核心支撑作用。

（2）针对高温性能检测，首台套项目中，高温火种捕集装备的结构及材质承受了高温1000℃、高频热震的考验。运行阶段，火种捕集入口温度最高大于900℃，火种捕集的阻损≤400Pa，数据表明装备的流通性能、耐高温性能可靠。

图10 为火种捕集装置运行数据趋势曲线（阻损、进出口温度）

图11 首台套项目被捕集颗粒的样本粒径分布统计图

针对常规气固两相分离技术难以满足高温条件下对十微米级粒径颗粒有效分离的难题，研究了捕集效率、沿程阻力与颗粒粒径、气流速度之间的变化关系，首创出基于控流分配浅层斜板沉降技术的高温火种捕集装备，实现了高温颗粒有效捕集，对转炉烟气中低温余热回收工艺的实现起到核心支撑作用。

3、全过程“粘性调控-激振促流”耦合型防堵清灰技术

转炉烟尘易粘易结导致系统阻力增大甚至流道堵塞影响稳定生产。承钢、包钢的相关试验都因没能解决对高低温交变环境转炉烟尘进行有效管控的难题，不能连续稳定生产而终止。

结合冶炼过程操作工艺，对烟气流道内烟尘发生积堵的原因，按高、中、低温区开展取样、成分测试、高温实验、冷态实验等研究，提出相应的解决措施。研究粉尘粘结性和烟气温度之间的变化关系，构建了适应宽温域的烟尘管控机制。

全过程“粘性调控-激振促流”耦合型防堵清灰技术，有效实现了5.5kg/t钢的干态灰的稳定回收和流道内部的通畅，为系统安全连续稳定运行提供保障。

图12 首台套项目系统排灰量累计曲线

4、开发出冶炼生产与宽温域干式余热回收相耦合的自动化控制系统

本项目为全新工艺，相关核心设备也为国际首次开发，国际上尚无面向转炉烟气宽温域（800-200℃）余热回收自动化控制的具体案例。

（1）开发一套全新的自动化控制系统，研究转炉烟气宽温域（800-200℃）干式余热回收系统、粗灰输灰系统、新建风机系统、CCU加药喷雾系统等的物质流能量流信息流的运行规律，从硬件平台到软件编写完整适配，对整个转炉生产过程进行控制协同和数据整合，助力实现炼钢工艺的自动化控制。

（2）基于转炉生产过程数据，开发出排放预测、蒸汽回收预测、煤气回收预测等模型，对转炉的日产量、各能源介质消耗量、蒸汽及煤气的回收量/利用率等指标建立各类运行指标分析、预测、优化与调度，充分挖掘节能降耗的潜力。

创新开发出转炉烟气宽温域（800-200℃）干式余热回收自动化控制系统，实现了能源、环保实时监测及冶炼全过程的自动化控制，并通过进一步建立各类运行指标分析，充分挖掘系统节能降耗的潜力。

图13 首台套项目余热回收系统运行画面

5、与当前国内外同类技术指标综合比较

本项目成果为全新技术、首台套示范工程项目，国内外没有同类技术的成功案例。蒸汽产量、余热回收出口烟气温度指标均行业内领先。另外烟气降温采用间接冷却方式并余热回收。从体现研究成果整体性和系统性考虑，转炉烟气宽温域干式余热回收技术与当前国内外同类研究、同类技术指标进行了综合比较，其对比见下表：

通过本项目的研究，建立了自主知识产权、原创性的转炉烟气隔爆型中低温余热回收技术的新型烟气处理及余热利用系统，可实现150℃以上烟气余热回收及干煤气回收，替代现有传统的转炉煤气湿法（OG）、半干法（LT）等处理方式，实现了全干法回收转炉煤气，对提高工业过程能量利用效率、实现清洁生产具有重要意义，是更加节能、低碳、环保的战略性技术。

该项技术符合国家“碳达峰、碳中和”的总体方针政策，具有极强的推广、应用价值，在推动转炉烟气热回收技术革新，促进节能减排、降本增效，提升钢铁行业余热利用等方面起到了行业引领作用。

四、应用情况与效果

1、2021年12月，项目成果开展工程应用，与建龙西钢签订首台套工程项目合作框架及合同，首台套项目于2022年10月在建龙西钢1#转炉烟气宽温域（800-200℃）干式余热回收项目中投入使用；2023年10月通过系统功能考核，达到稳定运行状态。

首创的转炉烟气宽温域干式余热回收工艺安全可靠，运行一年多，累积生产万余炉，实现了零泄爆和安全生产；烟气降温符合工艺预期，余热锅炉出口烟温稳定在170-260℃；蒸汽回收大幅增加，外供蒸汽量提升55%；煤气正常回收，回收煤气基本全干，单位热值显著提高；可回收5.56kg/t钢的干灰，直接回转炉循环利用；系统全过程达标排放；工序能耗降低5kg标煤/t钢，负能炼钢水平进一步提升。

2、随着建龙西钢首台套项目的工业化应用，创新工艺、技术及装备全部得到了极好的应用验证，转炉烟气宽温域（800-200℃）干式余热回收技术已受到国内钢铁企业的广泛关注。目前宝武集团、河钢集团、首钢集团、鞍钢集团、建龙集团、纵横集团、中信集团、三钢集团、敬业集团、德龙集团等大型钢铁企业已开始与主要完成单位开展技术交流，有望形成实质性合作。

3、作为钢企极致能效提升的典型工程应用，项目成果可广泛应用于转炉炼钢新建及改造项目中，每年可为项目完成单位带来36亿元的合同收入。

4、按照全国转炉炼钢每年9亿吨产能，预计每年可为钢企增加直接经济效益90~135亿元，节约标煤450万吨，减少二氧化碳排放1197万吨。

信息来源：中冶京诚工程技术有限公司