王國(guó)遙

(寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201901)

摘 要: 隨著國(guó)家對(duì)能源環(huán)境的日益重視，鋼鐵行業(yè)不斷探索能源利用、排放降低的新技術(shù)和新措施。燒結(jié)工序是鋼鐵冶煉主要的能源消耗環(huán)節(jié)，減少燒結(jié)工序能耗，對(duì)于鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排意義重大。燒結(jié)環(huán)冷煙氣余熱的高效回收與利用可以有效地降低燒結(jié)工序能耗，并改善燒結(jié)區(qū)域環(huán)境。針對(duì)燒結(jié)環(huán)冷工序的工藝特點(diǎn)，在原有的熱風(fēng)燒結(jié)、余熱產(chǎn)蒸汽、余熱發(fā)電等余熱利用技術(shù)上，進(jìn)一步進(jìn)行低溫廢氣循環(huán)利用、機(jī)上鍋爐等技術(shù)探索，以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)環(huán)冷煙氣余熱的梯級(jí)利用，從而最終實(shí)現(xiàn)其工業(yè)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞: 燒結(jié)環(huán)冷機(jī); 煙氣余熱; 梯級(jí)利用; 熱風(fēng)燒結(jié); 余熱產(chǎn)蒸汽; 余熱發(fā)電; 煙氣循環(huán); 機(jī)上鍋爐

1 前 言

鋼鐵工業(yè)作為能源密集型行業(yè)，其能源消耗占全國(guó)能源消耗總量 16% 左右，煉鐵工序的能耗約占鋼鐵生產(chǎn)總能耗的55% ～60%之多，其中燒結(jié)工序的能耗約占鋼鐵生產(chǎn)總能耗的 10% ～12%左右，是僅次于煉鐵工序的第二大高能耗單元。而在燒結(jié)工序總能耗中，燒結(jié)機(jī)與環(huán)冷機(jī)排放的煙氣又占約近 50% 的能源。因此，燒結(jié)環(huán)冷工序的節(jié)能減排備受關(guān)注。

在燒結(jié)礦生產(chǎn)過程中，占燒結(jié)過程總熱量近45%的燒結(jié)礦顯熱在環(huán)冷機(jī)內(nèi)由風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)冷卻，環(huán)冷機(jī)排出的熱廢氣溫度隨冷卻部位的不同而有所差異( 平均溫度約 250 ℃)^［1］ 。環(huán)冷機(jī)排出的熱廢氣能耗占燒結(jié)總能耗的 29% 左右，充分利用這些熱量是提高燒結(jié)能源利用效率、顯著降低燒結(jié)工序能耗的途經(jīng)之一。

現(xiàn)有傳統(tǒng)環(huán)冷機(jī)在發(fā)揮對(duì)燒結(jié)礦冷卻功能的同時(shí)，可利用高溫?zé)煔膺M(jìn)行熱風(fēng)燒結(jié)和余熱產(chǎn)蒸汽，但其低溫?zé)煔庵苯油馀糯髿猓磳?duì)煙氣余熱進(jìn)行有效地充分利用。面對(duì)此問題，針對(duì)燒結(jié)環(huán)冷工序的工藝特點(diǎn)，在原有的熱風(fēng)燒結(jié)、余熱產(chǎn)蒸汽、余熱發(fā)電等余熱利用技術(shù)上，進(jìn)一步進(jìn)行低溫廢氣循環(huán)利用、機(jī)上鍋爐等技術(shù)探索，以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)環(huán)冷煙氣余熱的梯級(jí)利用，有效地提高燒結(jié)環(huán)冷煙氣的利用效率。

2 燒結(jié)環(huán)冷煙氣余熱利用現(xiàn)狀

以某大型燒結(jié)為例，燒結(jié)餅經(jīng)過燒結(jié)機(jī)機(jī)尾導(dǎo)料槽卸入水冷軸式單輥破碎機(jī)破碎至小于150 mm，破碎后的熱燒結(jié)礦進(jìn)入環(huán)冷機(jī)，冷卻機(jī)的料層厚度約 1 500 mm，攔板高度 1 600 mm。

環(huán)冷機(jī)配置多臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，冷卻后的燒結(jié)礦平均溫度≤150 ℃，冷卻時(shí)間 ＞ 60 min。冷卻后的燒結(jié)礦由板式給料機(jī)排出后，再經(jīng)膠帶機(jī)送往成品篩分系統(tǒng)。

燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)的 700 ～ 800 ℃ 燒結(jié)礦從燒結(jié)機(jī)機(jī)尾部落下^［2］，經(jīng)過單輥破碎后落到冷卻機(jī)臺(tái)車上，由冷卻空氣經(jīng)燒結(jié)礦料層下部箅板穿過，垂直吹入料層，與燒結(jié)礦料層換熱提取燒結(jié)礦顯熱后從料層上部進(jìn)入集氣罩或人形罩排出 ^［3］。

2． 1 國(guó)內(nèi)余熱回收利用現(xiàn)狀分析

目前，國(guó)內(nèi)燒結(jié)環(huán)冷機(jī)廢氣余熱回收利用主要集中在環(huán)冷機(jī)一段和二段 280 ℃ 以上中高溫廢氣，其回收利用方式主要有 3 種形式:

( 1) 直接將廢煙氣凈化后作為點(diǎn)火爐的助燃空氣或用于預(yù)熱混合料，以降低燃料消耗。這種方式較為簡(jiǎn)單，但余熱利用量有限，一般不超過煙氣量的 10%。

( 2) 將廢煙氣通過熱管裝置或余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，并入全廠蒸汽管網(wǎng)，替代部分燃煤鍋爐。

( 3) 利用余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)組發(fā)電。

為充分利用環(huán)冷機(jī)高溫段廢氣余熱，降低工序能耗，大部分鋼廠回收環(huán)冷機(jī)中高溫段的余熱回收采用雙壓余熱鍋爐及補(bǔ)汽式蒸汽輪機(jī)發(fā)電方式，部分鋼廠將環(huán)冷機(jī)高溫段雙壓余熱鍋爐產(chǎn)生的低壓蒸汽送入管網(wǎng)供用戶其它工序使用，這時(shí)雙壓余熱鍋爐產(chǎn)生的 0. 5 MPa 以下的次低壓蒸汽沒有合適的用戶。此外，環(huán)冷機(jī)第三段的150 ℃以上低溫廢氣余熱，除北方部分的鋼鐵企業(yè)用于冬天采暖外，大部分鋼鐵企業(yè)將它直接排放大氣中。

2． 2 某鋼廠環(huán)冷煙氣余熱利用現(xiàn)狀及設(shè)想

某大型燒結(jié)機(jī)對(duì)燒結(jié)環(huán)冷煙氣余熱回收已較為充分，環(huán)冷熱風(fēng)的利用共分點(diǎn)火助燃、余熱鍋爐產(chǎn)蒸汽、低溫余熱發(fā)電、外排四部分組成( 見圖 1) 。

雖然環(huán)冷煙氣余熱已較大部分被利用，但通過余熱梯級(jí)利用及利用機(jī)上鍋爐等新技術(shù)，仍可更好地實(shí)現(xiàn)余熱的利用與減排。

環(huán)冷機(jī)余熱梯級(jí)利用主要目的是提高余熱回收效率和環(huán)冷機(jī)零排放，通過最大限度地利用環(huán)冷機(jī)高品質(zhì)余熱高溫?zé)煔猓⒓骖櫪玫推焚|(zhì)余熱中低溫?zé)煔猓瑥亩鴮?shí)現(xiàn)余熱回收效率最大化。其中，余熱產(chǎn)蒸汽、余熱發(fā)電是高品質(zhì)余熱高效利用手段。此外，剩余的低品質(zhì)余熱可以通過返回?zé)Y(jié)機(jī)臺(tái)面提高燒結(jié)風(fēng)溫，從而降低燒結(jié)工序能耗。為提升環(huán)冷余熱利用效率，可通過增加余熱鍋爐進(jìn)風(fēng)量及雙壓直聯(lián)鍋爐技術(shù)等，從而實(shí)現(xiàn)鍋爐多產(chǎn)蒸汽。

3 改造方案

某鋼廠四號(hào)燒結(jié)機(jī)設(shè)計(jì)燒結(jié)面積為 600 m ² ，利用系數(shù) 1． 35 t/m ² ·h，年產(chǎn)成品燒結(jié)礦 667 萬t，配套采用650 m ² 液密封環(huán)冷機(jī)，設(shè)計(jì)漏風(fēng)率為10%。環(huán)冷機(jī)配置 5 臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為 62． 75 萬 Nm³ /h。針對(duì)某環(huán)冷余熱利用現(xiàn)狀，在原余熱回收的程度上，增加環(huán)冷煙氣循環(huán)返回?zé)Y(jié)臺(tái)面、機(jī)上鍋爐等技術(shù)，進(jìn)一步提高余熱回收效率^［4］。

3． 1 改造思路

圖 2 為現(xiàn)有環(huán)冷機(jī)熱平衡流程圖。可見，環(huán)冷機(jī) 11 軸線與 12 軸線之間約 300 ℃高溫?zé)犸L(fēng)可用于點(diǎn)火助燃及熱風(fēng)保溫; 環(huán)冷機(jī)高溫段( 1 # 、2 # 排氣筒附近) 熱風(fēng)的熱量可采用直聯(lián)爐罩式余熱鍋爐技術(shù)回收熱能產(chǎn)生蒸汽; 環(huán)冷機(jī)中低溫段( 3 # 排氣筒) 熱風(fēng)的熱量可采用低溫余熱發(fā)電技術(shù)回收熱能，余熱回收后的熱風(fēng)匯合環(huán)冷機(jī)低溫段( 4 # 排氣筒) 熱風(fēng)通過風(fēng)機(jī)送到燒結(jié)機(jī)臺(tái)車面上的煙氣罩內(nèi)^［5］。這些改造的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:

( 1) 環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐原采用常規(guī)單壓鍋爐，布置于環(huán)冷機(jī)旁，如采用直聯(lián)爐罩式雙壓余熱鍋爐，通過環(huán)冷機(jī)輻射熱，可進(jìn)一步提高余熱回收效率。為了余熱鍋爐事故不影響燒結(jié)生產(chǎn)，設(shè)置環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐時(shí)，在環(huán)冷機(jī)原有的排氣煙囪上增設(shè)閥門，一旦余熱鍋爐發(fā)生事故時(shí)，關(guān)閉余熱鍋爐取風(fēng)閥門，打開煙囪上外排閥門，將余熱鍋爐從燒結(jié)生產(chǎn)系統(tǒng)中脫離，不影響燒結(jié)生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

( 2) 熱利用效率較低的中低溫段熱風(fēng)，通過風(fēng)管返回?zé)Y(jié)機(jī)臺(tái)面，從而提高燒結(jié)溫度，減少燒結(jié)燃料消耗。

3． 2 燒結(jié)環(huán)冷熱平衡計(jì)算

現(xiàn)有環(huán)冷機(jī)廢氣利用主要包含以下幾個(gè)部分。

( 1) 環(huán)冷機(jī)受料點(diǎn)除塵，設(shè)計(jì)風(fēng)量為 5． 8 萬Nm ³ /h;

( 2) 燒結(jié)機(jī)熱風(fēng)點(diǎn)火系統(tǒng)，溫度為350 ℃，設(shè)計(jì)風(fēng)量 12． 84 萬 Nm ³ /h;

( 3) 余熱鍋爐回收系統(tǒng)，廢氣溫度約為 400℃，設(shè)計(jì)風(fēng)量為 70 萬 Nm 3 /h，換熱后，約 120 ～140 ℃的熱廢氣全部返回至環(huán)冷機(jī)風(fēng)道;

( 4) 水預(yù)熱器系統(tǒng)，設(shè)計(jì)風(fēng)量為 26． 7 萬Nm 3 /h，換熱后約130 ℃的廢氣經(jīng)3 號(hào)煙囪外排;

( 5) 熱廢氣直接外排風(fēng)量 200． 36 萬 Nm ³ /h。

為保證雙壓直聯(lián)余熱鍋爐的改造可行，需對(duì)熱平衡進(jìn)行校核計(jì)算。雙壓直聯(lián)余熱鍋爐布置圖如圖 3 所示。可見，高參數(shù)段鍋爐采用機(jī)上布置，分為高參數(shù) 1 段、2 段和 3 段，其從下往上布置依次是: 高參數(shù)過熱器、1 # 高參數(shù)蒸發(fā)器; 2 # 高參數(shù)蒸發(fā)器; 3 # 高參數(shù)蒸發(fā)器; 低參數(shù)段鍋爐采用機(jī)外布置，從上往下依次是: 高參數(shù)省煤器、低參數(shù)過熱器、低參數(shù)蒸發(fā)器、水加熱器、除氧蒸發(fā)器和灰斗。余熱鍋爐進(jìn)風(fēng)量按 1 080 000 Nm ³ /h考慮，平均煙風(fēng)溫度按 350 ℃ 考慮，余熱鍋爐計(jì)算匯總見表 1，若進(jìn)風(fēng)溫度發(fā)生變化，相應(yīng)的計(jì)算值也發(fā)生變化。

由表 1 可知，雙壓直聯(lián)鍋爐增加高參數(shù)受熱單元，可充分吸收增加的余熱鍋爐進(jìn)風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)鍋爐多產(chǎn)蒸汽的目標(biāo)。

3． 3 改造方案

為了實(shí)施以上的改造思路，主要可采取以下措施:

( 1) 低溫?zé)煔庋h(huán)利用改造。將 3 # 排氣筒全部煙氣和 4 # 排氣筒部分低溫?zé)煔饨?jīng)循環(huán)風(fēng)管、循環(huán)風(fēng)機(jī)、燒結(jié)機(jī)熱風(fēng)罩等設(shè)施，回收利用于燒結(jié)機(jī)臺(tái)面。為了保證熱風(fēng)罩內(nèi)循環(huán)煙氣不外泄并充分考慮燒結(jié)臺(tái)車擋板變形的情況，熱風(fēng)罩與臺(tái)車之間密封，使得在燒結(jié)機(jī)本體與熱風(fēng)罩之間形成了一個(gè)固定的密封腔，來確保密封效果。同時(shí)，在熱風(fēng)罩和風(fēng)箱之間設(shè)有連接管，中間設(shè)置電磁閥，通過檢測(cè)熱風(fēng)罩內(nèi)的壓力，當(dāng)臺(tái)車面壓力大于 0 時(shí)，打開旁通的電磁閥以控制循環(huán)熱風(fēng)中的粉塵外溢;

( 2) 環(huán)冷風(fēng)機(jī)串級(jí)利用改造。將 5 # 排氣筒廢氣經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)入 2 # 、3 # 號(hào)鼓風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)的風(fēng)道;

( 3) 改造現(xiàn)有余熱鍋爐系統(tǒng)。為有效利用輻射熱，實(shí)施鍋爐能力提升改造，對(duì)原鍋爐設(shè)備進(jìn)行爐管管束改造后，將其由環(huán)冷機(jī)旁移至環(huán)冷機(jī)上部;

( 4) 熱風(fēng)點(diǎn)火系統(tǒng)改造。因余熱鍋爐回收廢氣量增加，熱風(fēng)點(diǎn)火取風(fēng)點(diǎn)需要予以優(yōu)化變更，熱風(fēng)溫度要穩(wěn)定在 300 ℃，需考慮風(fēng)機(jī)、管道等設(shè)施的移位和提升。

3． 4 改造后環(huán)冷機(jī)余熱利用流程

環(huán)冷余熱回收系統(tǒng)改造后，環(huán)冷機(jī)熱平衡流程如圖 4 所示，具體環(huán)冷機(jī)熱廢氣增加利用情況如下:

( 1) 余熱鍋爐回收系統(tǒng)改造后風(fēng)量為 100 萬Nm ³ /h，較原利用風(fēng)量增加約 30 萬 Nm ³ /h;( 2) 原直接外排風(fēng)量為 200． 36 萬 Nm ³ /h，改造后可實(shí)現(xiàn)環(huán)冷煙氣無外排。外排煙氣由兩部分加以利用: 一部分為新增熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，風(fēng)溫約為100 ℃，設(shè)計(jì)風(fēng)量為96 萬 Nm 3 /h; 一部分為環(huán)冷機(jī)串級(jí)利用系統(tǒng)，設(shè)計(jì)風(fēng)量為91．9 萬 Nm ³ /h。由圖 4 可知，環(huán)冷熱廢氣經(jīng)機(jī)上鍋爐技術(shù)、熱風(fēng)循環(huán)至燒結(jié)臺(tái)面及環(huán)冷原外排廢氣串級(jí)利用等，可提高能源利用效率，并可實(shí)現(xiàn)零排放。

4 改造預(yù)期效果

目前，某鋼廠四號(hào)燒結(jié)機(jī)燒結(jié)工序能耗約為48．83 kgce/t，如進(jìn)行以上改造，預(yù)計(jì)環(huán)冷產(chǎn)蒸汽能力增加約 30%，并可提高燒結(jié)風(fēng)溫，從而降低燒結(jié)燃料消耗，折算標(biāo)煤約 2 kgce/t，可降低燒結(jié)工序能耗約 5%，可達(dá)到國(guó)際清潔生產(chǎn)的先進(jìn)水平。此外，改造前環(huán)冷機(jī)外排廢氣顆粒物通常處于超標(biāo)狀況，最高可達(dá) 130 mg/Nm 3 ，并且外排溫度也在 100 ℃以上，剩余熱量未實(shí)現(xiàn)回收利用，改造后可實(shí)現(xiàn)環(huán)冷熱廢氣零排放。

參考文獻(xiàn)

［1］ 張興苗，李海英，姬愛民，等． 燒結(jié)環(huán)冷機(jī)廢氣余熱回收的分析［J］． 節(jié)能，2013，375( 12) : 38 －41．

［2］ 劉傳鵬，李國(guó)俊，林文佺，等． 環(huán)冷機(jī)余熱回收與利用系統(tǒng)的能量分析［J］． 鋼鐵，2005，39( 12) : 60 －66．

［3］ 徐啟明，蘭軍鵬，石偉麗，等． 環(huán)冷機(jī)密封對(duì)燒結(jié)余熱回收效率影響的研究［J］． 冶金設(shè)備，2014，36( 4) : 47 －49．

［4］ 張衛(wèi)亮，馬忠民，周海平，等． 燒結(jié)工藝余熱回收利用技術(shù)研究［C］/ /2015 鋼鐵企業(yè)中低溫余熱回收與高效利用新設(shè)備、新技術(shù)交流會(huì)論文集，2015．

［5］ 王峰． 一種燒結(jié)環(huán)冷機(jī)煙氣余熱梯級(jí)利用系統(tǒng)［J］． 礦業(yè)工程，2013，11( 6) :63 －65．