畢傳光，孫俊杰

(上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210039 )

摘 要: 豎式冷卻回收燒結礦顯熱是燒結余熱資源高效回收利用的一項新技術，梅鋼從環保和節能兩方面考慮選擇了該技術對其燒結余熱進行回收利用。本文介紹了豎冷爐工藝的生產能力、工藝流程和氣固換熱前后的設計指標，并使用數值模擬和熱量衡算對爐型選擇和風量選擇等設計方案進行了前期計算，同時描述了豎冷爐工藝的調試結果和存在的問題，以供同行借鑒與參考。

關鍵詞: 豎冷爐; 環冷機; 燒結礦; 顯熱; 余熱回收

1 前 言

鋼鐵工業能耗約占全國工業總能耗的 10%～16%，而燒結能耗約占鋼鐵生產總能耗的10% ～ 15%，僅次于高爐煉鐵工序^{［1 －2］}。燒結具有優良的資源適應性，可處理冶金企業大量內生固體廢棄物，在鋼鐵聯合企業中，是為高爐提供原料的重要工序之一。

余熱利用是燒結廠實現節能減排、清潔高效生產的重要途徑^［3］。目前燒結工序中燒結礦余熱回收主要采用環冷機余熱鍋爐工藝。根據梅鋼燒結余熱鍋爐的生產實踐，環冷機生產過程中遇到的問題主要有: 燒結工藝參數波動大、煙氣循環系統設計存在缺陷、環冷密封板缺失造成煙氣熱量損失、設備故障率高、余熱鍋爐熱管積灰嚴重、蒸汽總網壓力波動、鍋爐水質惡化、鍋爐入口溫度較低等，由此造成鍋爐運轉率較低。許多是工藝固有缺陷，不改變工藝，很難從根本上得到改善。豎式冷卻回收燒結礦顯熱是燒結過程余熱資源高效回收利用的一項新技術，該工藝核心目標是在對燒結礦冷卻時實現燒結礦顯熱的高效回收。對比傳統余熱回收技術，豎冷回收燒結礦顯熱技術能夠從根本上改變平鋪并聯換熱回收熱風溫度低，環冷漏風導致回收熱風溫度更低、熱品質進一步下降等問題; 同時，還能減少單位燒結礦送風量以提高回收熱風溫度和鼓風能耗; 該技術還能從原理 上 減 少 粉 塵 排 放，達 到 環 境 保 護 的目的^{［4 ～7］}。

2 梅鋼豎冷爐工藝介紹

2. 1 燒結生產情況

上海梅山鋼鐵股份有限公司 3 # 燒結機為198 m² 帶式燒結機，日產燒結礦 6 060 t，采用環冷機冷卻熱燒結礦的方式，配套直徑 30 m 環冷機一套和 15 t/h 余熱鍋爐一套。經過多方多次研討及分析論證，決定在此燒結機后布置一座豎冷爐，采用豎冷爐冷卻熱燒結礦新工藝，通過收集冷卻熱燒結礦所產生的高溫空氣 ( 廢氣) ，經余熱鍋爐生產中壓和低壓蒸汽，使燒結礦顯熱得到最大限度地回收，并配套建設蒸汽余熱發電系統。

梅鋼 3 # 燒結機有效面積 198 m 2 ，寬 3. 3 m，欄板高720 mm，運行速度1 ～3. 3 m/min; 燒結機產量約200 萬 t/a，日產約6 060 t 燒結礦; 采用連續工作制，每天2 班，每班12 h，年工作8400 h，作業率為 96%; 燒結礦熱破碎后溫度約520 ℃，粒度 0 ～ 150 mm， ＜ 5 mm 的占比 ＜25%; 產品溫度 ＜150 ℃，粒度0 ～150 mm， ＜5 mm的占比 ＜25%。

2. 2 豎冷爐工藝流程

2. 2. 1 燒結礦物料流程

從燒結機尾翻料卸下的熱燒結礦 ( 平均520 ℃) ，經單輥破碎機熱破碎后，燒結礦碎塊通過卸料管導入料車內，料車由卷揚系統沿斜橋提升至豎冷爐頂部，傾翻并卸料至爐頂料倉，通過料倉底部的喉管流入豎冷爐; 燒結礦充滿爐膛，并在爐膛內自上而下緩慢流動，與自下而上流動的冷卻風進行充分的熱交換實現燒結礦的冷卻。冷卻后的低溫燒結礦到達豎冷爐膛底部的卸料口，在豎冷爐出料口下部設有出料機，冷卻后的燒結礦 ( ＜ 150 ℃) 經出料機排至新增皮帶輸送機，輸送至原有皮帶機上。

2. 2. 2 冷卻風流程

高壓離心工藝循環風機將冷卻風從豎冷爐下部以一定的壓力通過送風配風裝置鼓入爐體內，自下而上流動穿過燒結礦料層，換熱后的熱風到達爐膛上部風腔匯集后，經主煙道流出，依次通過一次除塵器 ( 粗降塵) 、余熱鍋爐( 熱交換生產蒸汽) 、二次除塵器 ( 多管除塵) 、熱水換熱后，氣體溫度降到 105 ℃ 左右。為了降低循環廢氣的溫度，在熱水換熱器之前引出一路廢氣外排送至篩分室除塵器，并在循環風機的入口設摻冷風閥，保證豎冷爐的進風風量和溫度符合要求 ( 80 ～ 90 ℃) ，最后由循環風機將熱廢氣加壓送至豎冷爐進風通道。完全密閉的循環方式對廢氣的含塵量要求較低，只要不磨損風機葉片即可，而且循環氣體帶入的熱量能夠保持一定的廢氣溫度，進而提高蒸汽產量和發電量，提高燒結礦的熱回收效率。

3 爐型的選擇

梅鋼建設豎冷爐之前，與設計方反復探討過豎爐選型的問題，從直觀上來看，圓形截面的爐體對稱性更好，不易產生死區; 但從送風的均勻性方面考慮，矩形截面的豎爐更有利于均勻送風，而且爐體制作安裝方便。為了考察圓形和矩形豎爐的優劣，梅鋼利用數值模擬方法，根據設計院提供的初步設計條件，對燒結礦在兩種爐型中的運動情況進行了對比分析。模擬情況分別如圖 1 和圖 2 所示。

模擬結果顯示: ①根據現有設計的進料 ( 布料)模式，矩形豎爐入料口存在嚴重粒度偏析，后續通過分散偏析源 ( 設計由 2 個進料口改為 6個進料口) ，降低每個下料堆尖因為散料滾動造成的物料粒度分布偏析。所謂物料粒度分布偏析是指料堆中心粒度小，邊緣粒度大的現象，料堆愈高，散料滾動距離愈長，偏析愈嚴重; 分散偏析源后，料堆底部 ( 料位) 上升，散料滾動距離縮短，偏析改善。②在采用多排料口前提下，若能實現所有排料口同時排料，或者不同排料口相互組合、進行周期很短的間歇式排料，模擬結果顯示矩形豎爐爐料運動偏析稍優于圓形截面豎爐; ③矩形截面豎爐的壓力損失小于圓形豎爐。因此，最終梅鋼選擇了矩形截面的豎爐作為最終方案，考慮到頂部偏析情況，對頂部進料設計做了改進^［8］。

4 風量的選擇

按目前的生產情況，198 m² 燒結機年產200 萬 t 燒結礦，日產燒結礦約 6 060 t，燒結礦平均小時產量為 252. 5 t，考慮到槽下返礦、燒結自返礦，燒結機的毛礦產量約為 350 t/h。按照設計方案，燒結礦入爐溫度約 520 ℃，出爐溫度約 150 ℃，爐頂廢氣溫度 450 ～ 480℃，氣體入口溫度 80 ～90 ℃。因此，只要測定好燒結礦的比熱就可以推算出風量。

采用 DSC ( Differential Scanning calorimeter)熱分析方法，通過對已知比熱的標準樣品與未知比熱的待測樣品的測量結果作比較，測定梅鋼燒結礦比熱值，測量結果見表 1。

在以上數據的基礎上，利用熱量平衡進行計算，估算出本豎冷爐系統需要燒結礦冷卻鼓風量約為 30 ～35 萬 Nm³ /h。

5 初步生產結果

2018 年 4 月 2 日梅鋼豎冷爐開始裝載熱燒結礦，進行為期兩天的整體生產調試。調試階段其在環保節能方面與原環冷工藝對比數據見表 2 所示。

從熱試過程中豎爐工藝運行情況來看，豎冷爐回收燒結礦余熱工藝與設定目標相比，還存在如下問題需要改進: 排礦溫度偏高、廢氣溫度偏低、爐內顆粒偏析較大、料層壓差偏小等。為了解決以上存在的相關問題，項目研究所做的改進措施主要有: ①豎爐上部通過改變布料方式 ( 正在試驗多種布料方式) ，減小上部進料因下料滾動造成的物料粒度分布偏析。

豎爐上部六個進料口形成六個料堆，料堆與矩形爐壁交界處、以及料堆與料堆交界處都是大粒度燒結礦，愈往料堆中心燒結礦粒度愈小。這種燒結礦粒度分布差異導致豎爐下部布風分布差異 ( 單位面積上的風料比分布差異) ; 粒度大的地方透風多，風料比大，冷卻效果好，粒度小的地方透風少，風料比小，甚至不透風，冷卻效果差; ②豎爐下部通過改變出料方式( 出料口出料順序或者不同出料口相互組合出料) ，以抑制下料過程中物料粒度的進一步偏析。上部布料方式的改變需要進行部分設備改進，下部出料方式的改變，在數值模擬指導下，隨即進行了現場試驗。

2018 年 4 月 4 日試生產過程中，把每個出料口排料時間縮短至 5 s，停 5 s，整個循環周期縮至 1 min，隨后廢氣溫度開始緩慢升高，平均溫度最高達 297 ℃，達到當天最高點，表明物料與冷卻氣體的熱交換得到顯著提高。目前豎冷爐排料矩陣如圖 3 所示。一般情況下單個排料口開 10 ～20 s、停 5 ～10 s 后，切換到下一個排料口，整個循環周期在 2 ～ 3 min。通過縮短切換單個排料口的時間和循環周期，不僅可以使物料更均勻的下降，還可以防止局部料流過快而形成鼠洞，同時也蓬松了料堆中心部位的物料，達到了降低風料比分布差異的目的。

6 結 論

( 1) 豎冷爐工藝采用豎式爐體，可取代原先的環冷工藝，氣固兩相在相向運動過程完成熱交換，換熱效率高，環保效果好，熱試生產蒸汽產量達到 25 t/h，是改進前的 2. 3 倍，進一步優化后，可望達到 3 ～3. 5 倍; 豎爐廢氣排放量和粉塵排放量均為零，達到減排率 100%。

( 2) 豎冷爐冷卻燒結礦的總冷卻風量由110 萬 m³ /h 減少到 26 萬 m³ /h，其單位燒結礦的冷卻風量由 ＞2 200 m³ /t 減少到 ＜1 000 m³ /t。

( 3) 初步調試結果顯示，豎冷爐回收燒結礦余熱工藝取得初步成功。通過梅鋼 3 號燒結機豎冷爐生產、優化積累的數據對數值模擬模型進行了驗證和修正，可為梅鋼 450 m² 燒結機豎冷新工藝的推廣應用提供強勁的技術支撐和經驗積累，也可供其他同行借鑒與參考。

參考文獻

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