單良杰 孫岳琦 楊利興 王輝 劉寶奎 張靖雨
（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司煉鐵部 遼寧營口115007 ）
摘要：鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司超低排放技術(shù)改造，煉鐵部針對大宗固廢的綜合治理工作，磨煤機(jī)系統(tǒng)的混合配煤工藝的綜合再利用應(yīng)用進(jìn)行了一些研究,實(shí)現(xiàn)固廢產(chǎn)品顆粒的資源化利用。本文對高爐冶煉磨煤機(jī)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的復(fù)合燃料顆粒處理工藝進(jìn)行了分析，然后對其資源化混合噴吹利用展開了探索。
關(guān)鍵詞：固廢；磨煤機(jī)；復(fù)合燃料顆粒
近年來隨著國家發(fā)改委近日修訂發(fā)布了新版《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》等相繼出臺，國家對鋼鐵冶金生產(chǎn)企業(yè)的環(huán)保生產(chǎn)，冶金綜合利用提出了嚴(yán)格的要求。因此實(shí)施節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)大宗固廢的綜合利用工作，治理大宗固廢顆粒、環(huán)保回收污染顆粒的綜合再利用，已成為鋼鐵行業(yè)適應(yīng)社會發(fā)展要求，是今后走可持續(xù)發(fā)展道路的一種必然選擇和發(fā)展趨勢。是鋼鐵冶金生產(chǎn)企業(yè)推進(jìn)對提高資源利用效率、改善環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)全面綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重要意義；國內(nèi)重點(diǎn)鋼企對等副產(chǎn)品顆粒的再利用應(yīng)用進(jìn)行了一些研究,實(shí)現(xiàn)固廢產(chǎn)品顆粒的資源化利用。本文對高爐冶煉磨煤機(jī)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的復(fù)合燃料顆粒處理工藝進(jìn)行了分析，然后對其資源化混合噴吹利用展開了探索。
1 工程背景與難點(diǎn)
鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司是具備全流程生產(chǎn)工藝的現(xiàn)代化冶金企業(yè)。高爐冶煉全套生產(chǎn)工藝，近年來隨著鞍鋼股份有限公司安全環(huán)保部、鲅魚圈鋼鐵分公司煉鐵部積極響應(yīng)政府號召，有序穩(wěn)步推進(jìn)鋼鐵行業(yè)超低排放，2023年間，陸續(xù)對鲅魚圈鋼鐵分公司內(nèi)的設(shè)備設(shè)施實(shí)現(xiàn)了技術(shù)改造，特別是煉鐵部的高爐、煤粉、運(yùn)上料等系統(tǒng)擴(kuò)充新增除塵設(shè)施，為了實(shí)現(xiàn)全流程生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)顆粒物排放低于≤10mg/Nm3的要求，我們鲅魚圈鋼鐵分公司陸續(xù)改造了部分超低排項(xiàng)目，其中的副產(chǎn)品回收的煤粉類的除塵灰等固廢的綜合利用工作也陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了回收利用。通過環(huán)保設(shè)施回收的煤粉揚(yáng)塵污染顆粒經(jīng)過收集后混合進(jìn)入煤粉原料煤中，實(shí)現(xiàn)高爐噴吹綜合再利用、也相應(yīng)實(shí)現(xiàn)了循環(huán)利用，對原有的干熄焦資源化利用實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)充。
但是，對比原有的干法熄焦混合配煤工藝，也相應(yīng)的需要進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整與進(jìn)一步的研究。
2 關(guān)鍵問題分析及解決
2.1 原有的干熄焦顆粒制煤資源
隨著干熄焦技術(shù)的普遍應(yīng)用，產(chǎn)生數(shù)量可觀的大量干熄焦除塵灰。相關(guān)資料表明，煉焦生產(chǎn)產(chǎn)生的除塵灰大約占到焦炭產(chǎn)量的4％左右。同行業(yè)單位一些鋼廠將干熄焦除塵灰用于燒結(jié)生產(chǎn)原料，取代部分焦粉或無煙煤：或者收集焦粉都用在發(fā)電廠置換動力煤，這部分焦粉只能露天堆積存放在加濕后運(yùn)輸，全程開放式的操作，使現(xiàn)場環(huán)境污染嚴(yán)重，工藝是比較落后的。
基于以上的問題考慮，2018年以來我國國內(nèi)大部分鋼鐵聯(lián)合企業(yè)都相應(yīng)的提出了干熄焦顆粒代替一定比例的無煙煤用來替代高爐噴吹煤原料的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)原料皮帶系統(tǒng)輸入磨煤機(jī)制備環(huán)節(jié)，經(jīng)噴吹系統(tǒng)加壓噴入高爐爐缸參與燃燒，用以置換昂貴的焦炭燃燒熱量的設(shè)想。如果該設(shè)想能夠?qū)崿F(xiàn)，不僅可以緩解鋼鐵企業(yè)噴煤量需求不斷增加，也緩解采購噴吹的無煙煤資源有限的矛盾。鲅魚圈鋼鐵分公司也陸續(xù)實(shí)現(xiàn)干熄焦資源化利用。
鲅魚圈鋼鐵分公司化工煉焦生產(chǎn)為干法熄焦，焦炭在熄焦和運(yùn)輸過程中產(chǎn)生大量粉塵。2018-2020年間，化工工序兩套干熄焦裝置產(chǎn)生焦粉數(shù)量預(yù)計(jì)年產(chǎn)為2萬噸（60-100 t/d*365）, 其數(shù)量是相當(dāng)可觀的。一是這部分焦粉的理化性能從化學(xué)成份看與焦炭相仿。從粒度組成看與高爐用煤粉相差無幾，燃燒理化指標(biāo)基本相同，完全可以作為燃料噴入高爐，做到物盡其用，二是回收利用可以降低焦炭使用量，進(jìn)一步平衡生鐵成本。三是，通過干熄焦顆粒制煤資源的利用，相應(yīng)減少原有的工藝堆放成本，可以優(yōu)化鲅魚圈鋼鐵分公司整體效益，處置環(huán)保固化物堆放，排放等一系列相關(guān)問題的解決，具有重要的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值，已投入使用十余年，設(shè)備運(yùn)行非常穩(wěn)定。
2.1.1干熄焦顆粒置換煤粉的理化分析與問題
決定噴煤置換比因素有：煤粉灰分，粒度，理論燃燒溫度，煤氣利用。
2.1.1.1噴煤灰分，粒度 目前我廠高爐使用無煙煤噴吹，灰分在14％～16％左右，灰分比較高，影響了置換比，一般經(jīng)驗(yàn)表明，煤粉灰分降低1％，提高置換比1．4％～1．5％；煤粉粒度越細(xì)單位煤粉表面積越大，碳氧反應(yīng)越快，相應(yīng)的反應(yīng)時間越短，置換比就高；
2.1.1.2理論燃燒溫度：在一定范圍內(nèi)隨理論燃燒溫度升高置換比相應(yīng)提高，當(dāng)理論燃燒溫度低于某界定值，由于煤粉的熱補(bǔ)償不夠，影響爐缸煤氣與渣鐵之間的正常熱交換，置換比會大幅下降，保持爐缸溫度及提高理論燃燒溫度，可適度提高置換比。
從理化分析可知，干熄焦除塵灰的性質(zhì)與無煙煤非常相似，二者都具有固定碳含量高、揮發(fā)分低及硫含量低等特點(diǎn)。缺點(diǎn)是由于干熄焦除塵灰基本無黏結(jié)性，顆粒輕，物料吸水率極低，對煤粉生產(chǎn)中的配煤物料選擇要求更高，當(dāng)添加比例超過1％左右的時候，投注到原有配煤皮帶上的干熄焦除塵灰，也會產(chǎn)生的除塵灰飛揚(yáng)等顆粒逃逸的現(xiàn)象，可操作性降低，環(huán)保壓力增加。需要提高工藝或者尋找更加合理的配煤工藝。
2.2 高爐區(qū)域環(huán)保塵灰物料收集處理工藝分析與問題
高爐區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生環(huán)保塵灰的工藝環(huán)節(jié)較多，由各級煤、礦原料皮帶，運(yùn)料倉儲環(huán)節(jié)，燒結(jié)制備工藝，球團(tuán)生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)、高爐本體除塵灰，高爐瓦斯灰等處產(chǎn)生。其中高爐爐塵灰是高爐冶煉過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品之一，是隨高速上升的煤氣流帶離高爐的細(xì)粒爐料，含有鐵和碳等多種元素的自由態(tài)和結(jié)合態(tài)以及復(fù)合物，是一種質(zhì)量輕、顆粒微小且含有多種有害有毒的物質(zhì)，是鋼鐵企業(yè)主要崮體排放物之一。其理化指標(biāo)與原料燃燒的特性與原有的干熄焦除塵灰類似。
2023年間，陸續(xù)對鲅魚圈鋼鐵分公司內(nèi)的設(shè)備設(shè)施實(shí)現(xiàn)了技術(shù)改造，特別是煉鐵部的高爐、煤粉、運(yùn)上料等系統(tǒng)擴(kuò)充新增除塵設(shè)施，為了實(shí)現(xiàn)全流程生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)顆粒物排放低于≤10mg/Nm3的要求，我們鲅魚圈鋼鐵分公司陸續(xù)改造了部分超低排項(xiàng)目，其中的副產(chǎn)品回收的煤粉類的除塵灰等固廢的綜合利用工作也陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了回收利用。通過環(huán)保設(shè)施回收的煤粉揚(yáng)塵污染顆粒經(jīng)過收集后通過罐車運(yùn)輸?shù)皆械拿悍鄹上ń固帲陆ㄒ惶讍为?dú)的布袋除塵裝置與煤粉干熄焦輸料裝置連通，將其按特定的比例混合進(jìn)入煤粉原料煤中，參與制備煤粉，通過噴吹系統(tǒng)供應(yīng)高爐風(fēng)口噴吹使用。這樣可以實(shí)現(xiàn)高爐區(qū)域環(huán)保塵灰物料綜合燃料的再利用、也可以把生產(chǎn)環(huán)節(jié)中每年產(chǎn)生的30-40噸大顆粒廢固物集中返焦顆粒和煤粉外排顆粒，通過返料皮帶或者車輛運(yùn)輸環(huán)節(jié)，送回煤粉上料系統(tǒng)皮帶實(shí)現(xiàn)再利用。相應(yīng)實(shí)現(xiàn)了大顆粒廢固物循環(huán)利用，對原有的干熄焦資源化利用實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)充。
3 混合料噴吹的噴吹工藝的改造
焦粉噴吹工藝：鲅魚圈廠在2008年-2009年期間，委托鞍鋼設(shè)計(jì)院，按60-100t/d設(shè)計(jì)新建設(shè)計(jì)一套焦粉罐裝置，建設(shè)一套焦粉罐裝置包括一組焦粉噴吹儲罐，單體容積40m3 ,焦粉比重按0.6-0.7計(jì)算可儲焦粉24t。在其下部裝有隔離閘板閥，安裝調(diào)速星形卸灰閥和雙輪攪拌加濕機(jī)。實(shí)現(xiàn)顆粒的混合進(jìn)入煤粉原料內(nèi)，通過皮帶運(yùn)輸?shù)脚涿簜}，實(shí)現(xiàn)煤粉磨煤機(jī)生產(chǎn)用原料的混合生產(chǎn)。
焦粉工藝流程：鲅魚圈廠利用密閉罐車從化工煉焦車間處，把集中收集的焦粉裝車，運(yùn)到制粉車間原煤膠帶機(jī)上方的焦粉噴吹儲罐處，用密閉罐車的氣源動力把焦粉加壓吹入焦粉噴吹儲罐內(nèi)。焦粉通過星形卸灰閥進(jìn)入雙輪攪拌加濕機(jī)，把焦粉通過霧狀噴淋加濕攪拌成不再揚(yáng)塵的膠粘狀態(tài)后，輸送原煤的原煤膠帶機(jī)的上面，隨同原煤均勻加入原煤倉，與原煤一起進(jìn)入磨煤機(jī)，參與磨煤機(jī)制備生產(chǎn)干燥的200目合格煤粉顆粒，通過噴吹系統(tǒng)供應(yīng)高爐風(fēng)口噴吹使用。
原設(shè)計(jì)的問題在于，如果新增加環(huán)保塵灰物料來源多為煤皮帶礦皮帶的揚(yáng)塵顆粒，直徑較小，顆粒較輕，可能會導(dǎo)致混合料中干熄焦顆粒混合過多，因吸水率不均，結(jié)渣堵塞原煤通道。因此,考慮其特性性,應(yīng)控制物料的上料混合速度,保證均勻上料,速度不能過快或過慢,以防止混合不均，集料等設(shè)計(jì)不足,如果條件允許,后期陸續(xù)加裝設(shè)置了噴霧調(diào)流設(shè)備。以實(shí)現(xiàn)充分的混合攪拌，增強(qiáng)其膠合團(tuán)聚，方便投料。
4 效果分析
4.1 如何將資源有效整合利用
綠色金融研究中心報(bào)告顯示，在長流程冶金生產(chǎn)流程中：煉鐵、煉鋼、煉焦、燒結(jié)/球團(tuán)、高爐工序等煉鋼工藝的前置步驟，消耗了鋼鐵生產(chǎn)70%以上的能源，導(dǎo)致了額外的原料消耗、空氣污染、能源消耗及二氧化碳排放。
根據(jù)2021年鋼協(xié)會員單位能源消耗評述，國內(nèi)重點(diǎn)鋼企燒結(jié)工序能耗為48.5千克標(biāo)煤/噸，最低能耗為38.48千克標(biāo)煤/噸；球團(tuán)工序能耗為25.23千克標(biāo)煤/噸，最低能耗為15.29千克標(biāo)煤/噸。綠色金融研究中心發(fā)布的報(bào)告指出，球團(tuán)工藝各項(xiàng)污染物都處于較低水平，明顯優(yōu)于燒結(jié)工藝。若從造塊環(huán)節(jié)減少碳排放，采用球團(tuán)礦代替燒結(jié)礦作為高爐主要原料能帶來巨大的碳減排效應(yīng)。從技術(shù)上看，燒結(jié)與球團(tuán)是對鐵礦粉加工的兩個重要工藝，均屬于粉造塊的工藝，為了生產(chǎn)適合高爐煉鐵的原料。相比之下，球團(tuán)生產(chǎn)對鐵料原料的要求更為嚴(yán)格，要求鐵精粉粒度較細(xì)，產(chǎn)生的粉塵顆粒較多，近年來國內(nèi)所有的鋼鐵企業(yè)，為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)顆粒物排放低于≤10mg/Nm3的要求，大量建設(shè)超低排項(xiàng)目，其中的副產(chǎn)品回收的煤粉類的除塵灰等固廢的綜合利用工作前景十分廣闊，以有逐年升高的趨勢。
4.2 混合料在社會層面中的應(yīng)用分析
混合料噴吹是近年研究高爐噴吹多元化的新課題、廢舊塑料，廢舊橡膠輪胎垃圾等顆粒等物料顆粒的造粒，廢固廢棄物造粒入高爐風(fēng)口噴吹替代部分人造焦炭，供應(yīng)高爐反應(yīng)熱量，形成新的產(chǎn)業(yè)，還能夠降低對天然煤的過度依賴開采,且燃燒熱值等同或者略高于煤粉顆粒的燃燒值，廢塑料是目前處理社會廢塑料各種途徑中能量利用最高、污染最少的一種替代焦碳煤粉的原料解決方案，只要解決廢塑料顆粒造粒與煤粉物料的混合合理比率，同樣的噴吹輸送到高爐，因此研究廢塑料氣力輸送是實(shí)現(xiàn)高爐噴吹廢塑料的重要環(huán)節(jié)。
相關(guān)研究表明，在高爐噴吹環(huán)境中，氣力輸送的關(guān)鍵條件就是固氣比，它是非常重要的一個輸送參數(shù)，固氣比提高、可以提高輸送能力，可以節(jié)省能源；在輸送等量廢塑料的情況下，提高固氣比，將減少鼓人高爐的冷風(fēng)量，這將有助于提高爐內(nèi)溫度，幫助高爐減少熱量消耗。相關(guān)研究表明，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中給料速度及氣流量一定的條件下，顆粒粒度在5～10 mm之間多種混合塑料顆粒，溫度大約110～120℃造出的顆粒只是部分微熱塑化，噴吹顆粒的密度受溫度影響，粘結(jié)較松，密度較小。因而不超過150℃適當(dāng)?shù)奶岣咴炝囟瓤梢蕴岣呙芏龋瑥亩M(jìn)一步提高混合顆粒的流動能力。因此相應(yīng)的也需要在工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際研究中，進(jìn)一步驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)，如果其實(shí)際應(yīng)用也在逐漸的被推廣和應(yīng)用。
4.3 工程中應(yīng)用的主要問題
實(shí)驗(yàn)室環(huán)境表明，煤與廢舊塑料顆粒的混合燃燒的最佳條件為空氣流量為 400 ml／min，塑料粒度為0.8mm，塑料比例為30％， 在這個條件下添加廢舊塑料可以對煤粉在高溫下燃燒性能有所提高。兩種主要的廢塑料在高溫燃燒下產(chǎn)生的灰燼量2％。8％皆低于煤粉所產(chǎn)生的灰燼量11％。 采用廢塑料和粉煤混合實(shí)行高爐噴吹在技術(shù)上是可行的。隨著國際市場上多元化的格局競爭，但不斷的深入研究，提高了智能化操控水平和設(shè)備壽命的提高；未來開發(fā)了高爐冶煉過程中添加焦粉，高爐除塵灰，混合微塑料，廢舊橡膠輪胎造粒，等合成顆粒的強(qiáng)化合成顆粒噴吹、從而進(jìn)一步消納全社會產(chǎn)生廢固廢棄物的工業(yè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)資源化利用；強(qiáng)化冶金企業(yè)消納社會生產(chǎn)生活產(chǎn)生廢固廢棄物的應(yīng)用，
4.4 建議
近年來隨著社會經(jīng)濟(jì)科技的不斷飛速發(fā)展,未來基于高爐噴吹顆粒物料的實(shí)際應(yīng)用優(yōu)勢還會有一定進(jìn)步,不僅能夠降低整體采購成本，引導(dǎo)社會廢固廢棄物造粒入高爐風(fēng)口噴吹替代部分人造焦炭，供應(yīng)高爐反應(yīng)熱量，從而形成一套完整的產(chǎn)業(yè)循環(huán)體系，一方面消除社會產(chǎn)生廢舊塑料，廢舊橡膠輪胎垃圾等顆粒等物料顆粒的排放壓力，形成新的產(chǎn)業(yè)，一方面還能夠降低對天然煤的依賴開采,實(shí)際應(yīng)用也在逐漸的被推廣和應(yīng)用。
伴隨社會經(jīng)濟(jì)和科技兩方面的不斷發(fā)展,我國鋼鐵企業(yè)的現(xiàn)階段生產(chǎn)工藝中對于廢固物的使用逐漸趨于成熟化,不論是從生產(chǎn)工藝流程還是到原料替代生產(chǎn)中,顆粒燃料的替代燃燒、還是從球團(tuán)礦料在反應(yīng)器室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室觀察理論指標(biāo)到氫冶金實(shí)踐實(shí)驗(yàn)工程中都積累了很多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),為我國鋼鐵企業(yè)的未來發(fā)展的相關(guān)研究工作奠定了一定的基礎(chǔ)。現(xiàn)階段雖然在混合噴吹生產(chǎn)穩(wěn)定性以及對環(huán)境的和睦性方面仍存在一定的技術(shù)問題,但隨著不斷的深入研究，提高了智能化操控水平和設(shè)備壽命的提高；未來開發(fā)了高爐冶煉過程中添加混合微粉煤與廢塑料合成顆粒的強(qiáng)化噴吹、混合廢輪胎粉碎顆粒與煤顆粒的合成顆粒噴吹、從而進(jìn)一步消納全社會產(chǎn)生廢固廢棄物的工業(yè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)資源化利用；強(qiáng)化冶金企業(yè)消納社會生產(chǎn)生活產(chǎn)生廢固廢棄物的應(yīng)用，未來基于高爐噴吹顆粒物料的實(shí)際應(yīng)用優(yōu)勢還會有一定進(jìn)步,不僅能夠降低整體采購成本，引導(dǎo)社會廢固廢棄物造粒入高爐風(fēng)口噴吹替代部分人造焦炭，供應(yīng)高爐反應(yīng)熱量，從而形成一套完整的產(chǎn)業(yè)循環(huán)體系，一方面消除社會產(chǎn)生廢舊塑料，廢舊橡膠輪胎垃圾等顆粒等物料顆粒的排放壓力，形成新的產(chǎn)業(yè)，一方面還能夠降低對天然煤的依賴開采,因此說,廢固廢棄物造粒混合生產(chǎn)應(yīng)用問題在未來社會發(fā)展中的應(yīng)用前景將非常的廣闊。
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