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(jié)礦顯熱是燒結(jié)余熱資源高效回收利用的一項新技術(shù)，梅鋼從環(huán)保和節(jié)能兩方面考慮選擇了該技術(shù)對其燒結(jié)余熱進行回收利用。本文介紹了豎冷爐工藝的生產(chǎn)能力、工藝流程和氣固換熱前后的設(shè)計指標，并使用數(shù)值模擬和熱量衡算對爐型選擇和風(fēng)量選擇等設(shè)計方案進行了前期計算，同時描述了豎冷爐工藝的調(diào)試結(jié)果和存在的問題，以供同行借鑒與參考。
關(guān)鍵詞: 豎冷爐; 環(huán)冷機; 燒結(jié)礦; 顯熱; 余熱回收
1 前 言
鋼鐵工業(yè)能耗約占全國工業(yè)總能耗的 10%～16%，而燒結(jié)能耗約占鋼鐵生產(chǎn)總能耗的10% ～ 15%，僅次于高爐煉鐵工序［1 －2］。燒結(jié)具有優(yōu)良的資源適應(yīng)性，可處理冶金企業(yè)大量內(nèi)生固體廢棄物，在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中，是為高爐提供原料的重要工序之一。
余熱利用是燒結(jié)廠實現(xiàn)節(jié)能減排、清潔高效生產(chǎn)的重要途徑［3］。目前燒結(jié)工序中燒結(jié)礦余熱回收主要采用環(huán)冷機余熱鍋爐工藝。根據(jù)梅鋼燒結(jié)余熱鍋爐的生產(chǎn)實踐，環(huán)冷機生產(chǎn)過程中遇到的問題主要有: 燒結(jié)工藝參數(shù)波動大、煙氣循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計存在缺陷、環(huán)冷密封板缺失造成煙氣熱量損失、設(shè)備故障率高、余熱鍋爐熱管積灰嚴重、蒸汽總網(wǎng)壓力波動、鍋爐水質(zhì)惡化、鍋爐入口溫度較低等，由此造成鍋爐運轉(zhuǎn)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(jié)礦顯熱是燒結(jié)過程余熱資源高效回收利用的一項新技術(shù)，該工藝核心目標是在對燒結(jié)礦冷卻時實現(xiàn)燒結(jié)礦顯熱的高效回收。對比傳統(tǒng)余熱回收技術(shù)，豎冷回收燒結(jié)礦顯熱技術(shù)能夠從根本上改變平鋪并聯(lián)換熱回收熱風(fēng)溫度低，環(huán)冷漏風(fēng)導(dǎo)致回收熱風(fēng)溫度更低、熱品質(zhì)進一步下降等問題; 同時，還能減少單位燒結(jié)礦送風(fēng)量以提高回收熱風(fēng)溫度和鼓風(fēng)能耗; 該技術(shù)還能從原理 上 減 少 粉 塵 排 放，達 到 環(huán) 境 保 護 的目的［4 ～7］。
2 梅鋼豎冷爐工藝介紹
2. 1 燒結(jié)生產(chǎn)情況
上海梅山鋼鐵股份有限公司 3 # 燒結(jié)機為198 m2 帶式燒結(jié)機，日產(chǎn)燒結(jié)礦 6 060 t，采用環(huán)冷機冷卻熱燒結(jié)礦的方式，配套直徑 30 m 環(huán)冷機一套和 15 t/h 余熱鍋爐一套。經(jīng)過多方多次研討及分析論證，決定在此燒結(jié)機后布置一座豎冷爐，采用豎冷爐冷卻熱燒結(jié)礦新工藝，通過收集冷卻熱燒結(jié)礦所產(chǎn)生的高溫空氣 ( 廢氣) ，經(jīng)余熱鍋爐生產(chǎn)中壓和低壓蒸汽，使燒結(jié)礦顯熱得到最大限度地回收，并配套建設(shè)蒸汽余熱發(fā)電系統(tǒng)。
梅鋼 3 # 燒結(jié)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(jié)機產(chǎn)量約200 萬 t/a，日產(chǎn)約6 060 t 燒結(jié)礦; 采用連續(xù)工作制，每天2 班，每班12 h，年工作8400 h，作業(yè)率為 96%; 燒結(jié)礦熱破碎后溫度約520 ℃，粒度 0 ～ 150 mm， ＜ 5 mm 的占比 ＜25%; 產(chǎn)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(jié)礦物料流程
從燒結(jié)機尾翻料卸下的熱燒結(jié)礦 ( 平均520 ℃) ，經(jīng)單輥破碎機熱破碎后，燒結(jié)礦碎塊通過卸料管導(dǎo)入料車內(nèi)，料車由卷揚系統(tǒng)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(jié)礦充滿爐膛，并在爐膛內(nèi)自上而下緩慢流動，與自下而上流動的冷卻風(fēng)進行充分的熱交換實現(xiàn)燒結(jié)礦的冷卻。冷卻后的低溫?zé)Y(jié)礦到達豎冷爐膛底部的卸料口，在豎冷爐出料口下部設(shè)有出料機，冷卻后的燒結(jié)礦 ( ＜ 150 ℃) 經(jīng)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(fēng)流程
高壓離心工藝循環(huán)風(fēng)機將冷卻風(fēng)從豎冷爐下部以一定的壓力通過送風(fēng)配風(fēng)裝置鼓入爐體內(nèi)，自下而上流動穿過燒結(jié)礦料層，換熱后的熱風(fēng)到達爐膛上部風(fēng)腔匯集后，經(jīng)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(chǎn)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(huán)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(huán)風(fēng)機的入口設(shè)摻冷風(fēng)閥，保證豎冷爐的進風(fēng)風(fēng)量和溫度符合要求 ( 80 ～ 90 ℃) ，最后由循環(huán)風(fēng)機將熱廢氣加壓送至豎冷爐進風(fēng)通道。完全密閉的循環(huán)方式對廢氣的含塵量要求較低，只要不磨損風(fēng)機葉片即可，而且循環(huán)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(chǎn)量和發(fā)電量，提高燒結(jié)礦的熱回收效率。
3 爐型的選擇
梅鋼建設(shè)豎冷爐之前，與設(shè)計方反復(fù)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(chǎn)生死區(qū); 但從送風(fēng)的均勻性方面考慮，矩形截面的豎爐更有利于均勻送風(fēng)，而且爐體制作安裝方便。為了考察圓形和矩形豎爐的優(yōu)劣，梅鋼利用數(shù)值模擬方法，根據(jù)設(shè)計院提供的初步設(shè)計條件，對燒結(jié)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(jié)果顯示: ①根據(jù)現(xiàn)有設(shè)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(xù)通過分散偏析源 ( 設(shè)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(xiàn)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(xiàn)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(jié)果顯示矩形豎爐爐料運動偏析稍優(yōu)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(shè)計做了改進［8］。
4 風(fēng)量的選擇
按目前的生產(chǎn)情況，198 m2 燒結(jié)機年產(chǎn)200 萬 t 燒結(jié)礦，日產(chǎn)燒結(jié)礦約 6 060 t，燒結(jié)礦平均小時產(chǎn)量為 252. 5 t，考慮到槽下返礦、燒結(jié)自返礦，燒結(jié)機的毛礦產(chǎn)量約為 350 t/h。按照設(shè)計方案，燒結(jié)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(jié)礦的比熱就可以推算出風(fēng)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(jié)果作比較，測定梅鋼燒結(jié)礦比熱值，測量結(jié)果見表 1。
在以上數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用熱量平衡進行計算，估算出本豎冷爐系統(tǒng)需要燒結(jié)礦冷卻鼓風(fēng)量約為 30 ～35 萬 Nm3 /h。
5 初步生產(chǎn)結(jié)果
2018 年 4 月 2 日梅鋼豎冷爐開始裝載熱燒結(jié)礦，進行為期兩天的整體生產(chǎn)調(diào)試。調(diào)試階段其在環(huán)保節(jié)能方面與原環(huán)冷工藝對比數(shù)據(jù)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(jié)礦余熱工藝與設(shè)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(nèi)顆粒偏析較大、料層壓差偏小等。為了解決以上存在的相關(guān)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(jié)礦，愈往料堆中心燒結(jié)礦粒度愈小。這種燒結(jié)礦粒度分布差異導(dǎo)致豎爐下部布風(fēng)分布差異 ( 單位面積上的風(fēng)料比分布差異) ; 粒度大的地方透風(fēng)多，風(fēng)料比大，冷卻效果好，粒度小的地方透風(fēng)少，風(fēng)料比小，甚至不透風(fēng)，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(shè)備改進，下部出料方式的改變，在數(shù)值模擬指導(dǎo)下，隨即進行了現(xiàn)場試驗。
2018 年 4 月 4 日試生產(chǎn)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(huán)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(dāng)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(huán)周期在 2 ～ 3 min。通過縮短切換單個排料口的時間和循環(huán)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(fēng)料比分布差異的目的。
6 結(jié) 論
( 1) 豎冷爐工藝采用豎式爐體，可取代原先的環(huán)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(huán)保效果好，熱試生產(chǎn)蒸汽產(chǎn)量達到 25 t/h，是改進前的 2. 3 倍，進一步優(yōu)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(jié)礦的總冷卻風(fēng)量由110 萬 m3 /h 減少到 26 萬 m3 /h，其單位燒結(jié)礦的冷卻風(fēng)量由 ＞2 200 m3 /t 減少到 ＜1 000 m3 /t。
( 3) 初步調(diào)試結(jié)果顯示，豎冷爐回收燒結(jié)礦余熱工藝取得初步成功。通過梅鋼 3 號燒結(jié)機豎冷爐生產(chǎn)、優(yōu)化積累的數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬模型進行了驗證和修正，可為梅鋼 450 m2 燒結(jié)機豎冷新工藝的推廣應(yīng)用提供強勁的技術(shù)支撐和經(jīng)驗積累，也可供其他同行借鑒與參考。
參考文獻
［1］ 劉傳鵬，李國俊，林文佺，等． 環(huán)冷機余熱回收與利用系統(tǒng)的能量分析［J］． 鋼鐵，2015，50( 12) : 60 －66．
［2］ 張秀芬，曹先常，姜未汀，等． 燒結(jié)環(huán)冷機余熱資源梯級利用系統(tǒng)分析與研究［J］． 節(jié)能技術(shù)，2017，35( 3) : 251－254．
［3］ 李宗平，范曉慧，孫英，等． 燒結(jié)環(huán)冷機余熱發(fā)電的風(fēng)量優(yōu)化配置［J］． 燒結(jié)球團，2016，41( 1) : 52 －56．
［4］ 蔡九菊，王建軍，陳春霞，等． 鋼鐵工業(yè)余熱資源的回收與利用［J］． 鋼鐵，2007，42( 6) : 1 －7．
［5］ 董輝，李磊，蔡九菊，等． 燒結(jié)礦余熱豎罐式回收利用工藝流程［J］． 中國冶金，2012，22( 1) : 6 －11．
［6］ 馮軍勝，董輝，高建業(yè)，等． 燒結(jié)礦余熱回收豎罐內(nèi)氣體流態(tài)的實驗研究［J］． 東北大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)版) ，2016，37( 4) : 517 －521．
［7］ 馮軍勝，董輝，曹崢，等． 燒結(jié)豎罐床層內(nèi)的空隙率分布特性［J］． 中南大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)版) ，2016，47( 1) : 8－13．
［8］ 孫俊杰，畢傳光． 冷卻豎爐內(nèi)燒結(jié)礦運動行為模擬研究［J］． 梅山科技，2017，163( 1) : 15 －18．