(1.四川川鍋鍋爐有限責(zé)任公司，四川 成都 610400

2.清華大學(xué)能源與動力工程系 ，北京 100084

3. 磐石建龍鋼鐵有限責(zé)任公司，吉林 磐石 132300 )

摘要：本文介紹了我國目前中高溫球團(tuán)顯熱余熱回收的三種方式，并通過對比三種方式的優(yōu)缺點以及其余熱利用等情況，研發(fā)出了高、中溫球團(tuán)礦冷卻及顯熱余熱回收一體化耦合裝置，本裝置采用的是固固換熱技術(shù)。分析了其余熱價值及效益預(yù)期。經(jīng)計算可降低其工序能耗7.55kgce/t~10.65 kgce/t，降低球團(tuán)生產(chǎn)成本約9.06~12.78 元/噸，并對該技術(shù)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：球團(tuán)；豎爐；固固換熱；一體化耦合；移動填充床

1  前 言

能源可持續(xù)利用對人類的生存和發(fā)展關(guān)系重大，是世界上各國面臨的最重要 的社會問題之一。我國工業(yè)能源消耗占全國能源總量的 66%，而工業(yè)領(lǐng)域的能源 消費(fèi)中很大的比例是由冶金、電力、化工等高溫工業(yè)消費(fèi)。這些相關(guān)高能耗行業(yè) 的生成中均直接或間接涉及到大量的高溫固體物料的處理過程，這些高溫固體處 理工序均有巨大的余熱回收利用潛力，但目前冶金行業(yè)高溫固體散料余熱的回收 利用技術(shù)普及程度尚存在提升空間。高溫余熱回收是降低發(fā)電設(shè)備能源消耗的重 要方向之一，包括煙氣、蒸氣、球團(tuán)礦、燒結(jié)礦、鋼渣、高爐渣等余熱回收?！陡?耗能行業(yè)重點領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級實施指南》要求： 到 2025 年，鋼鐵行業(yè)煉 鐵、煉鋼工序能效 標(biāo)桿水平 以上產(chǎn)能比例達(dá)到 30%；同時對鋼鐵行業(yè)余熱余 能高效回收利用提出了更高的要求。高溫氣體的余熱回收在火電行業(yè)應(yīng)用廣泛、 技術(shù)較成熟，但高溫球團(tuán)礦、燒結(jié)礦、鋼渣、高爐渣等冶金固體散料的余熱回收 利用技術(shù)應(yīng)用情況欠佳。我國的節(jié)能減排工作依然面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，在未來 20 年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中我國仍應(yīng)堅持節(jié)能優(yōu)先的戰(zhàn)略。

在工業(yè)生產(chǎn)中，固體產(chǎn)品及廢渣等余熱量很高。但大部分未回收，少量回收 也主要采用氣體作為冷卻介質(zhì)，通過高溫物料→空氣、熱空氣→鍋爐受熱面的兩 次換熱，從而在傳熱和流動原理上存在弊端。一方面，增加了整個流程的不可逆 損失，降低了熱量的品位；另一方面，由于空氣的強(qiáng)制流動增加了系統(tǒng)的電耗。 同時，還存在漏風(fēng)率高和高溫氣體中粉塵含量高的問題。且對一些可與空氣中某 些成分發(fā)生反應(yīng)的物料以及細(xì)的粉料，則該技術(shù)不適用；而近年來新興的豎冷窯 冷卻設(shè)備，雖然解決了漏風(fēng)問題，但同樣因受能耗高、冷卻不均等因素的制約未 得到推廣。

據(jù)不完全統(tǒng)計冶金行業(yè)豎爐球團(tuán)產(chǎn)量約 0.8 億噸/年、燒結(jié)礦產(chǎn)量 10 億噸/ 年，粉煤熱解蘭炭需求量約 1 億噸/年，可回收利用的余熱接近 2200 萬噸標(biāo)準(zhǔn) 煤；這些數(shù)量巨大的高溫固體散料余熱資源的高效回收利用，對于冶金等行業(yè)實 現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的意義重大。

2  豎爐球團(tuán)工藝概述

項目生產(chǎn)工藝為：配料烘干、混合、潤磨造球篩分豎爐焙燒、冷卻成品篩分、儲存。鐵精礦與膨潤土混合配料后經(jīng)膠帶輸送機(jī)運(yùn)至烘干車間，在圓筒烘干機(jī)內(nèi)對混合料進(jìn)行烘干混勻。再至潤磨車間，以保證造球前的混合料粒度均勻?；靹蚝蟮幕旌狭纤腿朐烨蜍囬g的料倉，經(jīng)由圓盤給料機(jī)進(jìn)入圓盤造球機(jī)。從圓盤造球機(jī)出來的生球進(jìn)入輥式篩分機(jī)，將小于6mm和大于20mm的不合格生球篩除后，經(jīng)膠帶運(yùn)輸機(jī)送至造球室的混合料斗重新造球，篩分后的6mm至20mm的合格生球進(jìn)入下一道工序的豎爐本體。爐體排出的熱球，經(jīng)帶冷篩分后運(yùn)至成品堆場。

其中矩形豎爐工藝分為布料、干燥、預(yù)熱、焙燒、均熱和冷卻這樣幾個過程。來自篩分車間的合格生球經(jīng)爐頂布料設(shè)備將生球裝入爐內(nèi)，球以均勻速度連續(xù)下降，燃燒室的熱氣體從噴火口進(jìn)入爐內(nèi)，熱氣體（自下而上）和生球（自上而下）進(jìn)行熱交換。生球首先在豎爐上經(jīng)過干燥脫水、預(yù)熱氧化；然后進(jìn)入焙燒帶，在焙燒帶進(jìn)行高溫固結(jié)反應(yīng)；經(jīng)過均熱帶，完成全部固結(jié)過程；焙燒好的氧化球團(tuán)經(jīng)過在爐子的下部的冷卻帶進(jìn)行冷卻，然后從排料口排出，并通過帶式冷卻機(jī)在爐外將球團(tuán)礦冷卻到100℃以下。

2.1 豎爐球團(tuán)生產(chǎn)冷卻方式

隨著我國煉鐵工業(yè)逐漸以高堿度燒結(jié)礦合理配用酸性球團(tuán)礦成為主要形式的高爐爐料結(jié)構(gòu)的確立，尤其是現(xiàn)代煉鐵工藝對原料的苛刻要求，促使球團(tuán)礦成為高爐爐料的重要組成部分。

高溫氧化球團(tuán)工藝按焙燒設(shè)備不同，可分為：鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)法、帶式機(jī)球團(tuán)法和豎爐球團(tuán)法三種。其中球團(tuán)礦的冷卻是豎爐生產(chǎn)工藝中比較重要的環(huán)節(jié)之一。一般情況下，通過豎爐焙燒帶和均熱帶到達(dá)冷卻帶的球團(tuán)溫度在1000℃以上，經(jīng)爐內(nèi)一次冷卻后豎爐排出的球團(tuán)礦溫度仍高達(dá)600~800℃，一次冷卻很難將熾熱球團(tuán)冷卻至150℃以下。但球團(tuán)礦除滿足高爐入爐要求外，需要保護(hù)與延長其運(yùn)輸和儲存設(shè)備的使用壽命，防止高溫球燒損皮帶。多數(shù)廠采取打水冷卻的方式，這樣雖可達(dá)到冷卻的目的，但球團(tuán)礦因極熱極冷而使強(qiáng)度下降，以致高爐各項指標(biāo)降低。單純依靠爐內(nèi)一次冷卻不能從根本上解決排礦溫度過高的問題，因此，需對球團(tuán)礦繼續(xù)進(jìn)行二次冷卻。

2.2 余熱回收方式對比

目前，球團(tuán)環(huán)冷機(jī)其最大弊端就是中低溫段余熱不能有效利用，國內(nèi)常規(guī)球團(tuán)冷卻方式均存在冷卻效果差、設(shè)備笨重、投資大、設(shè)備配 件較多維修工作量、維護(hù)費(fèi)用高、電耗高且環(huán)保問 題無法解決等問題，運(yùn)輸過程中球團(tuán)礦灑落嚴(yán)重， 而且由于冷卻設(shè)備漏風(fēng)率高，排放的熱廢氣溫度 低、風(fēng)量小，嚴(yán)重制約了該部分余熱回收的利用。 這部分中低溫段余熱直接放散既污染環(huán)境又浪費(fèi)能源，若如能對該部分球團(tuán)顯熱進(jìn)行回收利用，對球團(tuán)生產(chǎn)節(jié)能具有重要意義。

（1）目前，球團(tuán)/燒結(jié)礦顯熱回收主要采用環(huán)冷回收工藝。工藝路線：風(fēng)冷+余熱回收。由于應(yīng)用空氣作為中間介質(zhì)，被加熱的空氣通過余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，其余熱回收效率低，漏風(fēng)率較高、熱空氣溫度低、粉塵排放量大、系統(tǒng)自用能耗高。

（2）近年來，國內(nèi)開發(fā)了豎冷爐余熱回收工藝。工藝路線：風(fēng)冷+余熱回收。相比于環(huán)冷機(jī)，豎冷爐具有漏風(fēng)率較低、熱空氣溫度高、粉塵排放量少等優(yōu)點。然而，由于空氣在豎冷爐內(nèi)的換熱過程中，要穿過厚密的物料層，因此空氣的流動阻力很大，進(jìn)而帶來了系統(tǒng)自用電耗極高，達(dá)到了發(fā)電量的30~40%。

（3）固體散料余熱直接回收技術(shù)，工藝路線：無需引入中間介質(zhì)，直接余熱回收。不引入二次換熱介質(zhì)，其換熱效率及回收效率大大高，更清潔、更環(huán)保。

如下表所示。固體散料余熱直接高效回收技術(shù)，具有效率高、自耗電低、更清潔、環(huán)保，應(yīng)用范圍廣等特點，具有很強(qiáng)競爭力！同時，該技術(shù)應(yīng)用在豎爐球團(tuán)項目上，解決了豎爐球團(tuán)原帶冷機(jī)冷卻工藝存在“大量顯熱未回收”“冷卻不充分仍需打水，污染環(huán)境”“冷卻過程煙塵量大”“自耗電高”等問題，且具有噸礦凈發(fā)電量高，排礦溫度低（＜140℃）等優(yōu)點，從而實現(xiàn)高溫球團(tuán)冷卻過程的低碳、節(jié)能、環(huán)保。同時，由于采用固固換熱慢冷工藝，成品球團(tuán)礦的各項物性指標(biāo)（返礦率、抗壓強(qiáng)度等）均有一定程度的提高。

表1 高溫球團(tuán)（450～550℃）固體散料余熱回收技術(shù)對比

綜上技術(shù)對比結(jié)果：余熱回收率提升20%～30%，系統(tǒng)自耗電率降低20%以上，噸礦凈發(fā)電量能提升30%以上。

相比帶/環(huán)冷及燒結(jié)豎冷窯，新型高溫冶金固體散料余熱高效回收技術(shù)不僅使系統(tǒng)更為簡單，自耗電大大降低；同時，能得到高品位的蒸汽，大大提高了高溫物料的顯熱回收效率。

 2022 年5月，由四川川鍋鍋爐有限責(zé)任公司聯(lián)合國內(nèi)高校設(shè)計的吉林某企業(yè)豎爐球團(tuán)固固直接余熱回收工程正式投產(chǎn)運(yùn)行，采用新型高溫冶金固體散料余熱高效回收技術(shù)，連續(xù)運(yùn)行至今。期間，鍋爐運(yùn)行平穩(wěn)，入爐料溫和主蒸汽溫度，無明顯波動。

入爐球團(tuán)溫度509℃時，噸礦凈發(fā)電量可達(dá)16kWh/t，余熱利用率81%，系統(tǒng)自耗電量小于10%。

從2022年5月穩(wěn)定運(yùn)行至今，各項指標(biāo)均有大幅度改善，具體如下：

（1）、多發(fā)電：該技術(shù)裝備投用后由過去的余熱直接外排無回收蒸汽，提升到新增蒸汽180.9噸/日 ，日新增蒸汽發(fā)電量3.29萬kwh。

（2）、少用電：投用前原帶冷機(jī)鼓風(fēng)冷卻日用電量3625kwh，投用后球團(tuán)礦余熱直接回收裝備日用電量2739.6kwh，降低885.4kwh；

（3）、降工序能耗：裝置投用后可降低工序能耗7.55kgce/t，豎爐球團(tuán)工序能耗19.75kgce/t降低至12.2kgce/t。達(dá)到粗鋼生產(chǎn)主要工序單位產(chǎn)品能源消耗限額標(biāo)準(zhǔn)（GB21256-2013）的先進(jìn)值（15kgce/t）。

（4）、球團(tuán)礦質(zhì)量：

由于新型高溫冶金固體散料余熱高效回收技術(shù)為緩冷工藝，經(jīng)過該裝置冷卻后，球團(tuán)的碎球率、返礦率、轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、抗壓強(qiáng)度等較傳統(tǒng)帶冷工藝均有所改善。

（5）排礦溫度：投用前球團(tuán)礦排礦溫度350℃，投用后排礦溫度＜120℃，成品皮帶使用壽命大大提升（無過熱起泡老化等），可有效降低成品皮帶費(fèi)用。

圖1 球團(tuán)礦產(chǎn)品

（6）現(xiàn)場環(huán)境：投用前高溫球團(tuán)礦通過帶冷機(jī)鼓風(fēng)冷卻，設(shè)備漏風(fēng)率高，球團(tuán)礦冷卻效果差，被迫打水冷卻，煙塵量大造成環(huán)保壓力大。投用后高溫球團(tuán)礦在封閉的固固換熱器內(nèi)完成冷卻，無需引入中間換熱介質(zhì)，冷卻效果好，球團(tuán)礦杜絕了打水冷卻，環(huán)境改善明顯。

同時對于行業(yè)來說，實現(xiàn)首例不通過空氣為媒介對固態(tài)塊狀物料顯熱進(jìn)行回收，改善球團(tuán)礦冶金性能，實現(xiàn)固態(tài)物料顯熱回收，綠色環(huán)保。在行業(yè)內(nèi)部具有較高的推廣價值，有效降低行業(yè)球團(tuán)礦生產(chǎn)的能源消耗。

3. 高溫冶金固體散料余熱高效回收技術(shù)特點

3.1 技術(shù)特點

針對傳統(tǒng)高溫固體散料余熱回收工藝存在：余熱取熱困難、余熱回收效率低、余熱品位低下、余熱回收電耗高等問題，新型冶金固體散料余熱直接高效回收裝置是在不引入中間換熱介質(zhì)的情況下，在高溫物料出口端設(shè)置一套高溫固體物料余熱直接回收鍋爐裝置，高溫固體散料由該固固換熱鍋爐頂部物料入口進(jìn)入，利用自身重力向下緩慢流動，通過移動填充床固體換熱方式，鍋爐受熱面管束將高溫顆粒降溫過程中釋放的熱量直接吸收轉(zhuǎn)變成過熱蒸汽。該系統(tǒng)完全摒棄了傳統(tǒng)的帶冷機(jī)空氣兩次換熱才能轉(zhuǎn)化為蒸汽這種不可逆損失大的方 式，大大提高顯熱回收效率，余熱回收所產(chǎn)生的高品質(zhì)過熱蒸汽可用于汽輪機(jī) 發(fā)電或其他供熱，系統(tǒng)自耗電低，同時不會產(chǎn)生二次污染。

3.2 技術(shù)創(chuàng)新點

（1）揭示了基于接觸導(dǎo)熱、氣膜對流傳熱和輻射換熱耦合的固體直接換熱的機(jī)理， 提出了實現(xiàn)高溫固體散料與管壁的高效換熱方法，開發(fā)了適用于固體散料余熱直接回收的 余熱回收裝置受熱面結(jié)構(gòu)，研制了高溫固體散料冷卻與余熱回收一體化耦合技術(shù)裝置，余 熱回收率達(dá)到 80%以上。 （2）揭示了重力條件下高溫固體散料在受熱面密集管束間的下行流動及對管壁的磨 損機(jī)理，找到了防止高溫固體散料顆粒在受熱面管束內(nèi)阻塞及管壁防磨的方法，實現(xiàn)了球 團(tuán)物料對受熱面管實測磨損量＜0.035mm/年，滿足換熱裝置的工程長壽命應(yīng)用需要。 （3）開發(fā)了適用于高溫固體散料余熱直接回收的鍋爐以及與之匹配的長距離大傾角 保溫轉(zhuǎn)運(yùn)、熱篩分、熱破碎等裝置，形成了高溫固體散料余熱直接回收技術(shù)，集成開發(fā)了 成套裝備，系統(tǒng)自耗電率小于10%。

3.3 工藝余熱價值及效益預(yù)期

表2 高溫固固換熱專職參數(shù)和效益分析

4  結(jié)論

“高溫固體散料余熱直接回收技術(shù)”創(chuàng)新了高溫物料余熱直接高效回收的換熱方法，大幅度減少了風(fēng)冷和水冷等二次換熱中的不可逆損失，提高了回收的余熱品位，從原理上克服了傳統(tǒng)技術(shù)中從高溫固體散料取熱困難、余熱回收效率低、余熱品質(zhì)差以及自耗電高等缺陷。該技術(shù)成功解決了高溫散料的穩(wěn)定流動、受熱面管壁磨損、橫掠管傳熱強(qiáng)化等問題，具有余熱利用率高、自耗電量低、凈發(fā)電率高、污染小的特點，工程應(yīng)用效果顯著，為國內(nèi)外首創(chuàng)。

 該技術(shù)應(yīng)用于煉鐵工藝中豎爐高溫球團(tuán)的余熱回收，可降低球團(tuán)工序能耗7.55kgce/t以上，避免了傳統(tǒng)風(fēng)冷時所產(chǎn)生的粉塵、噪聲污染，同時球團(tuán)抗壓強(qiáng)度、碎球率等指標(biāo)均有不同程度的改善。該技術(shù)成果解決了中小型豎爐球團(tuán)工藝的能量回收，同時為鋼鐵企業(yè)的節(jié)能降碳改造升級提供新的路徑。

項目成果進(jìn)一步在粉煤熱解高溫蘭炭余熱回收中成功拓展應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，體現(xiàn)了該創(chuàng)新技術(shù)具有極高的市場價值和社會價值，在冶金、化工等工業(yè)領(lǐng)域中推廣應(yīng)用前景廣闊。