王忠英，張志剛，張 淼，張永濤，張 龍
( 中冶北方 ( 大連) 工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116600)
摘 要: 氫冶金作為一項(xiàng)綠色低碳的先進(jìn)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)鋼鐵行業(yè)減排的重要技術(shù)手段，在國(guó)內(nèi)已開(kāi)展了廣泛深入的研究。富氫燒結(jié)是氫冶金技術(shù)的重要組成部分，能夠有效降低燒結(jié)的工序能耗和燒結(jié)煙氣中的 CO2 排放，提出一種燒結(jié)富氫氣體噴吹系統(tǒng)，為富氫燒結(jié)的實(shí)現(xiàn)提供有益的參考。
關(guān)鍵詞: 富氫燒結(jié); 噴吹系統(tǒng); 減少碳排放
0 引言
近年來(lái)，隨著技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，我國(guó)鋼鐵行業(yè)一直處在高質(zhì)量發(fā)展階段，在產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能減排方面都有很大提高。但是，由于我國(guó)鋼鐵行業(yè)仍然采用以高爐 － 轉(zhuǎn)爐為主的長(zhǎng)流程工藝，噸鋼二氧化碳排放約 2. 2 t ［1］，與國(guó)外短流程工藝相比，仍處于較高水平，這對(duì)我國(guó)在預(yù)定的年份實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和的目標(biāo)非常不利。氫冶金作為一項(xiàng)綠色低碳的先進(jìn)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)鋼鐵行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)手段 ［2］，隨著研究的不斷深入，已取得了階段性的成果 ［3］。燒結(jié)工藝是鋼鐵流程的重要組成部分，主要采用焦粉或無(wú)煙煤等固體燃料供熱，工序能耗高，是鋼鐵行業(yè)碳排放的主要環(huán)節(jié)之一。而富氫燒結(jié)作為氫冶金的關(guān)鍵技術(shù)，能夠有效降低燒結(jié)的工序能耗和燒結(jié)煙氣中的 CO2排放［4］，已成為國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)和學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn) 。本文提出一種燒結(jié)富氫氣體噴吹系統(tǒng)，為富氫燒結(jié)的實(shí)現(xiàn)提供有益的參考。
1 設(shè)計(jì)原則
燒結(jié)富氫氣體噴吹系統(tǒng)由噴吹裝置、管道系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成。為了保證系統(tǒng)工藝流程的先進(jìn)和合理，技術(shù)裝備水平和主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)同類型燒結(jié)機(jī)的先進(jìn)水平，節(jié)約投資，遵循的設(shè)計(jì)原則: ①安全第一，以燒結(jié)生產(chǎn)工藝合理為基本原則，兼顧生產(chǎn)操作與檢修維護(hù); ②在保證燒結(jié)正常生產(chǎn)的前提下，降低燒結(jié)的工序能耗，減少碳排放; ③充分利用現(xiàn)有設(shè)施和場(chǎng)地條件，最大限度地降低對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)的影響; ④預(yù)留必要的接口和空間，為后續(xù)的技術(shù)升級(jí)改造創(chuàng)造有利條件。
2 噴吹系統(tǒng)
2. 1 噴吹裝置
噴吹裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊包括整流 罩、噴 吹 管 道、升 降 機(jī) 構(gòu)、走 臺(tái)、支 架。 其中整流罩裝配包括軌道、車輪組、車架、罩體、密封裝置; 噴吹管道包括總管、分 支 管、柔性軟管、噴吹管排、管道支架; 升降機(jī)構(gòu)包括管排吊架、多連桿機(jī)構(gòu)、平衡吊梁、鋼絲繩、滑輪、滑輪架、多回轉(zhuǎn)執(zhí)行器、旋轉(zhuǎn)主軸、鋼絲繩卷筒、帶座外球面軸承、支座等。
噴吹裝置設(shè)在燒結(jié)機(jī)料面上方，位于點(diǎn)火爐之后，與點(diǎn)火爐共用軌道，可根據(jù)需要移動(dòng)。 模塊的數(shù)量根據(jù)燒結(jié)機(jī)的規(guī)模和需求設(shè)置，模塊的管道裝配總管均與天然氣供氣管道相通。噴吹裝置的功能是天然氣經(jīng)分支管通向整流罩內(nèi)部，經(jīng)柔性軟管、噴吹管排噴吹出，與罩內(nèi)氣體混合后進(jìn)入燒結(jié)料層參加燒結(jié)過(guò)程。當(dāng)噴吹高度需要調(diào)整時(shí)，可通過(guò)升降機(jī)構(gòu)的多回轉(zhuǎn)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)，控制鋼絲繩帶動(dòng)多連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)噴吹管排的升降調(diào)節(jié)，從而調(diào)整噴吹管排距離料面的高度。
2. 2 管道系統(tǒng)
管道系統(tǒng)指除了噴吹裝置內(nèi)部管道以外的管道，是給噴吹裝置提供氣體燃料并保證用氣安全的系統(tǒng)，主要包括富氫氣體管道、氮?dú)夤艿?、壓縮空氣管道、管道支架、閥門(mén)、管件等。
管道系統(tǒng)及相應(yīng)的介質(zhì)條件具體要求:
1) 富氫氣體管道。該管道為噴吹裝置提供富氫氣體燃料。為了方便生產(chǎn)，管道上設(shè)流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥，可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要調(diào)整富氫氣體的供應(yīng)量。富氫氣體一般選擇天然氣，要求熱值≥33. 5 MJ/Nm3 。與外部管網(wǎng)的接口位置在燒結(jié)主廠房外 1. 0 m處，接口處的天然氣壓力6 000 ～ 8 000 Pa。為了保證天然氣的燃燒性能和管道防腐，要求天然氣無(wú)雜質(zhì)、不能含有水，如果含水量大，需要在管道接口處設(shè)除水裝置。
2) 氮?dú)夤艿馈榱吮ＷC富氫氣體管道的安全運(yùn)行，在管道上設(shè)置惰性氣體吹掃接口和放散管。當(dāng)富氫氣體管道通氣前或通氣結(jié)束后，采用惰性氣體對(duì)管道內(nèi)殘存的空氣或富氫氣體進(jìn)行吹掃清除，防止管道發(fā)生爆炸。惰性氣體通常采用氮?dú)?，管道接口位置在燒結(jié)主廠房外1. 0 m 處，氮?dú)饨涌趬毫?. 4 ～ 0. 8 MPa，要求無(wú)水、無(wú)雜質(zhì)。同時(shí)，在接口總管道上設(shè)流量計(jì)和關(guān)斷閥，可根據(jù)需要控制氮?dú)獾挠昧浚ＷC其正常運(yùn)行。
3) 壓縮空氣。其用于氣動(dòng)設(shè)備和儀表吹掃，每個(gè)噴吹裝置模塊的用氣設(shè)備有氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)關(guān)斷閥、流量計(jì)吹掃、熱像儀冷卻及吹掃。壓縮空氣管道接口位置在燒結(jié)主廠房外1. 0 m 處。為了保證氣動(dòng)設(shè)備的正常工作，壓縮空氣要求: ①氣源接口壓力為 0. 5 ～ 0. 8 MPa;
②壓縮空氣中油分含量≤10 mg /m3 ，無(wú)明顯的有害氣體或蒸汽; ③壓縮空氣中的雜質(zhì) ( 固體微粒) 含量應(yīng)小于 0. 1 mg /m3 ，塵粒的直徑不大于 3 μm; ④壓縮空氣的露點(diǎn)應(yīng)比環(huán)境溫度限值至少低 10 ℃。
2. 3 監(jiān)控系統(tǒng)
監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)噴吹系統(tǒng)自動(dòng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，由自動(dòng)檢測(cè)子系統(tǒng)、自動(dòng)控制子系統(tǒng)、安全管理子系統(tǒng)三部分組成。
1) 自動(dòng)檢測(cè)子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)包括天然氣壓力檢測(cè)、天然氣流量檢測(cè)、天然氣溫度檢測(cè)、氮?dú)鈮毫z測(cè)、氮?dú)饬髁繖z測(cè)、壓縮空氣壓力檢測(cè)、壓縮空氣流量檢測(cè)、整流罩內(nèi)部煙氣壓力檢測(cè)、整流罩內(nèi)部煙氣溫度檢測(cè)、風(fēng)箱支管煙氣壓力檢測(cè)、風(fēng)箱支管煙氣流量檢測(cè)、風(fēng)箱支管煙氣溫度檢測(cè)、天然氣泄露檢測(cè)等項(xiàng)目。所有檢測(cè)通過(guò)安裝在管道或整流罩上的壓力傳感器和流量計(jì)實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)檢測(cè)子系統(tǒng)的主要功能是將所有檢測(cè)項(xiàng)目采集到的數(shù)據(jù)同時(shí)送至自動(dòng)控制子系統(tǒng)和安全管理子系統(tǒng)，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，保證整個(gè)噴吹系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
2) 自動(dòng)控制子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)包括天然氣壓力控制、天然氣流量控制、氮?dú)鈮毫刂啤?氮?dú)饬髁靠刂?、壓縮空氣壓力控制、壓縮空氣流量控制、整流罩內(nèi)部煙氣壓力控制、整流罩內(nèi)部煙氣溫度控制。所有控制通過(guò)安裝在管道或整流罩上的自動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)控制子系統(tǒng)的主要功能是先預(yù)定設(shè)置好噴吹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)收到自動(dòng)檢測(cè)子系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)后，根據(jù)生產(chǎn)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)相關(guān)的閥門(mén)開(kāi)度，將系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整至設(shè)計(jì)值，保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行。
3) 安全管理子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)包括智能聯(lián)鎖安全防護(hù)系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、放散管、快速切斷閥、泄爆閥等。安全管理子系統(tǒng)的主要功能是預(yù)先設(shè)置好噴吹系統(tǒng)的報(bào)警和智能聯(lián)鎖的工作參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)收到自動(dòng)檢測(cè)子系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)后，智能聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行判定，如果參數(shù)達(dá)到報(bào)警值，將信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)重新調(diào)整相關(guān)參數(shù); 如果參數(shù)達(dá)到停機(jī)值，將信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉相應(yīng)的快速切斷閥。另外，為了防止富氫氣體因某些不可控原因?qū)е聣毫ν蝗辉龃蠖鴵p壞設(shè)備或發(fā)生爆炸的情況出現(xiàn)，可通過(guò)泄爆閥釋放壓力，保證系統(tǒng)的安全。
同時(shí)，考慮系統(tǒng)調(diào)試時(shí)不影響燒結(jié)機(jī)的正常運(yùn)行，監(jiān)控系統(tǒng)采用獨(dú)立于燒結(jié)控制系統(tǒng)之外的單獨(dú)控制系統(tǒng)，并可與燒結(jié)控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。這樣不但能夠保證安全生產(chǎn)，而且還能夠根據(jù)燒結(jié)生產(chǎn)的實(shí)際需要，實(shí)現(xiàn)天然氣噴吹系統(tǒng)的獨(dú)立自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)，不受燒結(jié)控制系統(tǒng)的約束。
3 系統(tǒng)特點(diǎn)
1) 噴吹裝置采用模塊化設(shè)計(jì)和制作，可實(shí)現(xiàn)在線安裝，操作與維護(hù)簡(jiǎn)便。
2) 各模塊的天然氣噴吹裝置可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立開(kāi)啟，可根據(jù)生產(chǎn)需要獨(dú)立調(diào)節(jié)各模塊的天然氣噴吹量，調(diào)控手段靈活。
3) 燃?xì)鈬姶笛b置可根據(jù)用戶要求預(yù)留相應(yīng)的設(shè)備或裝置的接口，為今后的擴(kuò)容或改造創(chuàng)造有利的條件。
4) 配套設(shè)置了完善的監(jiān)控手段，可實(shí)現(xiàn)天然氣噴吹作業(yè)的合理化、均勻化、智能化。
5) 噴吹管道與燒結(jié)料面的高度可自主調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)各模塊距離料面的孤獨(dú)自主調(diào)節(jié)，滿足燒結(jié)生產(chǎn)的需求。
6) 配套設(shè)置了完善的安全設(shè)施，確保天然氣無(wú)逃逸、無(wú)異常著火、無(wú)爆炸。
4 結(jié)語(yǔ)
在現(xiàn)有條件下，當(dāng)燒結(jié)工序主要采用碳基固體燃料為燒結(jié)供熱時(shí)，生產(chǎn) 1 t 燒結(jié)礦的燒結(jié)工序能耗準(zhǔn)入值為≤50 kg標(biāo)煤 /t ［5］，CO2 排放量約為 150 kg / t ［6］。對(duì)比同等正常的燒結(jié)工況條件下，如果采用本燒結(jié)富氫氣體噴吹系統(tǒng)，當(dāng)天然氣噴入量為 1 Nm3 /t 時(shí)，預(yù)期達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為燒結(jié)工序能耗降低 3 ～ 5 kg標(biāo)煤 /t，燒結(jié)工序CO2 排放量降低 10 ～ 15 kg / t。
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