趙立卓，郝永壽， 張海兵

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）

摘 要：針對太鋼 450 m² 燒結(jié)機(jī)在燒結(jié)工序中環(huán)冷機(jī)熱廢氣余熱利用率低、廢氣無組織排放等問題，通過熱風(fēng)循環(huán)梯級利用技術(shù)實踐，解決了環(huán)冷機(jī)廢氣無組織排放的難題，達(dá)到了燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)提升、固體燃耗降低的多重效果，實現(xiàn)了燒結(jié)優(yōu)質(zhì)、低碳生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：熱風(fēng)循環(huán)；梯級利用；低碳

0 引言

環(huán)冷機(jī) 100~250 ℃的廢氣熱能無法得到有效利用，且廢氣的無組織排放導(dǎo)致熱能浪費(fèi)和環(huán)境污染，這一直是燒結(jié)行業(yè)亟待解決的難題。山西太鋼不銹鋼股份有限公司（全文簡稱“太鋼”）燒結(jié)實行高比例微細(xì)精礦粉燒結(jié)生產(chǎn)，燒結(jié)料層透氣性惡化，導(dǎo)致燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)下降、能耗升高等負(fù)面后果，不利于大型高爐的高需求生產(chǎn)及燒結(jié)工序節(jié)能減排^[1-3]。針對上述問題，太鋼煉鐵廠針對 450 m² 燒結(jié)機(jī)進(jìn)行了多項技術(shù)攻關(guān)，實施了熱風(fēng)循環(huán)梯級利用技術(shù)，取得了產(chǎn)質(zhì)量提升、節(jié)能降耗和無組織排放治理的多重效果。

1 技術(shù)方案

1.1 工藝流程

環(huán)冷機(jī)的廢氣組成主要由高溫段、中溫段及低溫段廢氣組成。400~550 ℃的高溫廢氣主要用于余熱回收發(fā)電；150~200 ℃的中溫段廢氣引入燒結(jié)機(jī)熱風(fēng)罩內(nèi)進(jìn)行熱風(fēng)燒結(jié)，低溫段廢氣平均溫度約 100 ℃，引入中溫段環(huán)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)進(jìn)行循環(huán)利用，同時可控制廢氣外排。

太鋼環(huán)冷機(jī)（520 m² ）共設(shè)置 6 臺冷卻風(fēng)機(jī)，自高溫段至低溫段依次為 1—6 號環(huán)鼓風(fēng)機(jī)，其中 1 號環(huán)鼓風(fēng)機(jī)已拆除^[4]。環(huán)冷機(jī)共有 24 個風(fēng)箱，從高溫段開始依次為 1—24 號，按溫度的差異，將三燒環(huán)冷機(jī)冷卻廢氣分為三部分，對各部分廢氣予以分別處理、梯級利用。熱風(fēng)循環(huán)梯級利用工藝布置如圖 1 所示。

1）第一部分：

1—11 號風(fēng)箱對應(yīng)上罩覆蓋 2 號冷卻風(fēng)機(jī)和 3 號冷卻風(fēng)機(jī)的一部分，其廢氣溫度為400~ 550 ℃，經(jīng)過余熱鍋爐換熱后作為冷卻風(fēng)循環(huán)利用。

2）第二部分：12—17 號風(fēng)箱對應(yīng)上罩覆蓋 3 號和 4 號冷卻風(fēng)機(jī)，取出約 50×104 m³ /h 廢氣（150~200 ℃）經(jīng)電除塵器后，用于燒結(jié)機(jī)料面的熱風(fēng)燒結(jié)。燒結(jié)機(jī)主抽風(fēng)量約 110×104 m³ /h，經(jīng)過風(fēng)量平衡計算，熱風(fēng)需鼓入 205 m² （11 個風(fēng)箱跨度面積）燒結(jié)機(jī)料面以滿足要求。太鋼 450 m² 燒結(jié)機(jī)采取在點火爐后6—16 號風(fēng)箱安裝熱風(fēng)罩來進(jìn)行熱風(fēng)燒結(jié)工藝改造。

3）第三部分：18—24 號環(huán)冷機(jī)風(fēng)箱對應(yīng)上罩覆蓋 5 號、6 號冷卻風(fēng)機(jī)，其廢氣平均溫度約 100 ℃，通 過管道引入 3 號、4 號冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)口，實現(xiàn)冷卻風(fēng)循環(huán)利用和環(huán)冷機(jī)顆粒物零排放。

1.2 燒結(jié)機(jī)熱風(fēng)罩及進(jìn)風(fēng)風(fēng)道流場分布計算

熱風(fēng)燒結(jié)風(fēng)道系統(tǒng)與點火爐后 11 個燒結(jié)機(jī)臺車熱風(fēng)罩相連。熱風(fēng)由母管分配進(jìn)入各自獨(dú)立的 11 根支管，最后由各自風(fēng)罩流出^[5]。母管是由三段不同直徑管段相互串聯(lián)所組成。支管 1—4 號與粗管相連，支管 5—8 號與中管相連，支管 9—11 號與細(xì)管相連，11個支管的水平中心與母管水平中心保持相同。熱風(fēng)支管與燒結(jié)機(jī)熱風(fēng)罩連接示意圖如圖 2 所示。

1.3 熱風(fēng)管道系統(tǒng)計算模型

圖 3 為燒結(jié)機(jī) 11 個熱風(fēng)支管的氣體體積流量模擬計算結(jié)果。

由圖 3 可知，8 號支管氣體流量最大，3 號支管氣體流量最小。這是由于煙氣在母管內(nèi)的流動是由 1 號支管逐漸流向 11 號支管，導(dǎo)致流速改變。

圖 4 表示在 3 個不同支管截面處的氣體速度變化。其中，2 號支管連接始端的粗徑母管，7 號支管連接中端的中徑母管，10 號支管連接末端的細(xì)徑母管。

由圖 4 可知，盡管母管管徑已優(yōu)化匹配，但支管流速仍有所差別，為消除流量差異，在 11 個熱風(fēng)支管上分別安裝電動調(diào)節(jié)閥及流量實時監(jiān)測裝置，通過閥門開度控制實現(xiàn)熱風(fēng)流量最佳匹配^[6-7]。

2 實踐效果

2.1 燒結(jié)礦主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

太鋼 450 m² 燒結(jié)含鐵原料主要有太鋼自產(chǎn)鐵礦粉 A（典型的高品位磁鐵精粉）、鐵礦粉 B（赤鐵礦、磁鐵礦構(gòu)成的混合型鐵精粉）、鐵礦粉 C（高品位磁鐵精粉）、礦粉 D（赤鐵礦）和綜合粉（一種二次回收的以磁鐵礦為主的混合型含鐵為原料），5 種含鐵原料的主要化學(xué)組成如表 1 所示。太鋼 450 m² 燒結(jié)鐵料配礦方案及生產(chǎn)配料方案分別如表 2、表 3 所示。

對比太鋼 450 m² 燒結(jié)熱風(fēng)循環(huán)梯級利用技術(shù)應(yīng)用前后燒結(jié)礦固體燃料消耗和主要物理化學(xué)指標(biāo)，具體數(shù)據(jù)如表 4 所示。

從表 4 可知，投用熱風(fēng)循環(huán)梯級利用技術(shù)后，燒結(jié)礦質(zhì)量及能耗指標(biāo)得到改善^[8]。其中，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和平均粒徑分別提高 0.84%和 0.6 mm，燒結(jié)礦w（FeO）及返礦率分別降低 0.35%和 1.1%。固體燃料消耗由 41.17 kg/t 降低為 40.58 kg/t，降低 0.59 kg/t。

研究數(shù)據(jù)表明，環(huán)冷機(jī)熱風(fēng)替代常溫空氣參與燒結(jié)過程后，料面表層物理熱增加，有效節(jié)省了固體燃料消耗，同時大大減輕了因急冷造成的燒結(jié)礦表層強(qiáng)度降低程度，燒結(jié)層上下熱量和溫度趨于均勻分布，避免了急冷應(yīng)力的破壞，燒結(jié)礦結(jié)晶更加充分，改善了表層燒結(jié)礦質(zhì)量，返礦率降低。固體燃料消耗降低后，有利于燒結(jié)過程氧化氣氛的增強(qiáng)，還原區(qū)相對減少，燒結(jié)礦中 FeO 含量降低，燒結(jié)礦還原性指標(biāo)得到改善。

2.2 環(huán)境效益

太鋼環(huán)冷機(jī)廢氣全部得到回收，經(jīng)電除塵再進(jìn)入燒結(jié)機(jī)料面參加燒結(jié)過程，出口顆粒物質(zhì)量濃度由20 mg/m³ 降低為 3 mg/m³。廢氣最終由抽風(fēng)系統(tǒng)、脫硫脫硝系統(tǒng)進(jìn)行處理，符合超低排放標(biāo)準(zhǔn)后外排大氣^[9]。

熱風(fēng)循環(huán)梯級利用技術(shù)實施后，按照環(huán)冷機(jī)實際運(yùn)行 3 臺冷卻風(fēng)機(jī)（每臺 50×104 m³ /h 風(fēng)量）計算，每年可減少環(huán)冷機(jī)直排廢氣 131.4×108 m³，減少有害粉塵外排 223 t，環(huán)境效益顯著^[10]。

3 存在的問題及改進(jìn)思路

投用熱風(fēng)循環(huán)梯級利用技術(shù)后，環(huán)冷機(jī)熱煙氣取代常溫空氣參與燒結(jié)化學(xué)反應(yīng)過程，抽風(fēng)空氣溫度由20 ℃升高至約 200 ℃，根據(jù)熱力學(xué)方程計算，熱風(fēng)體積膨脹為原來的 1.5 倍。在燒結(jié)料層抽入空氣體積不變的情況下，空氣提供的氧氣降為熱風(fēng)燒結(jié)前的91%，不利于固體燃料的充分燃燒^[11]。因此，在氧氣資源富裕條件下，可考慮在熱煙氣中進(jìn)行富氧，進(jìn)一步提高燒結(jié)礦質(zhì)量，并降低固體燃耗。

4 結(jié)論

1）應(yīng)用熱風(fēng)循環(huán)梯級利用技術(shù)后，燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)明顯改善。燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度提高 0.84%，w（FeO）降低 0.35%，返礦率降低 1.10%，為高爐生產(chǎn)提供了更為優(yōu)質(zhì)的爐料。

2）熱風(fēng)循環(huán)梯級利用技術(shù)環(huán)境效益顯著，可解決環(huán)冷機(jī)廢氣無組織排放的難題，余熱能得到充分利用，可實現(xiàn)節(jié)能減排的效果，太鋼 450 m² 燒結(jié)可減少顆粒物排放約 223 t/a。

3）熱煙氣參與燒結(jié)過程存在氧體積含量下降的問題，若想進(jìn)一步提高燒結(jié)礦質(zhì)量及降低能耗，可考慮通過富氧熱風(fēng)匹配生產(chǎn)予以解決。

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