羅浩 汪錫文 崔進(jìn)兵 陳鐵軍

(1：中冶南方武漢鋼鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司 湖北武漢 430080；2：武漢科技大學(xué) 湖北武漢 430080)

1 前言

隨著高爐煉鐵對(duì)于爐料結(jié)構(gòu)的要求越來(lái)越高，球團(tuán)礦由于其品位高、渣鐵比低、利于節(jié)能減排等特點(diǎn)，且生產(chǎn)球團(tuán)礦工序能耗僅為燒結(jié)礦的50%[1]，球團(tuán)礦將成為高爐煉鐵的主要原料。目前，我國(guó)存量球團(tuán)礦生產(chǎn)線主要以鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯工藝為主，生產(chǎn)中50%以上熱量是隨著熱球團(tuán)礦和冷卻空氣帶走，將球團(tuán)礦余熱進(jìn)行回收利用，對(duì)球團(tuán)生產(chǎn)節(jié)能具有重要意義。本文提出鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯-豎冷窯工藝技術(shù)設(shè)想，以望有效減少熱量損失，達(dá)到優(yōu)化工藝、節(jié)能減排的目的。

2 球團(tuán)工藝概述

2.1 球團(tuán)生產(chǎn)工藝的對(duì)比

球團(tuán)礦作為良好的高爐爐料，與高堿度燒結(jié)礦搭配，可以組成高爐合理的爐料結(jié)構(gòu)，使高爐達(dá)到增產(chǎn)、節(jié)能，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的，是鋼鐵生產(chǎn)中重要一環(huán)。歐洲和北美受環(huán)保因素的影響，高爐爐料結(jié)構(gòu)已發(fā)展為高比例球團(tuán)礦，球團(tuán)礦入爐比例普遍在80%以上，尤其是瑞典和芬蘭的鋼鐵企業(yè)，取消燒結(jié)機(jī)，使用全球團(tuán)冶煉。歐美部分鋼鐵公司高爐爐料結(jié)構(gòu)如表1所示[2]。

目前世界上球團(tuán)生產(chǎn)工藝主要有豎爐、帶式焙燒機(jī)和鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯三種，其中豎爐具有投資省、維護(hù)簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但由于技術(shù)投入使用較早，早些年對(duì)環(huán)保和余熱回收不夠重視，造成了環(huán)保差、能耗高等不利印象，并且被國(guó)家發(fā)改委《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)名錄》列為限制類(lèi)生產(chǎn)工藝。帶式焙燒機(jī)技術(shù)源自于奧圖泰等跨國(guó)企業(yè)，具有對(duì)原料適應(yīng)性強(qiáng)、規(guī)模大等優(yōu)點(diǎn)，但投資較大，因此國(guó)內(nèi)存量球團(tuán)礦生產(chǎn)線還是以鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯工藝為主。表2為帶式焙燒機(jī)和鏈篦機(jī)回轉(zhuǎn)窯工藝技術(shù)特點(diǎn)的對(duì)比。

表1 爐料結(jié)構(gòu)和重點(diǎn)指標(biāo)

表2 球團(tuán)焙燒工藝比較

2.2 球團(tuán)礦冷卻方式的對(duì)比

球團(tuán)礦的冷卻是對(duì)球團(tuán)礦的強(qiáng)度至關(guān)重要。目前國(guó)內(nèi)球團(tuán)礦爐外冷卻主要分環(huán)式冷卻、帶式冷卻和豎式冷卻三種，帶式焙燒機(jī)目前以機(jī)上冷卻技術(shù)為主，三種冷卻方式對(duì)比如表3所示。

環(huán)冷機(jī)、帶冷機(jī)等傳統(tǒng)的球團(tuán)冷卻設(shè)備均存在設(shè)備占地面積大、零部件復(fù)雜制造及安裝周期長(zhǎng)，設(shè)備配件較多維修工作量大，維護(hù)費(fèi)用高，電耗高等問(wèn)題；而且由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在運(yùn)行過(guò)程中與風(fēng)箱、煙罩等結(jié)構(gòu)件存在大量的結(jié)合面，導(dǎo)致設(shè)備漏風(fēng)率高，低溫段煙氣溫度較低回收價(jià)值少，一般直接排放。因此導(dǎo)致球團(tuán)冷卻環(huán)節(jié)的余熱回收效率偏低、能源浪費(fèi)較大。

2.3 豎冷窯技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，燒結(jié)礦和球團(tuán)礦生產(chǎn)中豎冷窯的應(yīng)用處于起步階段，只有少數(shù)幾家鋼鐵公司建設(shè)了燒結(jié)和豎爐球團(tuán)用豎冷窯，規(guī)模最大的是為360m2燒結(jié)配套豎冷窯工程。

國(guó)內(nèi)燒結(jié)豎冷窯技術(shù)普遍采用的原理為逆向流動(dòng)原理(冷卻空氣流動(dòng)方向與礦石移動(dòng)方向相反)，該原理源自于干熄焦技術(shù)，相比于環(huán)冷機(jī)使用效果，豎冷窯技術(shù)具有以下特點(diǎn)[4-5]：

1)全封閉工藝，漏風(fēng)率較低，理論余熱回收利用效率更高，可達(dá)90%；

2)冷窯占地面積面積小，相比環(huán)冷機(jī)，同樣處理能力，豎冷窯占地面積僅為環(huán)冷機(jī)的10～20%；

3)大大減少了冷卻風(fēng)量、降低了煙塵排放量，減少建設(shè)投資以及減排投資；

4)揚(yáng)塵少，污染小，環(huán)保效益更為顯著；

5)豎冷窯本體處于工作靜態(tài)狀態(tài)，設(shè)備故障率低，對(duì)比銷(xiāo)齒傳動(dòng)的環(huán)冷機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量更輕；因此，在易磨損部位采用合適的耐磨耐高溫材質(zhì)的情況下，豎冷窯的作業(yè)率更高、可靠性更強(qiáng)。

據(jù)文獻(xiàn)[6]介紹，燒結(jié)豎冷窯運(yùn)行效果良好，天津某鋼鐵公司采用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)噸燒結(jié)礦發(fā)電27kWh，年余熱發(fā)電0.66億kWh，年余熱回收效益4216萬(wàn)元(0.64元/kWh)，相當(dāng)于年減少排放二氧化碳5.56萬(wàn)噸，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

表3 120萬(wàn)噸/年球團(tuán)配套三種冷卻方式對(duì)比

相比燒結(jié)豎冷窯，由于球團(tuán)礦比燒結(jié)礦粒度均勻、強(qiáng)度高、流動(dòng)性強(qiáng)，更不容易出現(xiàn)堵料、偏析等現(xiàn)象；而且球團(tuán)礦粒度均勻、透氣性好，熱交換率高，因此球團(tuán)采用豎冷窯技術(shù)冷卻效果對(duì)比燒結(jié)礦更為成熟。

2018年底由我院參與設(shè)計(jì)的安徽某企業(yè)豎爐球團(tuán)豎式冷卻工程正式投產(chǎn)運(yùn)行，采用新型豎式冷卻技術(shù)，在球團(tuán)排礦溫度平均500℃左右、排礦量70t/h的生產(chǎn)條件下，產(chǎn)生熱廢氣平均風(fēng)溫330～350℃，風(fēng)量8～9萬(wàn)Nm3/h，并成功并網(wǎng)供給燒結(jié)余熱發(fā)電，該項(xiàng)目運(yùn)行一年多，設(shè)備本體無(wú)任何故障，球團(tuán)冷卻均勻性好。

3 鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯-豎冷窯生產(chǎn)工藝特點(diǎn)

3.1 鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯-環(huán)冷機(jī)熱工工藝

從回轉(zhuǎn)窯出來(lái)的球團(tuán)礦外表溫度一般在1000～1100℃，內(nèi)部溫度更是達(dá)到1250℃左右，傳統(tǒng)冷卻方式是采用球團(tuán)型環(huán)冷機(jī)，配套多臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行分段鼓風(fēng)冷卻，其熱工流程如圖1所示。

中小型球團(tuán)環(huán)冷機(jī)一般采用“三段三室式”冷卻制度，即風(fēng)箱設(shè)有一冷段、二冷段以及三冷段，每段設(shè)置有冷卻風(fēng)機(jī)。爐罩對(duì)應(yīng)一冷室產(chǎn)生的～1100℃高溫風(fēng)直接入窯，二冷室產(chǎn)生的～700℃熱風(fēng)直接供鏈篦機(jī)預(yù)熱1段，三冷室產(chǎn)生的～230℃熱風(fēng)直接排放，球團(tuán)顯熱的回收利用率約60～70%。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(guó)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(wèn)題無(wú)法解決等問(wèn)題，運(yùn)輸過(guò)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(duì)該部分球團(tuán)顯熱進(jìn)行回收利用，對(duì)球團(tuán)生產(chǎn)節(jié)能具有重要意義。

3.2 鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯-豎冷窯熱工工藝

球團(tuán)礦豎式冷卻窯采用自上而下室式冷卻，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模可分為三段甚至四段。120萬(wàn)噸/年球團(tuán)豎冷窯一般分為兩室三段，每段風(fēng)溫及風(fēng)量與鏈篦機(jī)熱工需求進(jìn)行匹配，其熱工流程如圖2所示。

一段室產(chǎn)生的～1100℃高溫風(fēng)(約100000Nm3/h)直接入窯，二段室產(chǎn)生的600～700℃熱風(fēng)(約90000Nm3/h)直接供鏈篦機(jī)預(yù)熱1段，三段室產(chǎn)生的300～400℃熱風(fēng)(約150000Nm3/h)，用于采暖等余熱回收，可產(chǎn)生中低溫蒸汽，經(jīng)鍋爐換熱后廢氣用于可一段、二段風(fēng)機(jī)循環(huán)使用。

采用豎冷窯對(duì)球團(tuán)礦進(jìn)行冷卻可有效利用球團(tuán)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的余熱，高中溫用于生產(chǎn)工藝，低溫?zé)犸L(fēng)回收產(chǎn)生蒸汽，例如：120萬(wàn)噸/年球團(tuán)生產(chǎn)線(小時(shí)產(chǎn)量按151t/h)，進(jìn)入豎冷窯第三段時(shí)，球團(tuán)礦平均溫度550～600℃，進(jìn)行熱工計(jì)算，可產(chǎn)生熱廢氣風(fēng)量～18萬(wàn)Nm3/h，風(fēng)溫350～380℃，可配套3200～3500KW機(jī)組，15.8～19t/h蒸汽產(chǎn)量，相當(dāng)于3000千瓦時(shí)發(fā)電量。以上回收利用的熱量，占球團(tuán)顯熱的90%以上，熱回收利用率達(dá)90%。

圖1 鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯-環(huán)冷機(jī)熱工流程示意圖

圖2 鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯-豎冷窯熱工流程示意圖

3.3 鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯-豎冷窯工藝余熱價(jià)值及效益預(yù)期

以球團(tuán)小時(shí)產(chǎn)量為151t，球團(tuán)礦排出溫度約為100～120℃為計(jì)算條件，三段室產(chǎn)生的350～380℃熱風(fēng)量約180000Nm3/h，可配套鍋爐的產(chǎn)生中低溫蒸汽量為：

蒸汽壓力PN1.6MPa(絕壓)，t=330℃，蒸汽的量為：15.8～19t/h，平均17.5t/h，噸礦回收熱量折算為標(biāo)煤：1.16kgcel/t。

余熱回收經(jīng)濟(jì)價(jià)值：按球團(tuán)生產(chǎn)線年工作時(shí)間330天計(jì)算，每年可生產(chǎn)13.86萬(wàn)t蒸汽，若按照蒸汽價(jià)值每噸120元計(jì)算(不同區(qū)域價(jià)格有差異)，即每年可產(chǎn)生直接效益約為：1663.2萬(wàn)元，平均每噸球團(tuán)礦降成本13.86元。若采用環(huán)冷機(jī)則該部分收益為零。

此外，除余熱利用產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益外，豎冷窯在環(huán)保以及冷卻方面的效益同樣十分顯著。由于無(wú)漏風(fēng)，工作環(huán)境大幅提升，占地面積較小節(jié)約用地，降低企業(yè)建設(shè)投資及生產(chǎn)運(yùn)行成本。

4 結(jié)論

1)球團(tuán)豎冷窯工藝占地面積小、漏風(fēng)率低、作業(yè)率高、可靠性強(qiáng)、具有很好的環(huán)保效果，在大幅度降低煙塵排放量的同時(shí)，還可以高效利用球團(tuán)礦的余熱，該技術(shù)有著明顯的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益，發(fā)展前景良好。

2)采用豎冷窯技術(shù)可使鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯工序能耗下降～1.16kgcel/t，每噸球團(tuán)礦降成本約13.86元，總工序能耗接近帶式焙燒機(jī)水平。

3)由于球團(tuán)強(qiáng)度高、均勻性好、流動(dòng)性強(qiáng)、透氣性好，球團(tuán)礦采用豎冷窯技術(shù)冷卻效果比燒結(jié)礦更為成熟。