于浩平 王 亮 王岳飛 姜 林

(河北鋼鐵集團(tuán)邯鋼公司邯寶煉鐵廠，河北 邯鄲 056003)

0 引言

當(dāng)前大氣污染治理受到高度重視，鋼鐵工業(yè)煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)苛，廢氣治理力度不斷加大，為滿足超低排放要求，脫硫、脫硝、二噁英等廢氣治理設(shè)施逐漸普及[1]。燒結(jié)工序是鋼鐵行業(yè)的主要廢氣排放源，其煙氣排放量占鋼鐵生產(chǎn)總排放量40%左右，燒結(jié)工序能耗占鋼鐵企業(yè)總能耗的9%～12%，僅次于煉鐵工序[2]。為削減燒結(jié)廢氣排放控制污染及利用燒結(jié)煙氣的余熱，燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)逐漸興起。

1 煙氣循環(huán)利用技術(shù)設(shè)計背景

燒結(jié)煙氣治理作為鋼鐵行業(yè)污染物控制的重要內(nèi)容，河鋼邯寶煉鐵廠兩臺360 m2燒結(jié)機煙氣原有處理方式為濕式石灰石-石膏法脫硫，脫硫效果不穩(wěn)定且沒有脫硝設(shè)施，無法達(dá)到環(huán)保超低排放要求。2016年對燒結(jié)機煙氣處理設(shè)施進(jìn)行了改造，采用逆流式活性炭脫硫脫硝一體化技術(shù),1#360 m2燒結(jié)機脫硫脫硝裝置于2018年2月建成，投產(chǎn)后煙氣能夠穩(wěn)定達(dá)到超低排放要求。2#360 m2燒結(jié)機煙氣仍使用原有的濕法脫硫方式，為使2#360 m2燒結(jié)機煙氣盡快達(dá)到超低排放并充分利用活性炭脫硫脫硝一體化裝置富余能力，2018年4月開始采取“一拖二”運行模式，即：一套活性炭脫硫脫硝一體化裝置同時處理兩臺360 m2燒結(jié)機煙氣，運行模式見圖1。

圖1 燒結(jié)煙氣“一拖二”處理模式

在滿足超低排放的要求下，受燒結(jié)機頭煙氣“一拖二”模式處理煙氣總量的限制，單臺增壓風(fēng)機能處理的最大煙氣量為90萬Nm3/min,兩臺燒結(jié)機均達(dá)不到滿負(fù)荷生產(chǎn)，而且燒結(jié)機大煙道高溫段煙氣余熱沒有利用，活性炭脫硫脫硝系統(tǒng)吸附塔入口煙氣溫度高，需兌冷風(fēng)降溫造成系統(tǒng)無效風(fēng)增加。

為達(dá)到提產(chǎn)和節(jié)能減排要求，2018年6月份開始選用燒結(jié)煙氣選擇性循環(huán)凈化與余熱利用技術(shù)，燒結(jié)機煙氣循環(huán)工藝是選擇性地將燒結(jié)過程排放的部分煙氣返回點火爐后的臺車上部密封罩中循環(huán)使用的一種熱風(fēng)燒結(jié)方法。廢氣中的有害成分再進(jìn)入燒結(jié)層中被熱分解或轉(zhuǎn)化，二噁英和NOx部分消除，抑制NOx的生成；粉塵和SOx被燒結(jié)層捕獲，減少粉塵、SOx的排放量；煙氣中的CO作為燃料使用，可降低固體燃耗[3]。另外，煙氣選擇性循環(huán)利用技術(shù)減少了煙囪排放的煙氣量，降低了煙氣凈化系統(tǒng)的負(fù)荷，保證了燒結(jié)煙氣超低排放達(dá)標(biāo)。

2 煙氣循環(huán)利用技術(shù)實施

2.1 燒結(jié)機煙氣特征及風(fēng)箱取氣方案制定

360 m2燒結(jié)機為雙煙道設(shè)計，主抽風(fēng)機工況風(fēng)量2×18 000 m3/min,共24個風(fēng)箱。2018年2月對燒結(jié)機風(fēng)箱支管開孔取樣檢測煙氣溫度、壓力、流量及煙氣成分等參數(shù)見表1、圖2、圖3。

表1 燒結(jié)機風(fēng)箱支管開孔取樣檢測煙氣參數(shù)

圖2 風(fēng)箱煙氣中SO2、溫度、NOx分布實測值

圖3 風(fēng)箱煙氣中O2、CO2、CO分布實測值

依托研發(fā)單位對360 m2燒結(jié)機工況條件燒結(jié)過程數(shù)值模擬及實際情況，確定取風(fēng)方案：

1)頭段風(fēng)箱，高氧含量，但為保證微負(fù)壓點火，風(fēng)箱風(fēng)量調(diào)節(jié)閥為微開或關(guān)閉狀態(tài)，不方便取風(fēng)；

2)尾段風(fēng)箱，高氧含量，低SO2、溫度高，作為主要風(fēng)箱進(jìn)行取氣；4#～8# 風(fēng)箱為低O2，低溫、低NOx，作為對高溫?zé)煔獾臏囟绕胶猓?/p>

3)頭部中段風(fēng)箱對應(yīng)的料面無覆蓋，可觀察燒結(jié)料面和點火保溫情況；尾部中段3個風(fēng)箱對應(yīng)的料面無覆蓋，便于補充自然空氣對BTP位置后的燒結(jié)料進(jìn)行冷卻，也便于進(jìn)行臺車更換作業(yè)；尾部風(fēng)箱對應(yīng)的料面為機尾密封罩。

最終確定為：1#機選取低溫區(qū)頭部中段5個、高溫區(qū)尾部中段4個，共9個風(fēng)箱進(jìn)行循環(huán), 密封罩覆蓋在中段風(fēng)箱，循環(huán)風(fēng)機功率為5 000 kW,通過部分開啟密封罩頂部冷風(fēng)閥，可滿足含氧量大于18%的要求，大煙道煙氣溫度高于110 ℃，循環(huán)煙氣溫度200 ℃左右。2#機選取低溫區(qū)頭部中段3個、高溫區(qū)尾部中段5個，共8個風(fēng)箱進(jìn)行循環(huán), 密封罩覆蓋在中段風(fēng)箱；循環(huán)風(fēng)機功率為4 000 kW,通過部分開啟密封罩頂部冷風(fēng)閥，可滿足含氧量大于18%的要求，大煙道煙氣溫度高于110 ℃，循環(huán)煙氣溫度220 ℃左右。

在進(jìn)入密封罩內(nèi)的煙氣含氧量不足18%時，優(yōu)先考慮煙氣含氧量，確保燒結(jié)工藝不受影響，其次考慮煙氣溫度。當(dāng)密封罩內(nèi)負(fù)壓增大、含氧量低于18%時，循環(huán)系統(tǒng)自動開啟密封罩頂部冷風(fēng)閥兌冷風(fēng)，直至恢復(fù)正常工況。利用控制系統(tǒng)和風(fēng)氧平衡編寫控制命令，可以實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)冷風(fēng)閥的開啟關(guān)閉來滿足循環(huán)煙氣含氧量的不足。

2.2 煙氣循環(huán)關(guān)鍵設(shè)備

燒結(jié)煙氣選擇性循環(huán)系統(tǒng)主要有風(fēng)箱支管煙氣取氣及循環(huán)煙道、循環(huán)風(fēng)機、多管除塵器、新風(fēng)系統(tǒng)、煙氣回氣及密封煙罩和儀表電氣控制系統(tǒng)組成，見圖4。

圖4 煙氣循環(huán)風(fēng)箱取氣示意圖

每個風(fēng)箱支管都可以在“循環(huán)投運”和“循環(huán)離線”之間切換，便于各臺燒結(jié)機根據(jù)其煙氣特性進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)控。受廠房位置影響，取氣煙道布置在兩側(cè)風(fēng)箱支管一側(cè)，通過翻板閥實現(xiàn)兩側(cè)風(fēng)箱的切換，為防止積料堵翻板，設(shè)置了卸灰斗，見圖5。

圖5 循環(huán)煙氣煙道現(xiàn)場圖

循環(huán)風(fēng)機：不僅用于生產(chǎn)，還為燒結(jié)循環(huán)煙氣提供動力，克服煙氣在管道輸送過程的阻力。

多管除塵器：將煙氣中顆粒物控制在合適水平，減少循環(huán)風(fēng)機和后續(xù)管路系統(tǒng)的磨損。收集的灰塵通過氣力輸送設(shè)備到配混除塵灰倉中。

多管金屬旋風(fēng)除塵器：利用氣流做旋轉(zhuǎn)運動，借助離心力，使煙塵分離。

F=MV2/R

(1)

式中：F—離心力；m—質(zhì)量；V—流速；R—旋風(fēng)半徑。

把許多小直徑的陶瓷旋風(fēng)子并聯(lián)組合在鐵皮箱內(nèi)，合用一個進(jìn)風(fēng)口，灰斗，進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口用斜隔板阻擋，保證每個旋風(fēng)子風(fēng)量均勻。

循環(huán)煙氣罩：作用是將循環(huán)煙氣均勻分配到料面上，循環(huán)煙氣罩為負(fù)壓吸附式，外觀為拱形結(jié)構(gòu)，通過立柱支撐燒結(jié)臺車上面，比臺車欄板高60 mm,密封為煙氣罩與欄板交界處，兩端為鋼板密封，并前后設(shè)有觀察門，當(dāng)煙氣循環(huán)關(guān)閉后，打開觀察門取風(fēng)。

2.3 煙氣循環(huán)項目調(diào)試過程

工程單臺計劃建設(shè)周期為180天，1#燒結(jié)機實際建設(shè)用時5個月，2#燒結(jié)機實際建設(shè)用時5個月。煙氣循環(huán)建成后的調(diào)試工作主要分3個階段進(jìn)行：

第一階段：單機冷態(tài)調(diào)試，燒結(jié)機停車對接循環(huán)管道，所有設(shè)備運轉(zhuǎn)正常。

第二階段：聯(lián)機熱調(diào)試，燒結(jié)機開機后循環(huán)系統(tǒng)開啟，調(diào)試設(shè)備至運轉(zhuǎn)正常，逐天投運4、5、6、20、21、22、23、24號風(fēng)箱，循環(huán)系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行，見圖6。

圖6 燒結(jié)床層阻力示意圖

第二階段的調(diào)試重點是風(fēng)機匹配，要求主煙道和循環(huán)煙道負(fù)壓匹配，目標(biāo)是提高循環(huán)煙氣量，難點是保證煙氣罩內(nèi)負(fù)壓。煙氣罩負(fù)壓影響因素有：循環(huán)煙氣量(風(fēng)門、轉(zhuǎn)速)、主抽風(fēng)量(風(fēng)門、脫硫)、床層透氣性(料層高度、配比)等，通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)，保證煙氣罩內(nèi)負(fù)壓，為氣體提供穿透床層的動力。通過一步步調(diào)試風(fēng)機已基本匹配，主煙道負(fù)壓在-13～-15 kPa，循環(huán)煙道負(fù)壓略小于主煙道，且將進(jìn)一步提高。循環(huán)煙道負(fù)壓主要受風(fēng)機轉(zhuǎn)速影響，循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)數(shù)高于1 240 r/min可保證管道負(fù)壓小于-13 kPa，具體如圖7所示。

圖7 2#燒結(jié)機主煙道和循環(huán)煙道負(fù)壓匹配圖

圖8 2#燒結(jié)機循環(huán)煙道負(fù)壓隨循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速變化圖

3 應(yīng)用效果

3.1 煙氣循環(huán)運行參數(shù)

從表2中可以看出，循環(huán)煙氣量在17.5～28.1萬m3/h，循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速在1 256～1 308 r/min，循環(huán)煙溫在216～231 ℃，煙氣罩氧含量大于17.3%。

表2 煙氣循環(huán)運行參數(shù)

3.2 提產(chǎn)降耗效果

煙氣循環(huán)投用后，煙氣循環(huán)率平均為18.63%，循環(huán)量為15.77 萬Nm3/h；總處理風(fēng)量由75 萬Nm3/h提高到84.66 Nm3/h；綜合上料量從570 t/h提高到606 t/h,燒結(jié)礦產(chǎn)量提高了635 t/d;燒結(jié)燃耗降低5.07 kg/t。

表3 提產(chǎn)降耗參數(shù)表

3.3 節(jié)能減排效果

表4 燒結(jié)機煙氣循環(huán)投用前后排放數(shù)據(jù)表(時間以單月計算)

煙氣循環(huán)投用后：燒結(jié)出口污染物減排效果顯著，其中煙氣中SO2濃度減排1.3%，煙氣中NOX濃度減排7.1%，煙氣中CO濃度減排23.26%。通過該技術(shù)的應(yīng)用，降低了后續(xù)污染物控制設(shè)施的運行負(fù)荷和運行成本，實現(xiàn)節(jié)能減排，改善了環(huán)境空氣質(zhì)量指標(biāo)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會效益。

4 技術(shù)改進(jìn)及總結(jié)

投用一年后發(fā)現(xiàn)室外煙氣總管道容易積灰卡料；風(fēng)箱支管蝶閥位置容易卡料堵灰；煙氣密封罩內(nèi)部支撐復(fù)雜造成檢修更換箅條困難，更換箅條之前需要轉(zhuǎn)車13次，嚴(yán)重影響燒結(jié)機檢修進(jìn)度。改造前后對比見圖9。

圖9 取氣支管改造前后對比圖

1)燒結(jié)機將水平取氣支管改為傾斜向上，在取氣主管上容易集料部位設(shè)置散料收集漏斗，同時通過優(yōu)化程序，設(shè)置閥門開啟時序，定時輪換閥門開閉，防止閥門長期關(guān)閉狀態(tài)下積料卡阻。檢修過程中，定期清理閥門閥板周圍積料，避免余料積累卡阻閥板。

2)針對室外總煙氣管道大面積積灰問題，在之前5個卸灰斗的基礎(chǔ)上，再在管道末端(高溫區(qū)風(fēng)箱)每個支管對應(yīng)煙道下方新增3個灰斗，設(shè)置卸灰閥按時序開關(guān)放料，減少管道積灰，見圖10。

圖10 室外煙氣管道及各支管新增卸灰斗圖

3)針對煙氣密封罩內(nèi)部支撐復(fù)雜，檢修更換箅條困難問題，通過大修改變內(nèi)支撐式煙氣密封罩改為外筋板式煙氣煙氣密封罩結(jié)構(gòu)，既簡化了結(jié)構(gòu)，又可方便檢修作業(yè)。另外在煙氣循環(huán)罩內(nèi)部兩側(cè)加掛鉤，通過導(dǎo)鏈拆欄板，減少轉(zhuǎn)臺車次數(shù)，以免影響其他檢修項目，見圖11。

圖11 煙氣密封罩改造前后對比圖

5 結(jié)語

當(dāng)下環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，燒結(jié)煙氣循環(huán)利用作為一項有效治理煙氣的技術(shù)，在燒結(jié)工序生產(chǎn)中逐步得到推廣應(yīng)用。邯寶煉鐵廠360 m2燒結(jié)通過采用煙氣選擇性循環(huán)節(jié)能減排技術(shù)，可實現(xiàn)煙氣循環(huán)率達(dá)到25.88%，日產(chǎn)燒結(jié)礦提高623 t，燒結(jié)固體燃耗降低了5.07 kg/t。有效利用了燒結(jié)機部分廢氣。燒結(jié)外排總煙氣量、CO外排總量、NOx外排總量明顯降低，燒結(jié)噸礦固體燃料消耗降低，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓系數(shù)、含硫量等理化指標(biāo)穩(wěn)定。同時，送入后續(xù)煙氣治理工序煙氣中的SOx、NOx等得到有效富集，也提高了煙氣治理工序的脫除效率。通過該技術(shù)的應(yīng)用，降低了后續(xù)污染物控制設(shè)施的運行負(fù)荷和運行成本，實現(xiàn)節(jié)能減排，改善了環(huán)境空氣質(zhì)量指標(biāo)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會效益。燒結(jié)機大煙道高溫段煙氣余熱得到充分利用，并且實現(xiàn)了燒結(jié)工藝污染物的源頭減排和過程控制，為鋼鐵行業(yè)污染物超低排放提供了新的技術(shù)路線，將促進(jìn)鋼鐵行業(yè)燒結(jié)煙氣節(jié)能減排相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4]。