一種用于熱態(tài)礦物塊狀顆粒的圓柱形冷卻裝置

羅 浩 彭志堅

(1:中冶南方武漢鋼鐵設計研究有限公司 湖北武漢430080; 2:武漢科技大學 湖北武漢430081)

一種用于熱態(tài)礦物塊狀顆粒的圓柱形冷卻裝置

羅 浩1彭志堅2

(1:中冶南方武漢鋼鐵設計研究有限公司 湖北武漢430080; 2:武漢科技大學 湖北武漢430081)

介紹了一種適用于燒結(jié)、球團、石灰窯等熱態(tài)礦物塊狀顆粒的專利技術(shù)-圓柱形冷卻裝置，該技術(shù)對比環(huán)式冷卻機、干熄焦爐等具有占地小、無漏風、熱利用率高、建設成本低等特點。通過在濟鋼球團廠的應用實踐以及優(yōu)化設計，已經(jīng)具備推廣應用的條件，有望實現(xiàn)燒結(jié)工序“零電耗”甚至“負電耗”。

燒結(jié)礦 冷卻裝置 豎冷器 余熱利用

1 前言

近些年來，我國鋼鐵行業(yè)工程技術(shù)人員走出了一條“引進-消化-吸收-改進-創(chuàng)新[1]-輸出”的道路，燒結(jié)球團行業(yè)整體技術(shù)處于世界先進水平，尤其是大型燒結(jié)機、環(huán)冷機實現(xiàn)了技術(shù)和設備的“雙輸出”。

1)目前我國燒結(jié)礦、球團礦冷卻設備主要采用鼓風環(huán)式冷卻機，技術(shù)成熟，運行可靠性高，但平均漏風率高達30%～40%，環(huán)保條件惡劣、余熱回收率低的現(xiàn)象依然存在。國內(nèi)部分企業(yè)開發(fā)出了燒結(jié)環(huán)冷機液態(tài)密封、雙層密封等新技術(shù)，但此類技術(shù)尚處于不斷改進階段，而且存在投資偏高、維護難度大、有跑偏風險等問題。

2)隨著國家對鋼鐵行業(yè)環(huán)保、節(jié)能減排的要求越來越嚴格，各鋼鐵企業(yè)對燒結(jié)球團工序降耗降成本挖潛力度加大，對燒結(jié)球團礦生產(chǎn)過程的余熱利用越來越重視，近幾年來新上的大中型燒結(jié)機項目中，余熱利用裝置幾乎成為“標配”。

3)研究表明，燒結(jié)機主煙道煙氣余熱和冷卻機廢氣余熱兩者之和占燒結(jié)工序能耗的50%，環(huán)冷機占其中的2/3，理論二次能源的產(chǎn)生量為1.62GJ/t[2]。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國燒結(jié)工序余熱利用率還不足30%，與發(fā)達國家差距非常大[3]?？梢?，燒結(jié)廠余熱回收的潛力很大。

4)造成我國燒結(jié)工序余熱利用率低的主要因素有兩個：

(1)目前作為主流設備的環(huán)冷機普遍存在漏風率高，熱損失大等問題。傳統(tǒng)環(huán)冷機發(fā)電量僅達到18kWh/t燒結(jié)礦，即使采用新型的液密封、雙層密封等技術(shù)，也僅達到～30kWh/t燒結(jié)礦；

(2)燒結(jié)大煙道等余熱利用技術(shù)普及率較低，技術(shù)尚未成熟。

5)環(huán)冷機本身的結(jié)構(gòu)特點決定了無法達到高效率回收余熱。環(huán)冷機是全鋼結(jié)構(gòu)體積龐大，而且外形復雜，難以設置保溫措施，高溫的燒結(jié)礦在冷卻過程中有大量的熱能以輻射的方式排到大氣中，此部分熱量損失約是全部熱量的10%～15%。因此，燒結(jié)行業(yè)急需開發(fā)一種緊湊型、全密封的新型環(huán)保高效冷卻設備。筆者通過多年研究及生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，研發(fā)出一種適用于燒結(jié)、球團、石灰窯等熱態(tài)礦物塊狀顆粒的專利冷卻裝置(專利號：ZL201320549286.X)，可彌補環(huán)冷機的不足。

2 燒結(jié)豎式冷卻器與環(huán)冷機的比較

燒結(jié)球團豎式冷器卻作為一種新的冷卻方式，最早2007年應用于濟鋼1#豎爐作為爐外二次冷卻裝置，經(jīng)實踐檢驗，其環(huán)保、熱回收效果良好，使用壽命長(三年未更換過任何部件)，有效解決了豎爐球團礦冷卻、余熱回收的難題；本文介紹的適用于燒結(jié)礦生產(chǎn)的豎式冷卻技術(shù)，針對燒結(jié)礦顆粒及溫度分布不均勻、容易出現(xiàn)布料偏析等問題進行了一系列改進，成功解決了這些難題。

燒結(jié)球團礦豎式冷卻技術(shù)采用對流熱交換機理，物料由錐形布料器(風帽)均勻布料至外套筒內(nèi)，利用重力自由下落過程中與來自內(nèi)套筒的冷卻風進行逆流熱交換，冷卻后的燒結(jié)礦逐步落到下部錐形漏斗內(nèi)，再由拖料設備排出。工藝流程如圖1所示。經(jīng)過冷卻風與熱燒結(jié)礦的逆流熱交換，分別獲得150℃以下的燒結(jié)礦和400℃以上的熱廢氣，熱廢氣可用于產(chǎn)生蒸汽并網(wǎng)發(fā)電。

2.1 豎冷器與環(huán)冷機主要參數(shù)對比

傳統(tǒng)環(huán)冷機的密封原理是分離式設備之間依靠金屬和橡膠皮進行滑觸密封，該方式不可避免地在使用過程中產(chǎn)生漏風；而豎冷器是全封閉結(jié)構(gòu)，燒結(jié)礦從燒結(jié)機尾部通過排礦溜槽直接進入豎冷器，生產(chǎn)可靠性高，不易出故障，同時占地緊湊，外部可添加保溫措施，熱損耗低。

圖1 燒結(jié)球團豎冷器工藝流程示意圖

1-熱燒結(jié)礦受料斗; 2-外套筒熱廢氣匯集腔; 3-風帽及內(nèi)風筒; 4-燒結(jié)礦匯集腔; 5-熱廢氣出口管; 6-錐形漏斗

表1是198m2燒結(jié)機配套豎式冷卻器與環(huán)冷機的主要參數(shù)比較。

2.2 燒結(jié)豎式冷卻器對比環(huán)冷機的優(yōu)點

1)環(huán)保：燒結(jié)礦通過單輥破碎機排礦溜槽直接進入豎冷器，利用料層的重力和底部拖料裝置的摩擦力向下運動，全過程處于密封狀態(tài)，無漏風點，大部分熱廢氣參與循環(huán)利用，多余廢氣經(jīng)布袋除塵后達標排放，因此徹底解決了傳統(tǒng)環(huán)冷機漏風、低溫段煙氣直排導致粉塵污染的難題，環(huán)保效果好。

2)節(jié)能：燒結(jié)礦在豎冷器里冷卻全過程無漏風現(xiàn)象，停留時間比環(huán)冷機長，而且冷卻風僅需垂直穿過～1.5m厚的料層，料層阻力與環(huán)冷機相當，因此冷卻所需電耗遠低于環(huán)冷機等設備。

3)設備可靠性高、故障率低。豎冷器的可靠性、耐磨性在濟鋼已經(jīng)得到了驗證，通過在濟鋼一號豎爐球團的配套使用，整體部件連續(xù)工作3年無損壞無更換。豎冷器風帽、套筒采用了耐熱耐磨合金材料，結(jié)構(gòu)形式充分考慮到在高溫條件下熱應力對其產(chǎn)生的影響，因此使用壽命較長，不易變形。

表1 198m2燒結(jié)機冷卻方式主要參數(shù)對比

4)采取偏析布料等措施，大顆粒布置在套筒內(nèi)側(cè)，小顆粒布置在外側(cè)，因此鼓風冷卻過程中不會出現(xiàn)套筒堵塞、卡料等現(xiàn)象。

5)設備重量輕于環(huán)冷機，投資成本增加幅度小。

燒結(jié)機豎式冷卻器設備總重量約占環(huán)冷機的2/3，單價略高于環(huán)冷機，以198m2燒結(jié)機配套的豎式冷卻器為例，總投資約1500萬元；但與環(huán)冷機相比，年發(fā)電收益增加近3000萬元。

3 燒結(jié)豎冷器與干熄焦爐的比較

干熄爐結(jié)構(gòu)如圖2所示。干熄爐為圓形截面豎式槽體，外殼用鋼板及型鋼制作，內(nèi)襯隔熱耐磨材料，干熄爐頂設置環(huán)形水封槽。干熄爐上部為預存段，中間是斜道區(qū)，下部為冷卻段。冷卻段下部殼體上有兩個進氣口，冷卻段底部安裝有供氣裝置。低溫循環(huán)氣體穿透紅焦進行熱交換，經(jīng)降溫冷卻后排出；循環(huán)氣體將紅焦的顯熱從斜道及環(huán)形氣道排出，并流經(jīng)干熄焦鍋爐進行熱交換。

圖2 干熄爐結(jié)構(gòu)圖

表2是198m2燒結(jié)機配套豎式冷卻器與6m焦爐配套干熄焦的主要參數(shù)比較。

4 燒結(jié)豎式冷卻器的研發(fā)

4.1 燒結(jié)豎式冷卻器有限元分析

為了從理論角度更好的分析豎式冷卻器工作原理及使用效果，特委托中冶南方技術(shù)研究院CAE中心對198m2燒結(jié)配套的豎式冷卻器的冷卻效果進行了多條件下仿真模擬。

主要模擬的變化條件有：豎冷器冷卻風腔有效面積、進風口風溫的變化等。通過對以上參數(shù)的調(diào)整，分析其對冷卻效果的影響程度和趨勢，借以優(yōu)化豎式冷卻器的工藝參數(shù)。

4.1.1 仿真結(jié)果

圖3是豎冷器溫度場分布情況，可以看出熱廢氣匯集區(qū)四周為高溫場，該溫度場特征有利于提高外排熱廢氣溫度；從圖4中可以看出由于冷空氣從底部快速吹入，冷空氣通過錐帽段的空隙對燒結(jié)礦進行冷卻。

通過計算可以得到出口燒結(jié)礦的固體平均溫度是150℃，在未使用循環(huán)熱廢氣的前提下，出口氣體溫度是320℃，考慮到熱輻射加熱功能及根據(jù)能量守恒計算，實際可達350℃以上。

表2 豎冷器對比干熄焦爐

圖3 燒結(jié)礦區(qū)域中間剖面溫度分布云圖

圖4 中間剖面速度流線圖

4.1.2 冷卻空氣入口溫度為60℃時結(jié)果分析

圖5是模擬冷卻空氣入口溫度為60℃時豎冷器溫度場分布情況，可以看出入口熱廢氣溫度提高，外排熱廢氣溫度隨著提升。通過計算可以得到出冷卻段的燒結(jié)礦固體平均溫度是180℃(未考慮熱輻射)，出口氣體溫度是370℃(未考慮熱輻射)。所以，考慮到熱輻射，提高空氣入口速度以及冷卻后燒結(jié)礦在豎冷器底部錐段停留45分鐘可繼續(xù)降溫，因此排礦溫度完全可以達到150℃以下，出口氣體溫度超過400℃。該設備完全可滿足生產(chǎn)工藝要求，所以采用循環(huán)熱廢氣作為冷卻介質(zhì)的方式可行。

4.2 燒結(jié)豎式冷卻器對燒結(jié)礦生產(chǎn)影響的研究

圖5 冷卻空氣入口溫度為60℃時中間剖面速度流線圖

1)有利于提高燒結(jié)礦質(zhì)量、粒度組成及強度

豎冷器上部設有緩沖漏斗，既起到防止漏風的作用，又可調(diào)節(jié)料流，穩(wěn)定生產(chǎn)，從排礦溜槽到冷卻段總儲量可滿足緩沖8～10分鐘，相當于整個燒結(jié)過程所需時間1/4～1/5。750℃甚至更高溫度的燒結(jié)礦在此過程中，未充分反應的燃料、CaCO3、MgCO3、FeCO3、MnCO3等碳酸鹽繼續(xù)發(fā)生化學反應，因此更有利于提高燒結(jié)礦質(zhì)量、粒度組成及強度。

2)豎式冷卻不會增加燒結(jié)礦的粉化

根據(jù)國內(nèi)有關(guān)實驗報告及論文結(jié)果顯示，燒結(jié)礦平均抗壓強度可達20MPa(12.5m堆高)以上[4]，燒結(jié)礦豎冷器設計為矮胖型，最高堆高不超過12m，因此豎冷器不會增加燒結(jié)礦的粉化率；并且根據(jù)燒結(jié)礦粒度偏析原理，大塊度熱燒結(jié)礦布置在豎冷器內(nèi)側(cè)，與冷卻風筒直接接觸，小顆粒礦及粉塵分布在外圍，并且隨著下行過程中逐漸被吹走，因此料柱由上往下的透氣性還會增強，對冷卻極為有利。

5 豎式冷卻器的發(fā)展前景

5.1 國家及地方產(chǎn)業(yè)政策的支持

我國《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》提出優(yōu)化高爐煉鐵爐料結(jié)構(gòu)，降低鐵鋼比。推廣連鑄坯熱送熱裝和直接軋制技術(shù)。推動干熄焦、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣和焦爐煤氣等二次能源高效回收利用，鼓勵燒結(jié)機余熱發(fā)電，到2015年重點大中型企業(yè)余熱余壓利用率達到50%以上。支持大中型鋼鐵企業(yè)建設能源管理中心。

《促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整暫行規(guī)定》、《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導目錄》將余熱發(fā)電列入政策鼓勵類。明確“此類投資項目按照國家有關(guān)投資管理規(guī)定進行備案；各金融機構(gòu)應按照信貸原則提供信貸支持。其他優(yōu)惠政策按國家有關(guān)規(guī)定執(zhí)行?！?/p>

因此，充分采取燒結(jié)節(jié)能措施符合國家節(jié)能減排政策要求，符合企業(yè)降低能耗、提高競爭力的需要。

5.2 豎式冷卻技術(shù)的適用范圍

目前國內(nèi)使用豎式冷卻技術(shù)的主要有石灰窯、球團和焦化行業(yè)。其中，焦化干熄焦爐和球團豎式冷卻器的工作原理類似，余熱回收效率最高。

本豎式冷卻器結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省投資，無二次污染，并且余熱回收效率高，因此不僅作為燒結(jié)礦的冷卻設備，是燒結(jié)行業(yè)的一次技術(shù)革新，在球團、焦化、石灰窯行業(yè)也具有推廣價值。

5.3 經(jīng)濟效益分析

1)直接經(jīng)濟效益

表3 198m2燒結(jié)機豎冷與環(huán)冷經(jīng)濟效益對比

若以回收電價0.5元/kW·h計，使用198m2燒結(jié)機豎式冷卻器年創(chuàng)效益4275萬元，比傳統(tǒng)環(huán)冷機多創(chuàng)收2945萬元。折合每噸燒結(jié)礦降低成本15.5元。

2)節(jié)省電耗

由于豎冷器在工作過程中處于全密封狀態(tài)，無廢氣外泄，無粉塵產(chǎn)生，并且配套鍋爐排出的大部分熱廢氣循環(huán)利用，富余廢氣經(jīng)布袋除塵后達標排放，因此有效解決了環(huán)冷機因設備漏風、三四段廢氣直接排放造成的粉塵污染問題。

豎冷器采用單臺風機進行生產(chǎn)，其裝機容量比環(huán)冷機風機容量總和小10%以上，并且采用變頻器調(diào)節(jié)，綜合電耗降低約25%。

以198m2燒結(jié)機為例，若使用豎式冷卻器作為冷卻設備，僅冷卻風機每年就可節(jié)省電量237.6萬kW·h以上，若按照購電價0.62元/度計算，可節(jié)省成本147.3萬元。

5.4 環(huán)保效益

以198m2燒結(jié)機配套235m2環(huán)冷機計，總風量約為110萬m3/h，環(huán)冷機平均漏風率超過30%，相當于至少漏掉33萬m3/h的熱廢氣，按粉塵濃度100mg/Nm3計算，每年排放粉塵235.5t。因此，環(huán)冷機的漏風不僅嚴重污染了燒結(jié)廠區(qū)，還造成了生產(chǎn)原料的浪費。

6 結(jié)論

1)豎式冷卻器有效解決了生產(chǎn)過程中環(huán)冷機等傳統(tǒng)設備受卸料過程中產(chǎn)生大量的粉塵污染以及設備漏風率高，環(huán)境條件惡劣等問題，大幅提高了燒結(jié)熱礦余熱回收率，降低燒結(jié)礦冷卻工序能耗，以198m2燒結(jié)機為例，若將豎式冷卻器、大煙道的余熱進行發(fā)電，噸礦可發(fā)電45kW·h以上，而燒結(jié)生產(chǎn)噸礦電耗為42kW·h，富余3kW·h輸出，燒結(jié)余熱回收發(fā)電自給自足，完全可實現(xiàn)燒結(jié)礦生產(chǎn)“負電耗”。

2)豎式冷卻器采用鋼結(jié)構(gòu)制作以及利用料磨料原理，設備結(jié)構(gòu)緊湊而且耐磨損，具有運行安全可靠，維修成本低的特點，并且投資成本低，經(jīng)濟效益顯著。

3)燒結(jié)礦豎式冷卻器采取偏析布料等措施，大顆粒布置在套筒內(nèi)側(cè)，小顆粒布置在外側(cè)，因此解決了冷卻過程中套筒堵塞、卡料等現(xiàn)象。

4)豎式冷卻器占地較為緊湊，可以設置在燒結(jié)機室尾部下方，現(xiàn)有采用帶式燒結(jié)機技術(shù)的生產(chǎn)線均符合改造條件。

5)該技術(shù)在燒結(jié)、球團、石灰窯等冷卻熱態(tài)礦物顆粒領域具有很高的應用價值。

[1]唐先覺.我國燒結(jié)機大型化的歷程、現(xiàn)狀及幾點意見[C].2011年度全國燒結(jié)球團技術(shù)年會論文集,2011:5-8.

[2]周繼程等.我國燒結(jié)工序能耗現(xiàn)狀及節(jié)能技術(shù)和措施[J].冶金能源,2010(3):23-25.

[3]王兆鵬，胡曉民.燒結(jié)余熱回收發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].燒結(jié)球團,2008(2):31-32.

[4]邵劍華等.燒結(jié)礦高溫抗壓強度研究[J].鋼鐵,2008(9):12-14.

A Cylindrical Cooling Device for Hot Mineral Particles

Luo Hao Peng Zhijian

(1:WISDRI Wuhan Iron and Steel Design and Research Institute Co., Ltd., Wuhan 430080; 2:Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081)

This article, introduces a patented technology, a cylindrical cooling device, suitable for sintering, pelletizing, lime and other mineral particles, the comparison of the ring cooler technology, CDQ furnace has the characteristics of small footprint, seamless style high thermal efficiency, low cost construction. According to the application of furnace in pellets plant of Jinan Iron and Steel Co., it has been qualified to promote the application，and according to the use of the technology,sintering process is expected to achieve none power consumption or even negative power consumption.

Sinter Cooling device Vertical cooler Waste heat utilization

羅浩，男，1981年出生，2007年畢業(yè)于武漢科技大學礦物加工工程專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)任中冶南方武鋼設計研究院燒結(jié)專業(yè)主任工程師

TF321.4

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.04.002

2014-04-21)