可調(diào)節(jié)式燒結(jié)煙氣內(nèi)循環(huán)設(shè)備設(shè)計(jì)

孫偉 劉江,2 馬賽,2

(1:北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 北京 100029；2:北京市鋼鐵冶金節(jié)能減排工程技術(shù)研究中心 北京 100029)

1 前言

2019年4月28日，生態(tài)環(huán)境部、國(guó)家發(fā)改委等國(guó)家五部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見(jiàn)》指出，2020年底前，重點(diǎn)區(qū)域鋼鐵企業(yè)超低排放改造取得明顯進(jìn)展，力爭(zhēng)60%左右產(chǎn)能完成改造。要求所有燒結(jié)機(jī)實(shí)施煙氣循環(huán)改造，目的在于降低燒結(jié)煙氣和污染物排放總量，提高能源利用效率。上述環(huán)保法規(guī)的出臺(tái)體現(xiàn)了燒結(jié)污染物排放由濃度控制轉(zhuǎn)向濃度兼顧總量控制的政策導(dǎo)向。

國(guó)外已有多種煙氣循環(huán)工藝對(duì)燒結(jié)煙氣進(jìn)行回收利用，如奧鋼聯(lián)的EPOSINT工藝、荷蘭艾默伊登的EOS工藝、德國(guó)HKM的LEEP工藝，以及日本新日鐵的區(qū)域性廢氣循環(huán)技術(shù)等煙氣循環(huán)工藝，這些工藝主要是從環(huán)保角度出發(fā)，在減少污染物排放、節(jié)約燃料、減少二氧化碳和二噁英排放等方面取得了良好的效果[1]。

不過(guò)歐盟一些廠(chǎng)的燒結(jié)礦在爐料結(jié)構(gòu)中占比小，主要用于處理固廢和平衡堿度，故對(duì)煙氣循環(huán)后是否影響質(zhì)量關(guān)注不足，近些年國(guó)內(nèi)也有部分企業(yè)實(shí)施了燒結(jié)機(jī)大煙道煙氣循環(huán)技術(shù)，實(shí)用效果并不理想。主要原因是循環(huán)煙氣含氧量低，煙氣循環(huán)率低，取風(fēng)方式不正確導(dǎo)致無(wú)法調(diào)整取風(fēng)量和循環(huán)風(fēng)品質(zhì)。而且在循環(huán)系統(tǒng)有問(wèn)題或檢修時(shí)和原系統(tǒng)不能隨時(shí)切換，影響燒結(jié)原系統(tǒng)正常使用。

從2014年公司開(kāi)始了燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝研究，歷時(shí)多年，攻克了燒結(jié)過(guò)程煙氣循環(huán)的工藝?yán)碚?、煙氣循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、核心設(shè)備技術(shù)等一系列重大技術(shù)難題，形成了一整套適合中國(guó)國(guó)情的燒結(jié)煙氣循環(huán)的關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行生產(chǎn)跟蹤、研究和完善，經(jīng)受了生產(chǎn)實(shí)踐的檢驗(yàn)，取得了燒結(jié)技術(shù)的重大突破。

2 設(shè)計(jì)理念

燒結(jié)機(jī)要求循環(huán)≥30%燒結(jié)廢氣，減輕脫硫脫硝系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，達(dá)到環(huán)保新要求，燒結(jié)固體燃料消耗降低3～5kg/t燒結(jié)礦，增加煙氣循環(huán)后，燒結(jié)機(jī)的產(chǎn)量在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加10%左右，以不影響燒結(jié)礦質(zhì)量，不影響燒結(jié)生產(chǎn)(大煙道溫度不降低)為前提，通過(guò)先進(jìn)成熟的工藝方案設(shè)計(jì)，解決傳統(tǒng)煙氣循環(huán)系統(tǒng)存在的無(wú)法調(diào)節(jié)循環(huán)煙氣取風(fēng)比例和含氧量的參數(shù)，在燒結(jié)循環(huán)系統(tǒng)檢修或故障時(shí)無(wú)法隨時(shí)切換的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)降低燒結(jié)固體燃料消耗和減少污染物排放總量的項(xiàng)目目標(biāo)。

3 工藝方案

3.1 概述

煙氣循環(huán)燒結(jié)工藝采用的內(nèi)循環(huán)工藝是指由新增抽風(fēng)機(jī)將溫度較高、O2含量較高、SO2含量較低的風(fēng)箱煙氣直接抽入新增的循環(huán)煙道，經(jīng)過(guò)多管除塵器除塵后進(jìn)入燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(chē)面的循環(huán)煙氣罩內(nèi)，通過(guò)料層參與燒結(jié)過(guò)程。

為減少燒結(jié)煙氣排放量以減輕排放負(fù)荷和降低煙氣處理成本、降低固體燃耗等，提出了在燒結(jié)實(shí)施大煙道煙氣循環(huán)的工藝思路。煙氣利用原則：

1)煙氣循環(huán)系統(tǒng)分為熱段和冷段兩部分，熱段引機(jī)尾高溫、高氧煙氣；冷段引機(jī)頭低溫、低氧煙氣。

2)熱段利用燒結(jié)機(jī)尾部的高溫廢氣，循環(huán)至燒結(jié)機(jī)頭位置利用，實(shí)現(xiàn)廢氣總量減排，改善燒結(jié)表層燒結(jié)礦質(zhì)量，以熱量輸入降低固體燃料消耗。

3)熱段取氣的氧含量在18%以上，煙氣溫度200℃以上，以保證燒結(jié)礦質(zhì)量[2]。

4)冷段利用燒結(jié)機(jī)機(jī)頭的低溫廢氣，循環(huán)至熱段煙氣罩后，補(bǔ)充熱段煙氣循環(huán)量，實(shí)現(xiàn)煙氣循環(huán)量30%，同時(shí)保證大煙道溫度不降低。

3.2 煙氣循環(huán)技術(shù)方案

針對(duì)某鋼鐵265平燒結(jié)機(jī)現(xiàn)狀，初步選擇為4#～8#、25#～27#風(fēng)箱支管增設(shè)切換閥，使煙氣可進(jìn)入脫硫煙道(兩根常規(guī)大煙道均脫硫)也可以進(jìn)入循環(huán)煙道。具體技術(shù)方案如表1。

表1 265帶式燒結(jié)機(jī)煙氣循環(huán)方案

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果:經(jīng)過(guò)燒結(jié)臺(tái)車(chē)熱風(fēng)的氧含量體積濃度達(dá)到15%時(shí)，對(duì)燒結(jié)礦的產(chǎn)質(zhì)量影響較大，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度下降約8%，當(dāng)濃度達(dá)到18%以上時(shí)，對(duì)燒結(jié)礦的產(chǎn)質(zhì)量影響不大，產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足高爐的要求。為保證燒結(jié)生產(chǎn)的產(chǎn)質(zhì)量，熱段循環(huán)煙氣含氧量須按18%以上進(jìn)行控制，因此燒結(jié)煙氣應(yīng)盡量選擇O2含量高、SO2低的風(fēng)箱進(jìn)行取風(fēng)。

循環(huán)煙氣工藝是利用燒結(jié)高溫?zé)釓U氣提高料溫、減少過(guò)濕帶影響、改善臺(tái)車(chē)表層成礦質(zhì)量、降低燃料消耗的有效途徑[3]。

采用循環(huán)煙氣燒結(jié)后，由于空氣經(jīng)過(guò)預(yù)熱，燒結(jié)過(guò)程加速，固體燃料消耗減少。同時(shí)，改善了燒結(jié)礦的強(qiáng)度。

冷段主要目的在于保證大煙道溫度和補(bǔ)充熱段煙氣循環(huán)量。

3.3 煙氣循環(huán)設(shè)計(jì)方案

圖1為265平燒結(jié)機(jī)燒結(jié)煙氣循環(huán)建議方案(示意圖)。煙氣循環(huán)燒結(jié)工藝系統(tǒng)的煙氣由兩部分組成：燒結(jié)循環(huán)煙氣在選取的風(fēng)箱支管取風(fēng)，燒結(jié)尾部25#-27#風(fēng)箱高溫且氧含量較高煙氣經(jīng)多管除塵器除塵后進(jìn)入燒結(jié)機(jī)前部上罩；燒結(jié)前部4#-8#低溫且氧含量較低煙氣經(jīng)多管或旋風(fēng)除塵器后進(jìn)入燒結(jié)尾部循環(huán)煙氣罩。

圖1 燒結(jié)煙氣循環(huán)方案(示意圖)1-燒結(jié)風(fēng)箱;2-熱段煙氣切換閥;3-熱段除塵器;4-熱段循環(huán)風(fēng)機(jī);5-冷段煙氣罩;6-冷段煙氣切換閥；7-冷段除塵器；8-冷段循環(huán)風(fēng)機(jī)；9-熱段煙氣罩

在4#～8#、25#～27#風(fēng)箱支管增設(shè)切換閥，使煙氣可進(jìn)入脫硫煙道也可以進(jìn)入循環(huán)煙道，以保證煙氣循環(huán)燒結(jié)工藝的可靠運(yùn)行。

3.4 工藝及設(shè)備選型計(jì)算

某鋼鐵265平燒結(jié)機(jī)常規(guī)配置為兩臺(tái)主抽風(fēng)機(jī)，每臺(tái)工況條件如下：進(jìn)口負(fù)壓17000Pa，出口正壓500Pa，工況風(fēng)量30000m3/min(150℃)。

3.4.1 風(fēng)量及氧量平衡計(jì)算

考慮到除機(jī)頭的點(diǎn)火保溫爐及機(jī)尾的除塵罩對(duì)應(yīng)的空間，再預(yù)留必要的檢修臺(tái)車(chē)的空間，本設(shè)計(jì)循環(huán)煙氣罩(燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(chē)密封罩)對(duì)應(yīng)4#～18#風(fēng)箱的燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(chē)上部。因?yàn)橹鞒轱L(fēng)量Q總(標(biāo))=20780Nm3/min；假設(shè)風(fēng)箱及管道的漏風(fēng)率為25%，則燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(chē)面進(jìn)風(fēng)為15585Nm3/min。除去點(diǎn)火保溫爐部分進(jìn)入的風(fēng)量，按比例折算進(jìn)入燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(chē)密封罩的風(fēng)量為：Q煙罩(標(biāo))=12543Nm3/min。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 經(jīng)過(guò)臺(tái)車(chē)熱風(fēng)的氧含量體積濃度達(dá)到18%以上時(shí)，對(duì)燒結(jié)礦的產(chǎn)質(zhì)量不會(huì)產(chǎn)生不良影響。根據(jù)實(shí)測(cè)，氧氣含量高的風(fēng)箱溫度也較高，為了保證進(jìn)入主電除塵器的煙氣有足夠溫度，以避免溫度過(guò)低造成主電除塵器的腐蝕，所以選取的循環(huán)風(fēng)箱靠近頭尾部。在保證進(jìn)入臺(tái)車(chē)面的熱風(fēng)含氧濃度大于18%，進(jìn)入主電的煙氣高于露點(diǎn)，綜合平衡后煙氣循環(huán)按循環(huán)30%的燒結(jié)機(jī)的煙氣，則需要的循環(huán)風(fēng)量為：

Q燒循(標(biāo))=6234Nm3/min

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)從4#～8#風(fēng)箱所取煙氣混合后的風(fēng)溫約為60℃，O2含量11%。從25#～27#風(fēng)箱所取煙氣混合后的風(fēng)溫約為320℃，O2含量18.5%。循環(huán)煙氣的氧含量能滿(mǎn)足生產(chǎn)的要求。由于煙氣循環(huán)分流部分燒結(jié)煙氣，兩主煙道的煙氣量相對(duì)于沒(méi)有煙氣循環(huán)減少。

3.4.2 阻力平衡計(jì)算

煙氣循環(huán)燒結(jié)的阻力平衡計(jì)算需考慮沿程管路的管道阻損，煙氣混勻器、循環(huán)煙氣罩的阻損，除塵器的阻損，熱氣流的抽力等。

通過(guò)計(jì)算，燒結(jié)循環(huán)變頻風(fēng)機(jī)的進(jìn)口壓力取-16000Pa，出口壓力取+1500Pa。

3.4.3 風(fēng)機(jī)選型計(jì)算[4]

考慮到燒結(jié)風(fēng)箱風(fēng)量的波動(dòng)量，稍考慮余量，因此燒結(jié)1#循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)量選取為6000m3/min，工況溫度選取320℃；燒結(jié)2#循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)量選取為3000m3/min，工況溫度選取60℃；

根據(jù)以上計(jì)算，風(fēng)機(jī)選型參數(shù)見(jiàn)表2(風(fēng)機(jī)均設(shè)計(jì)為變頻調(diào)速運(yùn)行以便調(diào)整管道中的壓力和流量)。

4 控制措施

4.1 風(fēng)量控制

在燒結(jié)機(jī)開(kāi)機(jī)前開(kāi)啟循環(huán)風(fēng)機(jī)及主抽風(fēng)機(jī)，根據(jù)生產(chǎn)需要選取燒結(jié)機(jī)8個(gè)風(fēng)箱處對(duì)應(yīng)的大煙道位置設(shè)置支管將煙氣導(dǎo)向燒結(jié)循環(huán)煙道，其余風(fēng)箱煙氣進(jìn)入大煙道，具體風(fēng)量選取根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。待燒結(jié)機(jī)開(kāi)機(jī)后，通過(guò)支管閥門(mén)的控制保證大煙道和循環(huán)煙道之間負(fù)壓、溫度和流量的平衡。大煙道及循環(huán)煙道均設(shè)置了溫度及壓力檢測(cè)點(diǎn)，煙氣負(fù)壓值保持在10kPa～14kPa，大煙道煙氣溫度保持在100℃～150℃，循環(huán)煙道煙氣溫度保持在300℃左右，大煙道和循環(huán)煙道的負(fù)壓值及溫度值的設(shè)置控制根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)節(jié)[5]。

支管控制說(shuō)明：支管采用調(diào)節(jié)型閥門(mén)控制，每臺(tái)閥門(mén)控制其開(kāi)度，支管的設(shè)置便于對(duì)循環(huán)煙道及大煙道煙氣溫度、流量的靈活控制，另減少風(fēng)箱內(nèi)粉塵進(jìn)入循環(huán)管道內(nèi)。

4.2 循環(huán)煙氣煙罩內(nèi)壓力控制

循環(huán)煙氣罩內(nèi)燒結(jié)煙氣應(yīng)保持微負(fù)壓狀態(tài)，保證主排系統(tǒng)與循環(huán)系統(tǒng)之間的平衡。

為保證循環(huán)回來(lái)的煙氣能夠全部穿過(guò)燒結(jié)機(jī)料層，不會(huì)出現(xiàn)煙氣外溢現(xiàn)象，在燒結(jié)機(jī)上方設(shè)總長(zhǎng)度為45m的循環(huán)煙罩，共覆蓋15個(gè)風(fēng)箱。循環(huán)煙罩前部留有4個(gè)風(fēng)箱的位置，用于安裝燒結(jié)點(diǎn)火保溫爐和觀察點(diǎn)火燒結(jié)的工況。循環(huán)煙罩后部留有位置，用于檢修更換燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(chē)用(具體位置以設(shè)計(jì)為準(zhǔn))。

每個(gè)循環(huán)煙罩兩側(cè)均設(shè)置1個(gè)快速開(kāi)關(guān)閥，用管道與大煙道相連。循環(huán)煙氣罩內(nèi)設(shè)置壓力表，正常工作壓力保持在-100Pa～-20Pa之間。當(dāng)罩內(nèi)壓力大于-20Pa時(shí)開(kāi)啟快速開(kāi)關(guān)閥，調(diào)小循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)口閥門(mén)開(kāi)度；當(dāng)罩內(nèi)壓力小于-100Pa時(shí)關(guān)閉快速開(kāi)關(guān)閥，調(diào)大循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)門(mén)開(kāi)度，壓力值的控制設(shè)置可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整。

4.3 循環(huán)煙氣罩內(nèi)含氧量控制

設(shè)置氧含量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)設(shè)計(jì)的循環(huán)煙氣進(jìn)入煙罩的廢氣含有大約11%～18%的剩余氧，每臺(tái)燒結(jié)機(jī)循環(huán)煙罩上方均勻設(shè)置百葉窗式的電動(dòng)蝶閥，含氧量監(jiān)測(cè)與閥門(mén)開(kāi)啟設(shè)置為連鎖[6]；在氧含量≤16%時(shí)打開(kāi)閥門(mén)并逐漸調(diào)大開(kāi)度，當(dāng)氧含量≥20%時(shí)逐漸調(diào)小閥門(mén)開(kāi)度至關(guān)閉。在主抽風(fēng)機(jī)及循環(huán)風(fēng)機(jī)開(kāi)機(jī)前需打開(kāi)電動(dòng)蝶閥，正常生產(chǎn)后視生產(chǎn)情況關(guān)閉電動(dòng)蝶閥，氧含量值的控制設(shè)置可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況調(diào)整。

4.4 循環(huán)煙氣溫度控制

通過(guò)支管閥門(mén)執(zhí)行器來(lái)控制閥門(mén)開(kāi)度，從而調(diào)節(jié)循環(huán)煙氣的溫度、流量，以保證達(dá)到最佳的生產(chǎn)效果。

在循環(huán)煙氣管道多管除塵器的入口位置前設(shè)置溫度檢測(cè)，煙氣循環(huán)管道設(shè)置有放散閥，當(dāng)管道內(nèi)的煙氣溫度≥320℃時(shí)閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，溫度達(dá)到300℃時(shí)閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉。

4.5 安全設(shè)施

每臺(tái)燒結(jié)機(jī)循環(huán)煙罩設(shè)置3臺(tái)(在煙罩的前、中、后部)CO報(bào)警裝置及快速開(kāi)關(guān)閥，當(dāng)CO超標(biāo)(>30ppm)，報(bào)警儀報(bào)警時(shí)兩側(cè)的快速開(kāi)關(guān)閥打開(kāi)，同時(shí)調(diào)小循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)開(kāi)度，報(bào)警解除后關(guān)閉快速開(kāi)關(guān)閥并逐漸調(diào)大循環(huán)風(fēng)機(jī)開(kāi)度，恢復(fù)正常工作狀態(tài)。當(dāng)CO報(bào)警儀報(bào)警時(shí)開(kāi)啟空氣流通裝置并打開(kāi)廠(chǎng)房窗戶(hù)，保證有害氣體盡快排出室外。

在煙氣循環(huán)系統(tǒng)工作時(shí)，循環(huán)煙罩附近不允許有人員長(zhǎng)時(shí)間停留，特殊情況需要有人員長(zhǎng)時(shí)間停留時(shí)，不應(yīng)少于2人，并且配帶必要的防護(hù)措施及攜帶便攜式CO報(bào)警儀，一旦CO報(bào)警儀報(bào)警，人員必須馬上撤離。

燒結(jié)機(jī)中部的煙氣作為廢煙氣直接排入大煙道，經(jīng)機(jī)頭電除塵器、燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)和脫硫脫硝設(shè)備凈化后進(jìn)入煙囪排至大氣中。

5 煙氣循環(huán)效益分析

燒結(jié)煙氣循環(huán)系統(tǒng)采用內(nèi)循環(huán)工藝，將煙道分為脫硫煙道和循環(huán)煙道，需要末端治理的風(fēng)量減少，脫硫煙道相比未采用煙氣循環(huán)設(shè)計(jì)風(fēng)量減少30%，主抽風(fēng)機(jī)功率減小，因此，燒結(jié)煙氣循環(huán)增加的循環(huán)風(fēng)機(jī)電耗變化不會(huì)增大太多。煙氣循環(huán)對(duì)脫硫主煙道的SO2含量有一定的富集作用，可以提高脫硫的效率，采用煙氣循環(huán)后，需要脫硫處理的煙氣量減少，運(yùn)行成本降低，煙氣循環(huán)系統(tǒng)的效益計(jì)算如下：

5.1 煙氣減排效益

煙氣減排30%，有助于提高后續(xù)的脫硫和脫硝效率，達(dá)到環(huán)保新要求。

5.2 降低固體燃耗效益

循環(huán)180～250℃高溫廢氣，可降低固體燃耗3～5kg/t，以最終降低3kg/t保守計(jì)算。燃料價(jià)格按2000元/t計(jì)，265m2燒結(jié)機(jī)年產(chǎn)燒結(jié)礦320萬(wàn)噸，則降低燃耗的年效益為：2000×320×3/1000=1920萬(wàn)元/年。

5.3 改善燒結(jié)礦質(zhì)量和提產(chǎn)效益

燒結(jié)機(jī)循環(huán)180～250℃高溫廢氣，可改善燒結(jié)機(jī)表層的燒結(jié)礦質(zhì)量，有助于減少返礦和提高成品率[7]。改善燒結(jié)礦質(zhì)量有助于提高高爐順行和降低燃耗。

按提產(chǎn)10%計(jì)算，年增產(chǎn)燒結(jié)礦32萬(wàn)噸。僅計(jì)算燒結(jié)固定費(fèi)用變化，燒結(jié)工序的年固定費(fèi)用可相應(yīng)減少。

5.4 電耗增加

用電負(fù)荷按每小時(shí)增加4000kW計(jì)算，成本增加792萬(wàn)元。

5.5 人工及備件消耗增加

人工按增加4人計(jì)算，成本增加20萬(wàn)元；備件費(fèi)用按每年60萬(wàn)元計(jì)。

綜上，燒結(jié)煙氣循環(huán)年可創(chuàng)收益1260萬(wàn)元。

6 結(jié)論

從項(xiàng)目上看，該研究項(xiàng)目規(guī)模小，投資少，回收期短，回報(bào)率高；在循環(huán)量≥30%燒結(jié)廢氣情況下，減輕脫硫脫硝系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，達(dá)到環(huán)保新要求，燒結(jié)固體燃料消耗降低3～5kg/t燒結(jié)礦，增加煙氣循環(huán)后，燒結(jié)機(jī)的產(chǎn)量在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加10%左右，通過(guò)先進(jìn)成熟的工藝方案設(shè)計(jì)，解決傳統(tǒng)煙氣循環(huán)系統(tǒng)存在的無(wú)法調(diào)節(jié)循環(huán)煙氣取風(fēng)比例和含氧量的參數(shù)，在燒結(jié)循環(huán)系統(tǒng)檢修或故障時(shí)無(wú)法隨時(shí)切換的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)降低燒結(jié)固體燃料消耗和減少污染物排放總量的項(xiàng)目目標(biāo)。