利用高爐熱風爐廢煙氣余熱進行焦炭烘干的工程化應用

鄧曉湖，瞿英杰，楊俊豪，馮 憲，陳順章

（1.湖南山水節(jié)能科技股份有限公司,湖南湘潭 411201;2.湖南省農(nóng)林工業(yè)勘查設(shè)計研究總院，湖南長沙 410007）

引言

焦炭不僅是現(xiàn)代高爐煉鐵不可或缺的熱量來源，還充當料柱骨架和還原劑、滲碳劑等作用，因此對焦炭入爐質(zhì)量的控制尤為重要。我國現(xiàn)階段由于焦炭的生產(chǎn)工藝、運輸儲存方式等問題，含水量普遍較高。焦炭含水量過高會導致高爐透氣性變差、降低高爐爐頂溫度、降低煤氣熱值進而影響TRT發(fā)電等[1]。焦炭含水量每多1%，焦比同比上升1.2%～1.5%[2]。

熱風爐煙氣作為一種可利用的低溫余熱，目前主要利用方式為：預熱助燃空氣和煤氣，或作為噴煤制粉干燥氣體等[3]。熱風爐煙氣，單純用于預熱助燃空氣和煤氣之后，預熱器后端溫度約為175 ℃，屬于低品位余熱資源，噴煤能消納一部分，但去往噴煤之后，仍需要二次加熱[4]。這些方式都實現(xiàn)了部分熱量回收，但熱風爐煙氣總量較大，去除已經(jīng)回收利用的部分煙氣之外，當前仍有50%～65%煙氣總量未經(jīng)利用直接排放到大氣中，造成余熱資源浪費[5]。采用成熟合理的方式將熱風爐煙氣余熱回收之后對焦炭進行預烘干，不僅實現(xiàn)余熱資源回收利用，而且能節(jié)能降耗，降本增效。

結(jié)合某鋼廠實際情況，從工程應用角度上進行總結(jié)，從焦炭含水率下降效果及熱風爐煙氣穩(wěn)定性來看，該工藝較好實現(xiàn)了工程應用，效果較好。

1 工程概況

某鋼廠煉鐵廠3 萬t 焦倉共設(shè)計有10 個獨立焦炭倉。焦倉上部為長方形，其中長10 m、寬18 m、高39.1 m，下部錐形高4.7 m；單座儲焦倉有效容積為4 600 m3，焦炭比重為0.65 t/m3，單座儲焦倉儲焦量約為2 900 t。

煉鐵廠正常使用5 種外購焦，外購焦炭含水率干燥天氣下7%～8%，潮濕天氣下含水率達到11%～12%，每種外購焦平均分配在2 個焦倉內(nèi)。目前高爐日常消耗外購焦約5 000 t，每種外購焦的日使用量約為1 000 t。

每種焦裝卸在2 座焦倉內(nèi)，可容納約5 000 t，即2座焦倉可滿足高爐5天的使用量，一座焦倉可滿足高爐2.5 天的使用量。因此，一座焦倉可用于烘干時間最長為2.5天。

為了節(jié)約熱風風量，一次同時烘干按5 座儲焦倉設(shè)計。則每座焦倉加熱烘干時間約為1.25 天，考慮到安全富裕系統(tǒng)。每座焦倉按24 h 設(shè)計加熱除濕。

2 方案設(shè)計

2.1 設(shè)計原始參數(shù)

高爐熱風爐低溫煙氣參數(shù)。

煙氣最大流量220 000 m3/h；

煙氣煙囪排出溫度150 ℃；

換熱器進口煙氣溫度300 ℃；

熱風送焦倉設(shè)計溫度200 ℃；

倉頂排煙溫度80 ℃；

熱風管管內(nèi)設(shè)計流速18 m/s。

2.2 工藝流程設(shè)計

在熱風爐換熱器后接主抽氣管，抽風量為220 000 m3/h，溫度約150 ℃，為了保證送焦倉熱風溫度為設(shè)計溫度200 ℃，在換熱器前高溫區(qū)接一支管，抽入部分高溫熱風，保證供氣溫度。在靠近焦倉處設(shè)計一臺加壓風機，將熱風送入儲焦倉內(nèi)，每座儲焦倉支管處設(shè)一臺電動閥，每座焦倉設(shè)計8 個送風短管，需在現(xiàn)有焦倉外壁開孔約￠800，雙層共8 個，保證倉內(nèi)焦炭加熱均勻高效。倉頂排出的高溫高濕煙氣，經(jīng)倉頂收集管道匯集，進入主風管送至袋式除塵器，含塵煙氣經(jīng)凈化后，顆粒物濃度低于10 mg/m3，經(jīng)除塵風機加壓后，從30 m 高煙囪排入大氣。

（1）除塵器收集的除塵灰經(jīng)低壓氣力輸送至罐車外運，除塵灰為焦碳粉，具有高利用價值，可重新用于生產(chǎn)。

（2）除塵器及風機采用露天布置，風機頂部設(shè)防雨棚。除塵器采用低架布置，出灰口高度約為1.5 m。

圖1 焦炭烘干工藝流程圖

（3）廠區(qū)熱風管均采用架空敷設(shè)，熱補償采用金屬波紋補償器。

（4）熱風管均需進行管道保溫，保溫材料采用100 mm厚硅酸鹽氈，外包0.5 mm厚鋁板作保護層。

（5）風機設(shè)計為工頻控制。

（6）風機軸承冷卻水就按接自廠區(qū)現(xiàn)有供回水管網(wǎng)，單臺風機冷卻水量為4 m3/h，接管管管DN50。

（7）除塵器用壓縮空氣接自廠區(qū)現(xiàn)有供氣管網(wǎng)，供氣壓力不小于0.4 MPa，供氣量區(qū)5 m3/min，接管管徑DN80，氣源要求無水無油。

2.3 風量核算

單座焦倉儲焦量2 900 t；

脫水率3%；

小時所需熱量8.16×106kJ；

所需熱風風量為52 300 m3/h；

同時供5 座焦倉烘干時所需風量為261 500 m3/h；

倉頂理論排風風量261 500×1.2＝313 800 m3/h。

2.4 阻力風壓核算

（1）熱風輸送管

總長度約為1 000 m；

管徑設(shè)計￠2 220×7；

管內(nèi)實際運行風速20 m/s；

折合90°彎頭數(shù)30個；

計算沿程阻力2 000 Pa；

計算局部阻力2 200 Pa；

焦倉阻力1 000 Pa；

計算總阻力5 200×1.2=6 240 Pa。

（2）除塵系統(tǒng)

除塵器設(shè)備阻力1 500 Pa；

管道系統(tǒng)總阻力2 200 Pa；

總阻力1 500+2 200=3 700 Pa；

風機所需壓力值3 700×1.2=4 500 Pa。

3 除塵系統(tǒng)

該鋼廠焦炭通過移動卸料小車進入焦炭倉，現(xiàn)場已設(shè)除塵系統(tǒng)，本焦炭烘干系統(tǒng)考慮烘干后煙氣含有大量焦炭粉塵，且含水率較高，須新上一套專門的除塵系統(tǒng)，對其進行合理的煙塵治理，滿足環(huán)境排放和工業(yè)衛(wèi)生的要求，煙塵排放濃度控制＜10 mg/m3。

3.1 技術(shù)流程

集氣罩一新建防水型袋式除塵器一除塵風機一煙囪

3.2 除塵器選擇

除塵器選擇主要需克服的是“高阻癥”以及結(jié)露現(xiàn)象，結(jié)露的形成來自2個方面：

（1）氣源內(nèi)含大量的水或油，尤其在夏季更易引起板結(jié)。

（2）氣源冷氣流與袋內(nèi)熱氣流形成溫差，易結(jié)露，尤其在空氣濕度較高的陰雨天。

因此，有必要針對這兩個問題進行處理。本工程采用專利技術(shù)克服了上述困難。

3.3 調(diào)壓調(diào)溫措施

（1）當廢氣溫度長期低于60 ℃，并出現(xiàn)系統(tǒng)壓差連續(xù)高于2 000 Pa 時，需要對適當開通熱風旁通閥進行增溫處理（作為應急措施），當布袋除塵器的工況恢復正常作業(yè)時，且煙氣溫度大于80 ℃，則關(guān)閉熱風旁通閥。

（2）對于增設(shè)排料口的除塵點，匯總到系統(tǒng)除塵器中凈化，由于大量的冷風進入會導致溫降大產(chǎn)生結(jié)露問題，可以通過調(diào)節(jié)短接旁通閥來平衡溫降。

4 設(shè)備選型

本工藝主要設(shè)備為熱風引風機、除塵器、除塵風機

、煙道管、閥門儀表等。

（1）熱風引風機

名稱 單吸雙支撐離心引風機；

型號AL-R315SW（IDF）；

標況風量220 000 m3/h；

全壓6 250 Pa；

工作溫度200 ℃；

轉(zhuǎn)速730 r/min；

功率1 000 kW；

電源等級10 kV。

（2）除塵風機

名稱 單吸雙支撐離心引風機；

型號AL-R250SW（IDF）；

標況風量250 000 m3/h；

全壓4 500 Pa；

工作溫度80 ℃；

轉(zhuǎn)速960 r/min；

功率800 kW；

電源等級10 kV。

（3）抗結(jié)露袋式除塵器

型號LCM920-2×5；

室數(shù)10室（雙排）；

處理風量356 000 m3/h；

煙氣工作溫度80 ℃；

設(shè)計入口含塵濃度≤5 g/m3；

設(shè)計出口含塵濃度≤10 mg/m3；

除塵器阻力≤1 500 Pa；

除塵器外形尺寸27.5×11.2×16（m）。

5 電氣自動化結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1 電氣

引風機、除塵風機及防爆電動閥門為遠程/就地控制方式，現(xiàn)場設(shè)機旁操作箱，狀態(tài)及控制信號進PLC系統(tǒng)，遠程操作時，信號由PLC系統(tǒng)送來。所有正常工作不帶電用電設(shè)備金屬外殼及其管線均按規(guī)程與現(xiàn)有接地系統(tǒng)可靠，接地電阻＜4 Ω。部分區(qū)域現(xiàn)場為煤氣環(huán)境，所有設(shè)備選型、設(shè)計、采購、施工等均按防爆要求考慮。

5.2 自動化

新設(shè)焦倉烘干PLC 系統(tǒng)，在三萬噸焦倉電磁站新設(shè)PLC主站，二高爐本體開關(guān)站新設(shè)PLC遠程I/O站，主從站之間采用光纖進行通信。

5.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

管道載荷按實際取用，風雪壓均達標。參考擬建場區(qū)的原有地質(zhì)勘察資料，大部分基礎(chǔ)按天然地基上的獨立基礎(chǔ)考慮，基底要求到老土，基礎(chǔ)超深用C15 換填至設(shè)計標高；局部回填土較深或周邊有建構(gòu)筑物無法進行天然基礎(chǔ)設(shè)計的部位，考慮為直徑1 m的人工挖孔灌注樁的樁基礎(chǔ)。

（1）混凝土樁采用C30 混凝土、抗?jié)B等級S6，其他采用C30混凝土，墊層C15。

（2）鋼筋主要采用HPB300 級，fy=270 N/mm2；HRB400級，fy=360 N/mm2。

（3）鋼材采用Q235-B鋼。

6 工程經(jīng)濟效益分析

按照含水率降低3%，焦比降低約3.5%測算，該鋼廠單臺高爐日產(chǎn)鐵水6 000 t，焦比370 kg/t 鐵，日消耗焦炭2 220 t。按照焦比下降指數(shù)，日節(jié)約焦炭77.7 t，年節(jié)約焦炭共計約2.5 萬t，年節(jié)約費用約3 500萬元。

該鋼廠焦炭烘干項目總投資2 800 萬元，加上每年運營成本約700萬元，投資回收期一年以內(nèi)，效益較好。

利用熱風爐煙氣烘干焦炭項目效益顯著，既解決了焦炭水分過高導致的問題，又實現(xiàn)了余熱回收，節(jié)能降耗。