聯(lián)鑫鋼鐵2號燒結(jié)機節(jié)能減碳生產(chǎn)的探索與實踐

陳小平 廖運友 盛國華 李樹璋 吳從方 謝高峰

(1.上海聯(lián)順實業(yè)有限公司，上海 202150； 2.鹽城市聯(lián)鑫鋼鐵有限公司，江蘇 鹽城 224145)

2020年、2021年連續(xù)兩年國內(nèi)粗鋼產(chǎn)量突破10億t，占世界粗鋼產(chǎn)量的60%。鋼鐵行業(yè)是能源消耗和污染物排放大戶，已成為大氣污染防治重點行業(yè)。燒結(jié)能耗占總流程能耗的12%左右[1]，其中煤粉(焦粉)消耗和電耗分別占燒結(jié)工序能耗的85%和6%。

隨著對燒結(jié)工序在節(jié)能減碳方面的關注度越來越高，尤其是在向世界做出2030年實現(xiàn)“碳達峰”和2060年實現(xiàn)“碳中和”的承諾后，國內(nèi)對燒結(jié)工序節(jié)能減碳進行了一系列的探索與實踐，如采取蘭炭替代燒結(jié)煤和焦粉工藝[2]、燒結(jié)富氧點火[1]、負壓點火[3- 4]、厚料層燒結(jié)[5- 6]和燃料分級[7]等。但由于燒結(jié)生產(chǎn)是一個復雜的動態(tài)系統(tǒng)，上述單一技術均有其局限性。

鹽城市聯(lián)鑫鋼鐵有限公司(以下簡稱“聯(lián)鑫鋼鐵”)是一個以長流程為主的大中型鋼鐵企業(yè)，燒結(jié)工序能耗一直備受公司關注，受各方面因素的影響，其能耗下降空間有限且可持續(xù)性欠佳。為此，公司制定了節(jié)能減碳的相關政策和要求，基于公司和燒結(jié)工藝的實際情況，率先對燒結(jié)工序節(jié)能減碳技術進行了系列研究，制定了相關措施并取得了顯著效果，為公司長期穩(wěn)定發(fā)展提供了技術支撐，并為長流程鋼鐵企業(yè)可持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新發(fā)展提供了新的思路。

1 工藝設計方案

聯(lián)鑫鋼鐵2號燒結(jié)機是198 m2帶式焙燒機，由中鋼石家莊工程研究院設計，目前投產(chǎn)年限超過7 a。鑒于設計初期條件限制及投產(chǎn)年限長，當前臺車老化開裂、滑道密封和機頭機尾漏風嚴重；傳統(tǒng)環(huán)冷機變形嚴重、密封效果差、故障率高，造成揚塵及余熱回收效率低；煙道腐蝕嚴重致漏風嚴重；橢圓等厚篩的篩分效率低、能耗高；傳統(tǒng)點火器能耗高。通過對燒結(jié)機現(xiàn)有狀況的系統(tǒng)評價與研究，進行了各方面的改進和完善，以達到節(jié)能減碳的目的。具體實施方案如表1所示。

表1 2號燒結(jié)機節(jié)能減碳的技術方案或措施Table 1 Technical programs or measures for energy- saving and carbon reduction of sintering machine No.2

2 探索與實踐

2.1 燒結(jié)系統(tǒng)的漏風治理

燒結(jié)系統(tǒng)漏風主要受裝備質(zhì)量水平、設備維護與保養(yǎng)水平和生產(chǎn)環(huán)境或條件等制約，其治理是一個長期持續(xù)的過程[8]。2號燒結(jié)機機頭機尾密封差、臺車變形嚴重、滑道密封效果差、煙道與風箱腐蝕及漏風嚴重等，導致燒結(jié)系統(tǒng)漏風嚴重，煙道系統(tǒng)負壓低、能耗高、燒結(jié)礦返礦率高(主要是燒結(jié)礦強度低所致)。為此，制定了相應技術改造措施，實施后燒結(jié)煙道系統(tǒng)負壓明顯提高(如表2所示)，有利于改善燒結(jié)礦質(zhì)量,降低煤耗。

表2 燒結(jié)系統(tǒng)漏風治理的措施或方法Table 2 Measures or methods for controlling air- leakage of sintering system

2.2 點火系統(tǒng)升級改造

為解決點火系統(tǒng)點火溫度低、溫度分布不均勻及點火壓力高等問題，對點火系統(tǒng)進行了技術升級改造，具體情況如下：

(1)傳統(tǒng)點火器改為高效節(jié)能型點火器

傳統(tǒng)點火器存在臺車兩側(cè)點火溫度低而中間高、點火器燒嘴容易堵塞及煤氣燃燒不充分等問題，造成表層燒結(jié)返礦多。為解決這一問題，采用高效節(jié)能型點火器，其燒嘴為旋切式，增大了煤氣與空氣的接觸面積，煤氣燃燒更充分；旋切式燒嘴拆裝簡單，易定期清理，杜絕或減少了堵塞。高效節(jié)能型點火器投用后，點火溫度升高了10 ℃，能耗指標均有所改善，如表3所示。

表3 高效節(jié)能型點火器投用前后點火溫度和能耗指標Table 3 Ignition temperature and energy consumption index before and after the high- efficiency and energy- saving igniter being put into use

(2)傳統(tǒng)點火方式改為微負壓點火

微負壓點火裝置通過新增負壓控制阻流板，對燒結(jié)過程中風量進行合理控制，并在1～3號風箱每個支管上增設一套電動切斷閥，達到風箱之間及時切換通風，同時將1～3號風箱運行負壓數(shù)據(jù)引入主控室進行遠程調(diào)控，實現(xiàn)燒結(jié)機微負壓點火生產(chǎn)。該裝置投用后，可在生產(chǎn)過程中形成穩(wěn)定可靠的微負壓點火模式，實現(xiàn)了氣、物分離[3]，滿足厚料層工況條件下的良好透氣性，同時提高了燒結(jié)生產(chǎn)的穩(wěn)定性和可靠性，節(jié)約能耗，降低生產(chǎn)成本，各運行參數(shù)如圖1和表4所示。

圖1 微負壓點火裝置投用后風箱溫度和壓力的變化Fig.1 Variation in temperature and pressure of bellows after the negative micro- pressure ignition device being put into use

表4 點火方式改造前后運行參數(shù)Table 4 Operating parameters before and after improving the ignition mode

2.3 環(huán)冷機升級改造

原有環(huán)冷機的密封效果差(機械密封)、冷卻效果差、噪聲大、電耗高且故障率高(容易變形)，而現(xiàn)有中冶長天高效節(jié)能型環(huán)冷機的密封效果好(液密封)、冷卻效果好、噪聲小、電耗低和故障率低(軌道滑道采用同軸式，運行過程中不易變形)、檢修方便快捷(模塊式結(jié)構(gòu)、拆裝簡單)。高效節(jié)能型環(huán)冷機投運后，燒結(jié)礦的出礦溫度從120 ℃降低到70 ℃,鍋爐蒸汽回收量增加5 t/h,電耗降低3.5 kWh/t(詳見表5)，同時解決了無組織排放的問題[9]，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

2.4 篩分系統(tǒng)升級改造

篩分系統(tǒng)原先采用橢圓等厚篩，篩分效果差、電耗高、環(huán)保效果差、維修頻率高、工作量大；改用高效節(jié)能型復頻篩后，除消除了橢圓等厚篩的不利因素外，還具有維修簡單、噪聲小、密封效果好、電耗低等特點。原橢圓等厚篩使用時，整個篩子(篩體和篩板)振動；節(jié)能型復頻篩使用時，篩板振動、篩體不振動，振動所需負荷減小。原4臺90 kW的電機更換為10臺7.5 kW的電機，每年可節(jié)約電耗約225.72萬kWh，節(jié)約標準煤277.6 t。

表5 環(huán)冷機改造前后的主要運行參數(shù)Table 5 Main operating parameters before and after retrofitting ring cooler

篩分系統(tǒng)升級后，鋪墊料粒級從10～20 mm減小為8～15 mm,厚度保持不變(小粒度絕對數(shù)量的增加彌補了大粒度的減少量)，篩分效果好，料層的透氣性改善，燒結(jié)礦層的溫度上升速率增加，有利于生成鐵酸鈣系液相[10- 11]，提高了燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度，從而提高了燒結(jié)礦成品率，達到了降低固體燃料消耗和節(jié)電等目的。

2.5 強化偏析布料和厚料層燒結(jié)

2.5.1 強化偏析布料

偏析布料要解決的問題是燒結(jié)臺車的邊緣效應和臺車中間料層的自動蓄熱問題。強化制粒后沒有采取偏析布料就會出現(xiàn)靠臺車兩邊的料層透氣性好、燒得快，燒結(jié)礦強度差等問題；而中間料層由于自動蓄熱作用，機尾斷面紅火層的厚度超過料層厚度的2/3，料層透氣性差、燒得慢，燒到機尾還在燒。已有的研究證明[12]，厚料層燒結(jié)的表層溫度為1 100～1 200 ℃，由于蓄熱作用下層的溫度高達1 600 ℃，發(fā)生過燒，導致成品礦強度低、產(chǎn)量低，故強化制粒后需進行偏析布料以解決燒結(jié)機的邊緣效應和自動蓄熱問題。

燒結(jié)生產(chǎn)的偏析布料普遍存在兩方面問題：一是圓輥布料器上方的料倉內(nèi)有堆尖，造成偏析布料不起作用；二是九輥偏析布料器的角度不合適起不到篩分作用。因此對梭式布料機及九輥偏析布料器進行可視化監(jiān)控，有利于強化偏析布料。

對偏析布料的效果進行檢查和監(jiān)督，可通過布料器臺車上的觀測儀進行觀察分析，布料效果一般顯示在主控室的屏幕上；還可通過機尾斷面紅火層的狀態(tài)判斷分析邊緣效應和紅火層厚度是否超過料層總厚度的1/3，及時發(fā)現(xiàn)、及時調(diào)整和改進。

2.5.2 厚料層燒結(jié)

厚料層燒結(jié)主要通過提高燒結(jié)過程中的蓄熱能力，達到降低碳消耗的目的，同時降低表層燒結(jié)返礦量,提高燒結(jié)礦還原性；燒結(jié)料層厚度、配碳配水和混合料透氣性是燒結(jié)生產(chǎn)的主要工藝參數(shù)，料層厚度是基礎，配碳配水是保證，混合料透氣性是關鍵。料層厚度在燒結(jié)生產(chǎn)中既影響固體燃耗，也影響透氣性、垂直燒結(jié)速度和強度。如果料層透氣性差，只有通過強化制粒等舉措來改善料層的透氣性，才有提高料層厚度的可能；有條件時，應最大限度提高料層厚度，進一步降低燒結(jié)生產(chǎn)的固體燃耗。

聯(lián)鑫鋼鐵2號燒結(jié)機600、700、750 mm 厚料層的燒結(jié)試驗結(jié)果如表6所示。可見料層厚度對燒結(jié)礦消耗和質(zhì)量影響顯著，在提高料層厚度的同時應采取措施改善料層透氣性，確保厚料層燒結(jié)工藝得以持續(xù)實施。

(1)改善原始料層透氣性

①適當提高生石灰比例，改善料層透氣性。近年來隨著國家環(huán)保政策日趨嚴格，公司石灰石粉的采購量明顯增加，導致石灰石在燒結(jié)配料中的比例偏高，混合料制粒效果變差，影響了料層的透氣性。因此，加強進廠原料質(zhì)量管理，降低石灰石含粉率，將生石灰配比從3.5%(質(zhì)量分數(shù)，下同)提高到5.0%，取得了較好的效果。但隨著生石灰配比的逐漸增加，料層透氣性的改善效果越來越不明顯，達到6.5%～7.0%且取消石灰石粉時，料層透氣性還有一定程度的下降。其根本原因是：在生石灰配比不高的情況下，增加生石灰的配比，生石灰親水膠體作用和凝聚作用加強，增強了料球強度和密度，增加濕容量，減少料球破壞；在生石灰配比增加到一定程度后，其消化后比表面積急劇增大且激烈釋放出消化熱，引起水分激烈蒸發(fā)，料球因體積膨脹而破碎，反而惡化了料層透氣性。

②配加6%的紅土鎳礦，改善料層透氣性。紅土鎳礦(屬于褐鐵礦)烘干后，其含水量(主要是結(jié)晶水)仍達到20%左右，具有良好的黏結(jié)性和親水性，制粒性能好，改善了料層的透氣性。同時因紅土鎳礦屬于難分離的多金屬共生礦，價格便宜且對改善鐵水質(zhì)量、提高鋼材成品質(zhì)量有較大的作用[13- 15]。因此，配加一定比例的紅土鎳礦具有改善料層透氣性、降低成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量的三重作用。

(2)采用垂直松料器改善料層透氣性

實現(xiàn)厚料層(大于650 mm)燒結(jié)后，不少企業(yè)為了改善燒結(jié)料層的透氣性，臺車布料后加設了水平松料器，其改善透氣性的效果不是很理想。試驗研究發(fā)現(xiàn)[5]，厚料層燒結(jié)加設垂直松料器改善料層透氣性的效果較好，有效風量提高了30%～45%，垂直燒結(jié)速度提高了14.5%～23.6%，成品礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)提高了1.17%，降低固體燃耗0.5 kg/t，該舉措具有較大的推廣價值。

(3)合理的垂直燒結(jié)速度

合適的配碳配水是形成合理的水分冷凝帶(過濕層)和燃燒帶寬度、減少阻力、提高垂直燒結(jié)速度的關鍵措施之一。試驗研究發(fā)現(xiàn)[16]，隨著負壓的提高，氣體瞬時流量增大，垂直燒結(jié)速度加快，通過調(diào)節(jié)負壓可以改變燒結(jié)過程中各時間段或各個帶的燒結(jié)速度。

表6 料層厚度對燒結(jié)礦質(zhì)量和固體燃料消耗的影響Table 6 Effect of bed thickness on sinter quality and solid fuel consumption

聯(lián)鑫2號燒結(jié)機的生產(chǎn)實踐表明，料層厚度從600 mm提高到750 mm，平均每提高100 mm料層厚度可降低固體燃耗3.13 kg/t。

3 效果分析

聯(lián)鑫鋼鐵2號燒結(jié)機采取燒結(jié)系統(tǒng)漏風治理，點火系統(tǒng)、篩分系統(tǒng)和環(huán)冷機等設施升級改造，布料系統(tǒng)和料層厚度的工藝改進等一系列技術措施后,取得了良好的經(jīng)濟效益和較好的節(jié)能減碳效果，如表7所示。

表7 2號燒結(jié)機技術改進后的主要經(jīng)濟指標、工藝參數(shù)和減排效果Table 7 Main economic indexes, process parameters and emission reduction effect of the sintering machine No.2 after technical improvement

(1)燒結(jié)系統(tǒng)的漏風治理措施得當、效果顯著，煙道負壓從13.3 kPa提高到16.2 kPa(表2)，對改善燒結(jié)礦質(zhì)量和降低燒結(jié)返礦率有顯著效果。

(2)采用微負壓點火技術生產(chǎn)后，高爐煤氣單耗降低15.0 m3/h(表4)，年節(jié)約成本375萬元；備品備件每年節(jié)約20萬元；維修成本和強度下降。

(3)采用高效節(jié)能型環(huán)冷機后，現(xiàn)場環(huán)境得到明顯改善，無肉眼可觀測揚塵；鍋爐蒸汽回收量增加了5 t/h,電耗降低了3.5 kWh/t(表5)。

(4)采用節(jié)能型復頻篩，將原4臺90 kW的振動篩電機更換為10臺7.5 kW的電機，每年可節(jié)約電耗約225.72萬kWh，節(jié)約標準煤277.6 t，減少CO2排放量692.06 t。

(5)采用“改善原始料層透氣性”“強化偏析布料”和“提高料層厚度”等技術措施后，垂直燒結(jié)速度顯著提高,燒結(jié)礦返礦率顯著降低,固體燃料消耗降低10.1 kg/t(表7)，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益：年創(chuàng)造經(jīng)濟效益9 090萬元(燒結(jié)礦年產(chǎn)量300萬t,燒結(jié)煤價格1 500元/t)。

4 結(jié)論

(1)燒結(jié)系統(tǒng)漏風治理后，煙道負壓從13.3 kPa提高到16.2 kPa，對改善燒結(jié)礦質(zhì)量和降低燒結(jié)返礦率有顯著效果。

(2)燒結(jié)工序通過節(jié)能減碳技術創(chuàng)新后，取得了良好的經(jīng)濟效益和較好的節(jié)能減碳效果(節(jié)約固體燃料10.1 kg/t,節(jié)約電耗3.88 kWh/t,節(jié)約煤氣18.3 m3/t,減少CO2排放量8.58萬t/a)。

(3)燒結(jié)工序節(jié)能減碳是一項長期的工作，需要不斷的實踐和創(chuàng)新，為節(jié)能減碳探索出一條更好的技術路徑，為盡早實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”做出貢獻。