超低排放條件下鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯氧化球團(tuán)生產(chǎn)實(shí)踐

劉長(zhǎng)江，高培程，康丙路，賈國(guó)利

(北京首鋼股份有限公司煉鐵作業(yè)部,河北 唐山 064400)

0 引言

首鋼股份球團(tuán)鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)生產(chǎn)線，在2010年未采取煙氣脫硫脫硝、使用全水廠精礦粉生產(chǎn)的情況下，球團(tuán)礦產(chǎn)量最高達(dá)到383 萬(wàn)t。2019年實(shí)施超低排放，導(dǎo)致球團(tuán)產(chǎn)量大幅度下滑；其次，使用秘細(xì)粉和大石河加工秘魯?shù)V粉，球團(tuán)成球性能下降、表面粉末增多，回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈明顯，球團(tuán)產(chǎn)量明顯下降。2016年兩條鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)總產(chǎn)量?jī)H335 萬(wàn)t。在大量使用秘細(xì)粉和實(shí)施超低排放條件下，提高鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)產(chǎn)量對(duì)提高遷鋼高爐熟料，減少外購(gòu)熟料，降低鐵成本至關(guān)重要。

1 技術(shù)及裝備改進(jìn)探索

1.1 鏈箅機(jī)熱工制度優(yōu)化

在實(shí)驗(yàn)室研究了預(yù)熱溫度和時(shí)間對(duì)干球強(qiáng)度及粉末率的影響。表1是生球原料配比。對(duì)兩種配比的生球進(jìn)行了不同預(yù)熱溫度和時(shí)間的試驗(yàn)，測(cè)定預(yù)熱球的抗壓強(qiáng)度和粉末率，見表2。

表1 生球原料配比 %

表2 預(yù)熱球強(qiáng)度及干球粉末率

從試驗(yàn)結(jié)果看，隨著預(yù)熱溫度的提高，預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度提高，預(yù)熱溫度950 ℃，預(yù)熱時(shí)間15 min時(shí)，預(yù)熱球強(qiáng)度是518 N/P左右。預(yù)熱溫度繼續(xù)提高時(shí)，預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度提高，粉末率降低，有利于減少回轉(zhuǎn)窯的結(jié)圈。

結(jié)合以上試驗(yàn)結(jié)果，采取適當(dāng)提高鏈箅機(jī)煙罩溫度和窯頭窯尾溫度的方法提高預(yù)熱球強(qiáng)度、降低粉末率。一系列和二系列鏈箅機(jī)溫度調(diào)整情況見表3、表4。

表3 一系列提產(chǎn)前后熱工參數(shù)控制情況對(duì)比

表4 二系列提產(chǎn)前后熱工參數(shù)控制情況對(duì)比

提產(chǎn)后，一系列除機(jī)速、料厚略有提升外，系統(tǒng)各點(diǎn)位溫度變化不大。煤氣升高后，在鏈箅機(jī)溫度基本不變的情況下，二系列窯尾溫度較前期高37.5 ℃，窯頭溫度較前期低15.4 ℃。

結(jié)合生球表面質(zhì)量改善、鏈箅機(jī)預(yù)熱制度優(yōu)化等一系列實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)試驗(yàn)下的結(jié)論，首次提出了鏈箅機(jī)預(yù)熱模型中表征生球質(zhì)量參數(shù)—干球粉末率，為主控操作評(píng)價(jià)提供了直觀量化指標(biāo)。

其中：

式中：σ—干球粉末率，%；M1—經(jīng)過圓桶勻速旋轉(zhuǎn)5 min后產(chǎn)生粉末質(zhì)量，g；M0—試驗(yàn)取得的預(yù)熱球質(zhì)量，g。

結(jié)合圖1，以預(yù)熱溫度945～950 ℃、預(yù)熱時(shí)間13～15 min條件下的粉末率定義為合格操作，具體實(shí)施如下：

圖1 預(yù)熱時(shí)間及預(yù)熱溫度對(duì)預(yù)熱球強(qiáng)度、干球粉末率的影響

σ=4.2%～4.7%，主控操作良好，窯況發(fā)展能夠得到較好的控制；

σ=3.5%～4.0%，主控操作鏈箅機(jī)機(jī)速低，預(yù)熱時(shí)間過長(zhǎng)，對(duì)鏈箅機(jī)達(dá)產(chǎn)不利；

σ=5.0%～5.9%，主控操作鏈箅機(jī)速過快，預(yù)熱球質(zhì)量變差，粉末入窯增多，結(jié)圈加速發(fā)展。

1.2 回轉(zhuǎn)窯熱工制度優(yōu)化

燃燒器是回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)生產(chǎn)中重要的燃燒設(shè)備，優(yōu)化燃燒器性能不僅可以降低燃料的消耗、減少NOx等有害氣體產(chǎn)生，同時(shí)也有助于回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈控制以及球團(tuán)礦質(zhì)量的提高，為窯況的穩(wěn)定控制創(chuàng)造條件。

回轉(zhuǎn)窯燃燒器采用HP型四通道燃燒器，由于2018年以來(lái)燃燒器燃料結(jié)構(gòu)由煤粉(主要)+焦?fàn)t煤氣變更為焦?fàn)t煤氣(主要)+煤粉，煤粉及焦?fàn)t煤氣在密度、氣相擴(kuò)散能力方面的差異導(dǎo)致燃燒器各通道通量及壓升不能滿足生產(chǎn)要求，窯內(nèi)出現(xiàn)了擴(kuò)散型的火焰(見圖2)，引發(fā)了回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈、生產(chǎn)燃料消耗較高等問題。

圖2 回轉(zhuǎn)窯擴(kuò)散型火焰示意圖

1.2.1 燃燒器改進(jìn)

在保持現(xiàn)有送煤羅茨風(fēng)機(jī)、凈風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)以及相應(yīng)管道不變的前提下，對(duì)燃燒器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，使燃料能在窯內(nèi)充分燃燒，保持理想的火焰長(zhǎng)度和形狀，并使回轉(zhuǎn)窯內(nèi)具有合適的氣體流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，達(dá)到降低燃料消耗和減少回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結(jié)圈的目的。

1)增大燃燒器的直徑。改進(jìn)后的燃燒器必須滿足使用大流量焦?fàn)t煤氣的要求，焦?fàn)t煤氣流量的設(shè)計(jì)最大值提高到了8 000 m3/h，瘦精煤粉的設(shè)計(jì)使用最大保持不變。改進(jìn)后的燃燒器直徑由原來(lái)的377 mm增大到了500 mm。燃燒器尺寸增大以后，兩種燃料的最大使用量數(shù)值如表5。

表5 燃燒器改進(jìn)后設(shè)計(jì)量

2)改進(jìn)燃燒器的風(fēng)道結(jié)構(gòu)。改造后的燃燒器以焦?fàn)t煤氣為主要燃料，煤粉為輔助燃料，在現(xiàn)有風(fēng)機(jī)及管道不變的前提下，為使燃燒器出口火焰更加細(xì)長(zhǎng)，將煤氣通道置于燃燒器的內(nèi)、外風(fēng)之間，煤粉通道置于中心，同時(shí)將燃燒器的一次助燃風(fēng)內(nèi)、外風(fēng)出口面積由改造前的50:50優(yōu)化為35:65，達(dá)到燃料能在窯內(nèi)充分燃燒，更好地保證火焰長(zhǎng)度和形狀，減少窯內(nèi)結(jié)塊產(chǎn)生的目的。

煤風(fēng)通道置于燃燒器的中心，煤風(fēng)通道以外再分別設(shè)置一次風(fēng)內(nèi)風(fēng)通道、焦?fàn)t煤氣通道、一次風(fēng)外風(fēng)通道見圖3。

圖3 回轉(zhuǎn)窯燃燒器風(fēng)道結(jié)構(gòu)改造示意圖

3)熱工參數(shù)探索。生產(chǎn)中，通過調(diào)節(jié)燃燒器內(nèi)風(fēng)閥門和外風(fēng)閥門的開度，改變?nèi)紵餍黠L(fēng)和軸向風(fēng)的風(fēng)量大小，可以控制燃燒火焰在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的噴射距離，使窯內(nèi)的高溫點(diǎn)往復(fù)移動(dòng)，避免局部長(zhǎng)時(shí)間高溫而導(dǎo)致的回轉(zhuǎn)窯結(jié)瘤。經(jīng)過探索，將外風(fēng)閥門開度保持100%不動(dòng)，內(nèi)風(fēng)閥門開度在15%和40%之間進(jìn)行調(diào)整，每3～6個(gè)小時(shí)倒換一次，對(duì)應(yīng)的一次助燃風(fēng)流量為2 800～4 800 m3/h，保持一次助燃風(fēng)壓力40～45 kPa，讓窯內(nèi)火焰高溫點(diǎn)不斷發(fā)生移動(dòng)，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的結(jié)塊在熱脹冷縮的過程中自行脫落，可以較好地起到控制結(jié)塊增長(zhǎng)的目的。

2 焙燒過程污染物煙氣控制探索

2.1 SNCR脫硝技術(shù)

2.1.1 反應(yīng)原理

采用NH3作為還原劑，在溫度為900～1 100 ℃的范圍內(nèi)，還原NOx的化學(xué)反應(yīng)方程式主要為：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO+2O2→3N2+6H2O

8NH3+6NO2→7N2+12H2O

SNCR 還原 NO的反應(yīng)對(duì)于溫度條件非常敏感，溫度窗口的選擇，是SNCR還原NO效率高低的關(guān)鍵[2]。一般認(rèn)為理想的溫度范圍為 700～1 100 ℃, 并隨反應(yīng)器類型的變化而有所不同。當(dāng)反應(yīng)溫度低于溫度窗口時(shí)，由于停留時(shí)間的限制，往往使化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度較低反應(yīng)不夠徹底，從而造成 NO 的還原率較低，同時(shí)未參與反應(yīng)的 NH3增加也會(huì)造成氨氣泄漏。而當(dāng)反應(yīng)溫度高于溫度窗口時(shí)，NH3的氧化反應(yīng)開始起主導(dǎo)作用：

4NH3+5O2→4NO+6H2O

SNCR 還原 NO的過程是上述兩類反應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)、共同作用的結(jié)果。選取合適的溫度條件同時(shí)兼顧減少還原劑的泄漏是SNCR技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

2.1.2 SNCR脫硝效率的影響因素

在SNCR技術(shù)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，影響脫硝效果的主要因素包括：

1)溫度窗口。當(dāng)溫度高于1 000 ℃時(shí)，NOx的脫除率由于氨氣的熱分解而降低；溫度低于1 000 ℃時(shí)，NH3的反應(yīng)速率下降，還原反應(yīng)進(jìn)行得不充分，NOx脫除率下降，同時(shí)氨氣的逸出量也在增加[3]。產(chǎn)線實(shí)際溫度控制范圍在750～850 ℃，由于溫度分布受到負(fù)荷、煤種等多種因素的影響，溫度窗口隨著負(fù)荷的變化而變動(dòng)。

2)停留時(shí)間。該時(shí)間指反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)停留的總時(shí)間；在此時(shí)間內(nèi)，NH3、尿素等還原劑與煙氣的混合、水的蒸發(fā)、還原劑的分解和NOx的還原等步驟必須完成；停留時(shí)間的大小取決于鏈箅機(jī)煙道尺寸和煙氣流速；SNCR系統(tǒng)中，停留時(shí)間一般為0.001～10 s。

3)反應(yīng)劑和煙氣混合的程度。混合程度：要發(fā)生還原反應(yīng)，還原劑必須與煙氣分散和混合均勻；采取在鏈箅機(jī)機(jī)頭開口10個(gè)的方式，單獨(dú)控制每個(gè)噴氨截門來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻布?xì)狻?/p>

2.1.3 股份球團(tuán)SNCR脫硝工藝

股份球團(tuán)二系列通過加裝SNCR脫硝工藝，有效降低了煙氣中氮氧化物含量，NOx含量從110 mg/Nm3降低至30 mg/Nm3，其中NO含量從72 mg/Nm3降低至20 mg/Nm3，為下游活性炭脫硝系統(tǒng)降低了初始運(yùn)行參數(shù)，保證了整套系統(tǒng)的環(huán)保、安全、穩(wěn)定、達(dá)標(biāo)運(yùn)行，改造效果明顯。股份球團(tuán)外排指標(biāo)見圖4。

圖4 股份球團(tuán)氮氧化物指標(biāo)

3 原料性能優(yōu)化探索

3.1 礦粉比表面積

一般認(rèn)為，氧化球團(tuán)礦在造球階段的生長(zhǎng)及粘結(jié)主要由機(jī)械連鎖力及化學(xué)作用力提供，比表面積的提高是機(jī)械連鎖力增加的宏觀表現(xiàn)[4]。結(jié)合前期利用高壓輥磨處理秘細(xì)粉的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，輥磨前后秘細(xì)粉的比表面積變化見表6。

表6 秘細(xì)粉比表面積

輥磨后的秘細(xì)粉比表面積提高幅度在72～229 cm2/g，利用SEM電鏡成像分析可知，輥磨后礦粉顆粒中細(xì)粒級(jí)比例增加，顆粒外形種類更為復(fù)雜，視野中不規(guī)則、棱角狀顆粒比例明顯增加，成球性能升高，見圖5。

秘細(xì)粉磨前 秘細(xì)粉磨后圖5 秘細(xì)粉顆粒形貌

3.2 高壓輥磨參數(shù)優(yōu)化

高壓輥磨預(yù)處理鐵精礦對(duì)氧化球團(tuán)生產(chǎn)具有重要意義。針對(duì)給料量、輥磨動(dòng)輥、定輥電流、電機(jī)頻率等進(jìn)行優(yōu)化，并分析了高壓輥磨參數(shù)對(duì)礦粉比表面積的改善作用。

選擇運(yùn)行電流26～34 A、輥面間距18～22 mm分別進(jìn)行試驗(yàn)，由表7及圖6可知，隨著輥面間距減小及運(yùn)行電流增加，比表面積增大。

表7 高壓輥磨參數(shù)及礦粉比表面積

圖6 電流、輥間距與礦粉比表面積的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，高壓輥磨的平均間隙從20 mm調(diào)整至18 mm，輥磨機(jī)料量控制在450～480 t/h，電流從20～26 A提高至28～34 A，輥磨效果得到提升，輥磨前后原料激光粒度分析見表8。

表8 激光粒度分布數(shù)據(jù) %

高壓輥磨后，礦粉細(xì)顆粒含量增加，6.31 μm含量從5.87%提高至10.01%，<42.38 μm含量從55.05%提高至67.46%，接近水高礦粉的粒度情況。說(shuō)明高壓輥磨對(duì)秘礦產(chǎn)粉比表面積提高有顯著作用。

4 結(jié)語(yǔ)

在超低排放條件下，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、技術(shù)等進(jìn)行革新，通過研發(fā)應(yīng)用回轉(zhuǎn)窯燃燒器、鏈箅機(jī)應(yīng)用SNCR脫硝裝置、高壓輥磨參數(shù)，優(yōu)化三方面的應(yīng)用研究，從氮氧化物的產(chǎn)生、消耗角度進(jìn)行了多步驟探索，達(dá)到了在達(dá)到超低排放的前提下，年產(chǎn)量提高41.2 萬(wàn)t的目標(biāo)，直接經(jīng)濟(jì)效益約為1 013.6 萬(wàn)元，為行業(yè)在超低排放領(lǐng)域中生產(chǎn)技術(shù)的探索提供借鑒。