球團(tuán)礦回轉(zhuǎn)窯“煤改氣”方案設(shè)計(jì)

于洪軍 路 明 王佳師 孫文強(qiáng)，3

(1. 鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司大孤山球團(tuán)廠，2. 東北大學(xué)熱能工程系，3. 國家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

傳統(tǒng)球團(tuán)礦回轉(zhuǎn)窯多以噴吹煤粉作為燃料，球團(tuán)礦焙燒所需熱量來自高溫?zé)煔獾妮椛浞艧醄1]。不僅SO2和煙塵污染嚴(yán)重，而且將原煤磨制成燃料煤粉的過程需要消耗大量的能源，不符合《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出的超低排放和清潔生產(chǎn)要求[2]。

針對工業(yè)爐窯燃煤的負(fù)面影響，相關(guān)學(xué)者從能源結(jié)構(gòu)調(diào)整[3]和靈活調(diào)節(jié)工業(yè)負(fù)荷[4]等多角度積極開展節(jié)能減排的研究工作，而燃料替代逐漸成為改善燃煤爐窯環(huán)境的新思路。目前看來，所有的清潔低碳能源中，天然氣大規(guī)模供能的穩(wěn)定性好，短期內(nèi)更適合用來替代煤炭。

研究以鋼鐵行業(yè)的球團(tuán)礦回轉(zhuǎn)窯為研究對象，設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)窯“煤改氣”的具體方案。并以某球團(tuán)廠為例，給出天然氣回轉(zhuǎn)窯主要工藝流程及設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 煤粉回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝

1.1 生產(chǎn)流程

現(xiàn)有煤粉回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)工藝過程包括制煤系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)。

(1)制煤系統(tǒng)

煤粉是球團(tuán)礦生產(chǎn)的主要熱源，原煤入廠粒度一般為0～80 mm，而送入回轉(zhuǎn)窯的煤粉應(yīng)控制粒度200目(0.074 mm)含量>75%，含水量<1%，這一過程需要靠制煤系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。制煤系統(tǒng)的核心設(shè)備為磨煤機(jī)和煤粉收集器。原煤經(jīng)管帶機(jī)運(yùn)輸至破碎機(jī)粗破碎到中等粒度(40 mm以下)，再進(jìn)入磨煤機(jī)磨細(xì)，之后在沸騰爐產(chǎn)生的熱風(fēng)帶動下，經(jīng)過煤粉分離器，粗粉返回磨煤機(jī)進(jìn)行二次磨制，細(xì)粉則通過收塵設(shè)備收集到粉倉。為了滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，避免由于設(shè)備故障帶來的斷供問題，制煤系統(tǒng)大多為中間粉倉式，即制成的煤粉暫時儲存在細(xì)粉倉內(nèi)，再根據(jù)生產(chǎn)需要量送入回轉(zhuǎn)窯燃燒器。

其中，燃煤沸騰爐生成的高溫?zé)煔庵饕煞譃镃O2和N2，摻混一定量的空氣之后，送入磨煤機(jī)輸送合格煤粉經(jīng)收塵設(shè)備后進(jìn)入粉倉，同時對磨煤機(jī)內(nèi)的原煤進(jìn)行干燥。經(jīng)過破碎、磨制、干燥等一系列操作，制煤系統(tǒng)將原煤制成粒度、含水量達(dá)標(biāo)的合格煤粉，供給回轉(zhuǎn)窯燃燒。

(2)回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)

經(jīng)鏈篦機(jī)干燥預(yù)熱后的球團(tuán)礦自窯尾進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行氧化、固結(jié)，隨著回轉(zhuǎn)窯翻滾，從窯尾向窯頭方向移動，在高溫?zé)煔鉄彷椛渥饔孟峦瓿梢幌盗形锢砘瘜W(xué)反應(yīng)。窯頭處有一根可伸縮式噴槍，通入一次風(fēng)將煤粉送入窯內(nèi)燃燒，調(diào)節(jié)噴煤槍伸縮長度可以控制火焰的位置；調(diào)節(jié)送風(fēng)量能夠控制噴煤量，改變火焰形狀。同時將環(huán)冷一段的熱廢氣(950～1 150 ℃)作為二次風(fēng)引入窯頭罩，控制窯內(nèi)溫度在1 250～1 300 ℃，均勻焙燒30 min后，輸入下游工序。

1.2 生產(chǎn)參數(shù)

針對某球團(tuán)廠設(shè)計(jì)規(guī)模為200萬t/a的鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)生產(chǎn)線進(jìn)行“煤改氣”方案設(shè)計(jì)。生產(chǎn)過程參數(shù)主要涉及燃料和用電兩方面。

(1)燃料參數(shù)

目前，回轉(zhuǎn)窯使用的燃料為入廠粒度0～80 mm的煙煤，啟窯升溫時以柴油作為點(diǎn)火燃料。正常生產(chǎn)的耗煤量為6.442 t/h，啟窯升溫時，耗煤量及耗油量分別為2.083和1.042 t/h。煤粉及燃料油的主要化學(xué)成分見表1、表2。

表1 煤粉主要化學(xué)成分

表2 燃料油主要化學(xué)成分

(2)用電參數(shù)

磨煤系統(tǒng)的運(yùn)輸、破碎、磨制、收集以及回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)和通風(fēng)等都需要用電設(shè)備的參與。制煤系統(tǒng)總功率為1 368.8 kW，主要用電設(shè)備參數(shù)見表3。

表3 制煤系統(tǒng)主要用電設(shè)備

正常生產(chǎn)時，回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的主要用電設(shè)備總功率為5 932.58 kW。在球團(tuán)礦生產(chǎn)過程中，結(jié)圈會增加設(shè)備負(fù)荷，影響球團(tuán)礦質(zhì)量，需要定期停爐清理。一般情況下，回轉(zhuǎn)窯的結(jié)圈周期為42.5 d，單次啟窯時間為24 h。由于啟窯不進(jìn)行球團(tuán)礦的焙燒，因此用電設(shè)備的工作狀態(tài)與正常生產(chǎn)時有所差別。其中，制煤系統(tǒng)的參數(shù)保持不變，以1 368.8 kW的功率滿負(fù)荷工作6 h。主要用電設(shè)備參數(shù)見表4。

表4 煤粉回轉(zhuǎn)窯啟窯升溫狀態(tài)下主要用電設(shè)備參數(shù)

1.3 煤粉回轉(zhuǎn)窯主要不足

雖然煤粉回轉(zhuǎn)窯發(fā)展較早，技術(shù)成熟，市場占比大，但仍存在以下問題：占地大、煤粉處理過程耗能嚴(yán)重、溫室氣體排放多、污染嚴(yán)重和加劇結(jié)圈。

鑒于此，研究提出以天然氣代替煤粉作為燃料為回轉(zhuǎn)窯供能，增加燃料預(yù)處理設(shè)備的緊湊性，減少溫室氣體排放和污染物產(chǎn)生，并適當(dāng)延長結(jié)圈周期，改善球團(tuán)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量。

2 天然氣回轉(zhuǎn)窯工藝設(shè)計(jì)

燃料置換后，回轉(zhuǎn)窯的主要熱源為天然氣。從運(yùn)輸、燃料預(yù)處理到最終入窯燃燒的整體流程都與煤粉回轉(zhuǎn)窯有所差別。天然氣回轉(zhuǎn)窯工藝設(shè)計(jì)方案見圖1。

圖1 天然氣回轉(zhuǎn)窯工藝設(shè)計(jì)方案

2.1 生產(chǎn)參數(shù)設(shè)計(jì)

天然氣回轉(zhuǎn)窯的產(chǎn)品參數(shù)和煤粉回轉(zhuǎn)窯相同，生產(chǎn)參數(shù)也包含燃料和用電兩個方面。

(1)燃料參數(shù)

針對所研究的球團(tuán)廠，使用的天然氣的主要成分見表5。

表5 天然氣主要成分摩爾分?jǐn)?shù) %

設(shè)計(jì)天然氣消耗量時，參考了某同等規(guī)模(球團(tuán)礦產(chǎn)量300 t/h)的焦?fàn)t煤氣回轉(zhuǎn)窯，根據(jù)兩種燃?xì)獾臒嶂担凑蘸臒崃肯嗟鹊脑瓌t，計(jì)算得出當(dāng)天然氣用量為3 306 m3/h時，能夠在正常生產(chǎn)狀態(tài)下為回轉(zhuǎn)窯提供同等的熱量。同理，啟窯升溫時，2 674 m3/h的天然氣用量能夠達(dá)到和原有煤粉回轉(zhuǎn)窯相近的供熱效果。因此，天然氣回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計(jì)燃?xì)馐褂昧繛檎Ｉa(chǎn)3 306 m3/h，啟窯升溫2 674 m3/h。

(2)用電參數(shù)

參考焦?fàn)t煤氣回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行狀況，燃料改為天然氣后，回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈周期可以延長至55 d，在正常生產(chǎn)和啟窯狀態(tài)下的設(shè)備用電情況的區(qū)別就是表3中的制煤系統(tǒng)設(shè)備由1套10 kW的LNG點(diǎn)供系統(tǒng)取代，其負(fù)荷率為80%，工作時長為24 h，其余設(shè)備不變。

2.2 LNG點(diǎn)供系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)參數(shù)

研究設(shè)計(jì)的天然氣回轉(zhuǎn)窯是在現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的大部分參數(shù)維持企業(yè)原有的生產(chǎn)要求，只需對窯頭燃料燃燒裝置進(jìn)行一定的改造。因此，將重點(diǎn)圍繞LNG點(diǎn)供系統(tǒng)各環(huán)節(jié)相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)原則及參數(shù)展開討論。

(1)LNG點(diǎn)供系統(tǒng)

點(diǎn)供系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)主要針對LNG卸車、貯存、氣化、調(diào)壓、BOG回收以及整個過程中燃料輸送的相關(guān)裝置進(jìn)行。

①LNG卸車裝置

卸車裝置需要考慮到日卸車量和卸車速率兩方面因素。其中，日卸車量參考球團(tuán)回轉(zhuǎn)窯的天然氣日消耗量，由于該條生產(chǎn)線正常生產(chǎn)時的天然氣消耗量為3 306 m3/h，考慮到NG到LNG的體積壓縮系數(shù)(約1/600)，日卸車量應(yīng)達(dá)到約133 m3。研究中，點(diǎn)供系統(tǒng)采用自增壓的卸車方式，增壓器選擇空溫式氣化器，過程簡單，節(jié)約能耗。卸車時，在槽車和儲罐之間產(chǎn)生0.2 MPa的順壓差，作為動力將槽車內(nèi)的LNG液體輸送到儲罐。常用槽車容積為50～60 m3，充裝系數(shù)85%～90%[5]，一般要求卸車時間在2 h以內(nèi)。因此，增壓器設(shè)計(jì)卸車速率應(yīng)該達(dá)到平均25～30 m3/h。實(shí)際操作過程中，隨著槽車液體被不斷輸送到儲罐內(nèi)，液位造成靜壓差不斷縮小，液體流速放緩。為了縮短卸車時間，可以采用增大槽車與儲罐壓差的方式。但液體流速提高會增大產(chǎn)生靜電的風(fēng)險(xiǎn)。因此，卸車時的壓差不能超過0.3 MPa[5]，槽車內(nèi)的壓力也應(yīng)控制在0.6～0.7 MPa。

②LNG貯存裝置

LNG是在近-162 ℃條件下冷凝形成的液態(tài)天然氣，體積約為氣態(tài)時的1/600，且為易燃物，貯存條件嚴(yán)苛。LNG儲罐應(yīng)具有良好的低溫承受能力、壓力承受能力、保溫隔熱能力以及抵御自然災(zāi)害的載荷能力[6]。在所有類型的儲罐中，立式平底低溫儲罐占地較小，能夠滿足200～200 000 m3范圍內(nèi)的儲氣容積要求[7]，技術(shù)成熟，較為常用。綜合考慮礦山的環(huán)境因素、儲罐建設(shè)周期及球團(tuán)礦生產(chǎn)企業(yè)的LNG貯存需求，選擇單容式的立式平底低溫儲罐，儲罐內(nèi)層為不銹鋼或9%Ni低溫鋼，外層為碳鋼，中間填充保溫材料，最低設(shè)計(jì)溫度為-196 ℃[8]，由于儲罐的工作壓力為0.6 MPa，因此設(shè)計(jì)壓力為0.8 MPa。根據(jù)企業(yè)一周的平均用氣量，設(shè)計(jì)容積約為930 m3。

③LNG氣化裝置

LNG的氣化裝置采用立式空溫氣化器，由星型結(jié)構(gòu)的翅片管并列組合而成，材料為低溫鋁合金。工作時，LNG自下而上流過換熱器，以空氣為熱源，依靠LNG冷卻空氣產(chǎn)生的自然浮力，配合強(qiáng)制通風(fēng)扇來控制外部氣流[9]。設(shè)計(jì)氣化能力為下游回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)小時高峰流量的2倍[10]，約為6 612 m3/h。

設(shè)備運(yùn)行時，換熱器壁面溫度大幅下降，易結(jié)霜，霜層熱阻大且傳熱性能差，設(shè)備氣化能力下降，容易造成換熱管因受力不均而變形[11]，需要定期除霜。這不僅影響生產(chǎn)效率，還會降低設(shè)備使用壽命，因此應(yīng)該盡量抑制結(jié)霜現(xiàn)象的發(fā)生。空氣溫度、濕度和氣化器間距是影響空溫式氣化器結(jié)霜情況的三個關(guān)鍵因素。生產(chǎn)過程中，可以通過噴灑熱蒸汽提高氣化器周圍空氣的溫度，也可以利用機(jī)械排霧的方式增強(qiáng)空氣流動性，降低濕度，緩解結(jié)霜。此外，在設(shè)備布置時，應(yīng)該結(jié)合回轉(zhuǎn)窯實(shí)際燃料需要量，考慮LNG氣化需求后，合理安排氣化器間距。同時，企業(yè)應(yīng)該配備兩組以上的氣化裝置，以便定期切換除霜。

④調(diào)壓裝置

調(diào)壓裝置的主要作用是將入口處壓力較高的天然氣調(diào)節(jié)到所需的較低壓力后輸出，并且當(dāng)入口氣體壓力和用氣量波動的情況下將天然氣出口壓力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)[12]。在研究的球團(tuán)生產(chǎn)線中，經(jīng)空溫或水浴氣化后的天然氣壓力在0.3 MPa左右，而調(diào)壓裝置出口氣體的壓力則需要調(diào)整到3 kPa左右。

⑤BOG回收裝置

BOG回收裝置包括加熱及調(diào)壓設(shè)備，用于將系統(tǒng)中產(chǎn)生的蒸發(fā)氣處理后輸送到燃燒器，防止聚積在儲罐內(nèi)，使壓力升高而增大安全隱患。因此，其設(shè)計(jì)工作能力取決于系統(tǒng)中BOG的生成量。

BOG的產(chǎn)生原因主要有自然蒸發(fā)和卸料、輸氣過程中的管道漏熱。其中，自然蒸發(fā)量由天然氣的日蒸發(fā)率決定，與燃料成分、儲罐容積及保冷材料厚度等因素有關(guān)。設(shè)計(jì)容積約930 m3的儲罐，日蒸發(fā)率一般為0.1%～0.15%，日蒸發(fā)量約為0.93～1.395 m3，每天生成558～837 m3的BOG，實(shí)際選型時也可以根據(jù)燃?xì)鈴S家提供日蒸發(fā)率的最大值計(jì)算。而卸車過程中，由于管道漏熱，也會有一定的BOG生成，可按日蒸發(fā)量的10～20倍[10]進(jìn)行估算，約為10 000 m3。

⑥燃料輸送裝置

由于LNG的溫度約為-162 ℃，因此燃料輸送管道和閥門(尤其在低溫段)應(yīng)該具有良好的保冷及耐冷綜合機(jī)械性能。目前，常用的低溫管道多采用奧氏體不銹鋼材料，外面包裹一定厚度的保冷材料，減少表面凝露結(jié)冰，降低冷量損失。

(2)回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)

燃料置換后，回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)需要改進(jìn)的主要是窯頭的燃料燃燒器，將之前的煤粉燒嘴改為天然氣燃燒器。使用時，根據(jù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整天然氣供入量，正常生產(chǎn)時約為3 306 m3/h，啟窯升溫時2 674 m3/h。同時，注意調(diào)整助燃風(fēng)量，維持窯內(nèi)溫度適宜(1 250～1 300 ℃)，以達(dá)到均勻燃燒，節(jié)約燃料，提高球團(tuán)礦品質(zhì)的目的。

2.3 天然氣回轉(zhuǎn)窯的優(yōu)勢

相較于煤粉回轉(zhuǎn)窯，以天然氣為燃料的生產(chǎn)工藝在燃料預(yù)處理工藝、燃燒產(chǎn)物對環(huán)境的影響及產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等方面都具有一定的優(yōu)勢。

(1)燃料預(yù)處理設(shè)備緊湊，過程簡單，能耗低。

(2)燃燒產(chǎn)物簡單，對環(huán)境影響較小，且無需進(jìn)行廢渣處理。

(3)延長結(jié)圈周期，改善球團(tuán)礦的質(zhì)量，提高產(chǎn)量。

綜上所述，燃料置換不僅能夠簡化生產(chǎn)流程，節(jié)省燃料預(yù)處理的設(shè)備電耗，降低噪聲污染，還可以削弱燃燒產(chǎn)物對環(huán)境的危害，延長結(jié)圈周期，提高球團(tuán)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量。

3 結(jié)論

研究設(shè)計(jì)了一套LNG點(diǎn)供式的球團(tuán)礦回轉(zhuǎn)窯“煤改氣”方案。結(jié)合某球團(tuán)廠現(xiàn)有煤粉回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)數(shù)據(jù)給出了燃料置換后天然氣回轉(zhuǎn)窯的具體工藝流程、生產(chǎn)參數(shù)以及設(shè)備設(shè)計(jì)原則和參數(shù)。對于年產(chǎn)200萬t的球團(tuán)礦生產(chǎn)線而言，設(shè)計(jì)天然氣用量為正常生產(chǎn)時3 306 m3/h，啟窯升溫時2 674 m3/h，LNG儲罐設(shè)計(jì)容積約為930 m3，氣化器設(shè)計(jì)氣化能力約為6 612 m3/h。