王國遙

(寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201901)

摘 要: 隨著國家對能源環境的日益重視，鋼鐵行業不斷探索能源利用、排放降低的新技術和新措施。燒結工序是鋼鐵冶煉主要的能源消耗環節，減少燒結工序能耗，對于鋼鐵行業節能減排意義重大。燒結環冷煙氣余熱的高效回收與利用可以有效地降低燒結工序能耗，并改善燒結區域環境。針對燒結環冷工序的工藝特點，在原有的熱風燒結、余熱產蒸汽、余熱發電等余熱利用技術上，進一步進行低溫廢氣循環利用、機上鍋爐等技術探索，以實現燒結環冷煙氣余熱的梯級利用，從而最終實現其工業應用。

關鍵詞: 燒結環冷機; 煙氣余熱; 梯級利用; 熱風燒結; 余熱產蒸汽; 余熱發電; 煙氣循環; 機上鍋爐

1 前 言

鋼鐵工業作為能源密集型行業，其能源消耗占全國能源消耗總量 16% 左右，煉鐵工序的能耗約占鋼鐵生產總能耗的55% ～60%之多，其中燒結工序的能耗約占鋼鐵生產總能耗的 10% ～12%左右，是僅次于煉鐵工序的第二大高能耗單元。而在燒結工序總能耗中，燒結機與環冷機排放的煙氣又占約近 50% 的能源。因此，燒結環冷工序的節能減排備受關注。

在燒結礦生產過程中，占燒結過程總熱量近45%的燒結礦顯熱在環冷機內由風機鼓風冷卻，環冷機排出的熱廢氣溫度隨冷卻部位的不同而有所差異( 平均溫度約 250 ℃)^［1］ 。環冷機排出的熱廢氣能耗占燒結總能耗的 29% 左右，充分利用這些熱量是提高燒結能源利用效率、顯著降低燒結工序能耗的途經之一。

現有傳統環冷機在發揮對燒結礦冷卻功能的同時，可利用高溫煙氣進行熱風燒結和余熱產蒸汽，但其低溫煙氣直接外排大氣，未對煙氣余熱進行有效地充分利用。面對此問題，針對燒結環冷工序的工藝特點，在原有的熱風燒結、余熱產蒸汽、余熱發電等余熱利用技術上，進一步進行低溫廢氣循環利用、機上鍋爐等技術探索，以實現燒結環冷煙氣余熱的梯級利用，有效地提高燒結環冷煙氣的利用效率。

2 燒結環冷煙氣余熱利用現狀

以某大型燒結為例，燒結餅經過燒結機機尾導料槽卸入水冷軸式單輥破碎機破碎至小于150 mm，破碎后的熱燒結礦進入環冷機，冷卻機的料層厚度約 1 500 mm，攔板高度 1 600 mm。

環冷機配置多臺冷卻風機，冷卻后的燒結礦平均溫度≤150 ℃，冷卻時間 ＞ 60 min。冷卻后的燒結礦由板式給料機排出后，再經膠帶機送往成品篩分系統。

燒結機生產的 700 ～ 800 ℃ 燒結礦從燒結機機尾部落下^［2］，經過單輥破碎后落到冷卻機臺車上，由冷卻空氣經燒結礦料層下部箅板穿過，垂直吹入料層，與燒結礦料層換熱提取燒結礦顯熱后從料層上部進入集氣罩或人形罩排出 ^［3］。

2． 1 國內余熱回收利用現狀分析

目前，國內燒結環冷機廢氣余熱回收利用主要集中在環冷機一段和二段 280 ℃ 以上中高溫廢氣，其回收利用方式主要有 3 種形式:

( 1) 直接將廢煙氣凈化后作為點火爐的助燃空氣或用于預熱混合料，以降低燃料消耗。這種方式較為簡單，但余熱利用量有限，一般不超過煙氣量的 10%。

( 2) 將廢煙氣通過熱管裝置或余熱鍋爐產生蒸汽，并入全廠蒸汽管網，替代部分燃煤鍋爐。

( 3) 利用余熱鍋爐產生蒸汽用于驅動汽輪機組發電。

為充分利用環冷機高溫段廢氣余熱，降低工序能耗，大部分鋼廠回收環冷機中高溫段的余熱回收采用雙壓余熱鍋爐及補汽式蒸汽輪機發電方式，部分鋼廠將環冷機高溫段雙壓余熱鍋爐產生的低壓蒸汽送入管網供用戶其它工序使用，這時雙壓余熱鍋爐產生的 0. 5 MPa 以下的次低壓蒸汽沒有合適的用戶。此外，環冷機第三段的150 ℃以上低溫廢氣余熱，除北方部分的鋼鐵企業用于冬天采暖外，大部分鋼鐵企業將它直接排放大氣中。

2． 2 某鋼廠環冷煙氣余熱利用現狀及設想

某大型燒結機對燒結環冷煙氣余熱回收已較為充分，環冷熱風的利用共分點火助燃、余熱鍋爐產蒸汽、低溫余熱發電、外排四部分組成( 見圖 1) 。

雖然環冷煙氣余熱已較大部分被利用，但通過余熱梯級利用及利用機上鍋爐等新技術，仍可更好地實現余熱的利用與減排。

環冷機余熱梯級利用主要目的是提高余熱回收效率和環冷機零排放，通過最大限度地利用環冷機高品質余熱高溫煙氣，并兼顧利用低品質余熱中低溫煙氣，從而實現余熱回收效率最大化。其中，余熱產蒸汽、余熱發電是高品質余熱高效利用手段。此外，剩余的低品質余熱可以通過返回燒結機臺面提高燒結風溫，從而降低燒結工序能耗。為提升環冷余熱利用效率，可通過增加余熱鍋爐進風量及雙壓直聯鍋爐技術等，從而實現鍋爐多產蒸汽。

3 改造方案

某鋼廠四號燒結機設計燒結面積為 600 m ² ，利用系數 1． 35 t/m ² ·h，年產成品燒結礦 667 萬t，配套采用650 m ² 液密封環冷機，設計漏風率為10%。環冷機配置 5 臺冷卻風機，每臺風機風量為 62． 75 萬 Nm³ /h。針對某環冷余熱利用現狀，在原余熱回收的程度上，增加環冷煙氣循環返回燒結臺面、機上鍋爐等技術，進一步提高余熱回收效率^［4］。

3． 1 改造思路

圖 2 為現有環冷機熱平衡流程圖。可見，環冷機 11 軸線與 12 軸線之間約 300 ℃高溫熱風可用于點火助燃及熱風保溫; 環冷機高溫段( 1 # 、2 # 排氣筒附近) 熱風的熱量可采用直聯爐罩式余熱鍋爐技術回收熱能產生蒸汽; 環冷機中低溫段( 3 # 排氣筒) 熱風的熱量可采用低溫余熱發電技術回收熱能，余熱回收后的熱風匯合環冷機低溫段( 4 # 排氣筒) 熱風通過風機送到燒結機臺車面上的煙氣罩內^［5］。這些改造的優點主要體現在以下兩個方面:

( 1) 環冷機余熱鍋爐原采用常規單壓鍋爐，布置于環冷機旁，如采用直聯爐罩式雙壓余熱鍋爐，通過環冷機輻射熱，可進一步提高余熱回收效率。為了余熱鍋爐事故不影響燒結生產，設置環冷機余熱鍋爐時，在環冷機原有的排氣煙囪上增設閥門，一旦余熱鍋爐發生事故時，關閉余熱鍋爐取風閥門，打開煙囪上外排閥門，將余熱鍋爐從燒結生產系統中脫離，不影響燒結生產的正常運行。

( 2) 熱利用效率較低的中低溫段熱風，通過風管返回燒結機臺面，從而提高燒結溫度，減少燒結燃料消耗。

3． 2 燒結環冷熱平衡計算

現有環冷機廢氣利用主要包含以下幾個部分。

( 1) 環冷機受料點除塵，設計風量為 5． 8 萬Nm ³ /h;

( 2) 燒結機熱風點火系統，溫度為350 ℃，設計風量 12． 84 萬 Nm ³ /h;

( 3) 余熱鍋爐回收系統，廢氣溫度約為 400℃，設計風量為 70 萬 Nm 3 /h，換熱后，約 120 ～140 ℃的熱廢氣全部返回至環冷機風道;

( 4) 水預熱器系統，設計風量為 26． 7 萬Nm 3 /h，換熱后約130 ℃的廢氣經3 號煙囪外排;

( 5) 熱廢氣直接外排風量 200． 36 萬 Nm ³ /h。

為保證雙壓直聯余熱鍋爐的改造可行，需對熱平衡進行校核計算。雙壓直聯余熱鍋爐布置圖如圖 3 所示。可見，高參數段鍋爐采用機上布置，分為高參數 1 段、2 段和 3 段，其從下往上布置依次是: 高參數過熱器、1 # 高參數蒸發器; 2 # 高參數蒸發器; 3 # 高參數蒸發器; 低參數段鍋爐采用機外布置，從上往下依次是: 高參數省煤器、低參數過熱器、低參數蒸發器、水加熱器、除氧蒸發器和灰斗。余熱鍋爐進風量按 1 080 000 Nm ³ /h考慮，平均煙風溫度按 350 ℃ 考慮，余熱鍋爐計算匯總見表 1，若進風溫度發生變化，相應的計算值也發生變化。

由表 1 可知，雙壓直聯鍋爐增加高參數受熱單元，可充分吸收增加的余熱鍋爐進風量，實現鍋爐多產蒸汽的目標。

3． 3 改造方案

為了實施以上的改造思路，主要可采取以下措施:

( 1) 低溫煙氣循環利用改造。將 3 # 排氣筒全部煙氣和 4 # 排氣筒部分低溫煙氣經循環風管、循環風機、燒結機熱風罩等設施，回收利用于燒結機臺面。為了保證熱風罩內循環煙氣不外泄并充分考慮燒結臺車擋板變形的情況，熱風罩與臺車之間密封，使得在燒結機本體與熱風罩之間形成了一個固定的密封腔，來確保密封效果。同時，在熱風罩和風箱之間設有連接管，中間設置電磁閥，通過檢測熱風罩內的壓力，當臺車面壓力大于 0 時，打開旁通的電磁閥以控制循環熱風中的粉塵外溢;

( 2) 環冷風機串級利用改造。將 5 # 排氣筒廢氣經循環風機進入 2 # 、3 # 號鼓風機對應的風道;

( 3) 改造現有余熱鍋爐系統。為有效利用輻射熱，實施鍋爐能力提升改造，對原鍋爐設備進行爐管管束改造后，將其由環冷機旁移至環冷機上部;

( 4) 熱風點火系統改造。因余熱鍋爐回收廢氣量增加，熱風點火取風點需要予以優化變更，熱風溫度要穩定在 300 ℃，需考慮風機、管道等設施的移位和提升。

3． 4 改造后環冷機余熱利用流程

環冷余熱回收系統改造后，環冷機熱平衡流程如圖 4 所示，具體環冷機熱廢氣增加利用情況如下:

( 1) 余熱鍋爐回收系統改造后風量為 100 萬Nm ³ /h，較原利用風量增加約 30 萬 Nm ³ /h;( 2) 原直接外排風量為 200． 36 萬 Nm ³ /h，改造后可實現環冷煙氣無外排。外排煙氣由兩部分加以利用: 一部分為新增熱風循環系統，風溫約為100 ℃，設計風量為96 萬 Nm 3 /h; 一部分為環冷機串級利用系統，設計風量為91．9 萬 Nm ³ /h。由圖 4 可知，環冷熱廢氣經機上鍋爐技術、熱風循環至燒結臺面及環冷原外排廢氣串級利用等，可提高能源利用效率，并可實現零排放。

4 改造預期效果

目前，某鋼廠四號燒結機燒結工序能耗約為48．83 kgce/t，如進行以上改造，預計環冷產蒸汽能力增加約 30%，并可提高燒結風溫，從而降低燒結燃料消耗，折算標煤約 2 kgce/t，可降低燒結工序能耗約 5%，可達到國際清潔生產的先進水平。此外，改造前環冷機外排廢氣顆粒物通常處于超標狀況，最高可達 130 mg/Nm 3 ，并且外排溫度也在 100 ℃以上，剩余熱量未實現回收利用，改造后可實現環冷熱廢氣零排放。

參考文獻

［1］ 張興苗，李海英，姬愛民，等． 燒結環冷機廢氣余熱回收的分析［J］． 節能，2013，375( 12) : 38 －41．

［2］ 劉傳鵬，李國俊，林文佺，等． 環冷機余熱回收與利用系統的能量分析［J］． 鋼鐵，2005，39( 12) : 60 －66．

［3］ 徐啟明，蘭軍鵬，石偉麗，等． 環冷機密封對燒結余熱回收效率影響的研究［J］． 冶金設備，2014，36( 4) : 47 －49．

［4］ 張衛亮，馬忠民，周海平，等． 燒結工藝余熱回收利用技術研究［C］/ /2015 鋼鐵企業中低溫余熱回收與高效利用新設備、新技術交流會論文集，2015．

［5］ 王峰． 一種燒結環冷機煙氣余熱梯級利用系統［J］． 礦業工程，2013，11( 6) :63 －65．