王忠英，張志剛，張 淼，張永濤，張 龍
( 中冶北方 ( 大連) 工程技術有限公司，遼寧 大連 116600)
摘 要: 氫冶金作為一項綠色低碳的先進技術，是實現我國鋼鐵行業減排的重要技術手段，在國內已開展了廣泛深入的研究。富氫燒結是氫冶金技術的重要組成部分，能夠有效降低燒結的工序能耗和燒結煙氣中的 CO2 排放，提出一種燒結富氫氣體噴吹系統，為富氫燒結的實現提供有益的參考。
關鍵詞: 富氫燒結; 噴吹系統; 減少碳排放
0 引言
近年來，隨著技術水平的不斷進步，我國鋼鐵行業一直處在高質量發展階段，在產品質量和節能減排方面都有很大提高。但是，由于我國鋼鐵行業仍然采用以高爐 － 轉爐為主的長流程工藝，噸鋼二氧化碳排放約 2. 2 t ［1］，與國外短流程工藝相比，仍處于較高水平，這對我國在預定的年份實現碳達峰與碳中和的目標非常不利。氫冶金作為一項綠色低碳的先進技術，是實現我國鋼鐵行業綠色低碳轉型的重要技術手段 ［2］，隨著研究的不斷深入，已取得了階段性的成果 ［3］。燒結工藝是鋼鐵流程的重要組成部分，主要采用焦粉或無煙煤等固體燃料供熱，工序能耗高，是鋼鐵行業碳排放的主要環節之一。而富氫燒結作為氫冶金的關鍵技術，能夠有效降低燒結的工序能耗和燒結煙氣中的 CO2排放［4］，已成為國內鋼鐵企業和學術界研究的熱點和重點 。本文提出一種燒結富氫氣體噴吹系統，為富氫燒結的實現提供有益的參考。
1 設計原則
燒結富氫氣體噴吹系統由噴吹裝置、管道系統、監控系統三部分組成。為了保證系統工藝流程的先進和合理，技術裝備水平和主要技術經濟指標達到國內同類型燒結機的先進水平，節約投資，遵循的設計原則: ①安全第一，以燒結生產工藝合理為基本原則，兼顧生產操作與檢修維護; ②在保證燒結正常生產的前提下，降低燒結的工序能耗，減少碳排放; ③充分利用現有設施和場地條件，最大限度地降低對燒結生產的影響; ④預留必要的接口和空間，為后續的技術升級改造創造有利條件。
2 噴吹系統
2. 1 噴吹裝置
噴吹裝置采用模塊化設計，每個模塊包括整流 罩、噴 吹 管 道、升 降 機 構、走 臺、支 架。 其中整流罩裝配包括軌道、車輪組、車架、罩體、密封裝置; 噴吹管道包括總管、分 支 管、柔性軟管、噴吹管排、管道支架; 升降機構包括管排吊架、多連桿機構、平衡吊梁、鋼絲繩、滑輪、滑輪架、多回轉執行器、旋轉主軸、鋼絲繩卷筒、帶座外球面軸承、支座等。
噴吹裝置設在燒結機料面上方，位于點火爐之后，與點火爐共用軌道，可根據需要移動。 模塊的數量根據燒結機的規模和需求設置，模塊的管道裝配總管均與天然氣供氣管道相通。噴吹裝置的功能是天然氣經分支管通向整流罩內部，經柔性軟管、噴吹管排噴吹出，與罩內氣體混合后進入燒結料層參加燒結過程。當噴吹高度需要調整時，可通過升降機構的多回轉執行器驅動，控制鋼絲繩帶動多連桿機構實現噴吹管排的升降調節，從而調整噴吹管排距離料面的高度。
2. 2 管道系統
管道系統指除了噴吹裝置內部管道以外的管道，是給噴吹裝置提供氣體燃料并保證用氣安全的系統，主要包括富氫氣體管道、氮氣管道、壓縮空氣管道、管道支架、閥門、管件等。
管道系統及相應的介質條件具體要求:
1) 富氫氣體管道。該管道為噴吹裝置提供富氫氣體燃料。為了方便生產，管道上設流量計和調節閥，可根據生產實際需要調整富氫氣體的供應量。富氫氣體一般選擇天然氣，要求熱值≥33. 5 MJ/Nm3 。與外部管網的接口位置在燒結主廠房外 1. 0 m處，接口處的天然氣壓力6 000 ～ 8 000 Pa。為了保證天然氣的燃燒性能和管道防腐，要求天然氣無雜質、不能含有水，如果含水量大，需要在管道接口處設除水裝置。
2) 氮氣管道。為了保證富氫氣體管道的安全運行，在管道上設置惰性氣體吹掃接口和放散管。當富氫氣體管道通氣前或通氣結束后，采用惰性氣體對管道內殘存的空氣或富氫氣體進行吹掃清除，防止管道發生爆炸。惰性氣體通常采用氮氣，管道接口位置在燒結主廠房外1. 0 m 處，氮氣接口壓力0. 4 ～ 0. 8 MPa，要求無水、無雜質。同時，在接口總管道上設流量計和關斷閥，可根據需要控制氮氣的用量，保證其正常運行。
3) 壓縮空氣。其用于氣動設備和儀表吹掃，每個噴吹裝置模塊的用氣設備有氣動調節閥、氣動關斷閥、流量計吹掃、熱像儀冷卻及吹掃。壓縮空氣管道接口位置在燒結主廠房外1. 0 m 處。為了保證氣動設備的正常工作，壓縮空氣要求: ①氣源接口壓力為 0. 5 ～ 0. 8 MPa;
②壓縮空氣中油分含量≤10 mg /m3 ，無明顯的有害氣體或蒸汽; ③壓縮空氣中的雜質 ( 固體微粒) 含量應小于 0. 1 mg /m3 ，塵粒的直徑不大于 3 μm; ④壓縮空氣的露點應比環境溫度限值至少低 10 ℃。
2. 3 監控系統
監控系統是實現噴吹系統自動安全運行的關鍵設備，由自動檢測子系統、自動控制子系統、安全管理子系統三部分組成。
1) 自動檢測子系統。該子系統包括天然氣壓力檢測、天然氣流量檢測、天然氣溫度檢測、氮氣壓力檢測、氮氣流量檢測、壓縮空氣壓力檢測、壓縮空氣流量檢測、整流罩內部煙氣壓力檢測、整流罩內部煙氣溫度檢測、風箱支管煙氣壓力檢測、風箱支管煙氣流量檢測、風箱支管煙氣溫度檢測、天然氣泄露檢測等項目。所有檢測通過安裝在管道或整流罩上的壓力傳感器和流量計實現。自動檢測子系統的主要功能是將所有檢測項目采集到的數據同時送至自動控制子系統和安全管理子系統，作為基礎數據，保證整個噴吹系統的正常運行。
2) 自動控制子系統。該子系統包括天然氣壓力控制、天然氣流量控制、氮氣壓力控制、 氮氣流量控制、壓縮空氣壓力控制、壓縮空氣流量控制、整流罩內部煙氣壓力控制、整流罩內部煙氣溫度控制。所有控制通過安裝在管道或整流罩上的自動調節閥實現。自動控制子系統的主要功能是先預定設置好噴吹系統的設計工作參數。當系統收到自動檢測子系統反饋的數據后，根據生產需要自動調節相關的閥門開度，將系統參數調整至設計值，保證生產的正常運行。
3) 安全管理子系統。該子系統包括智能聯鎖安全防護系統、報警系統、放散管、快速切斷閥、泄爆閥等。安全管理子系統的主要功能是預先設置好噴吹系統的報警和智能聯鎖的工作參數。當系統收到自動檢測子系統反饋的數據后，智能聯鎖系統進行判定，如果參數達到報警值，將信號反饋給控制系統重新調整相關參數; 如果參數達到停機值，將信號反饋給控制系統自動關閉相應的快速切斷閥。另外，為了防止富氫氣體因某些不可控原因導致壓力突然增大而損壞設備或發生爆炸的情況出現，可通過泄爆閥釋放壓力，保證系統的安全。
同時，考慮系統調試時不影響燒結機的正常運行，監控系統采用獨立于燒結控制系統之外的單獨控制系統，并可與燒結控制系統進行通訊。這樣不但能夠保證安全生產，而且還能夠根據燒結生產的實際需要，實現天然氣噴吹系統的獨立自動控制與調節，不受燒結控制系統的約束。
3 系統特點
1) 噴吹裝置采用模塊化設計和制作，可實現在線安裝，操作與維護簡便。
2) 各模塊的天然氣噴吹裝置可實現獨立開啟，可根據生產需要獨立調節各模塊的天然氣噴吹量，調控手段靈活。
3) 燃氣噴吹裝置可根據用戶要求預留相應的設備或裝置的接口，為今后的擴容或改造創造有利的條件。
4) 配套設置了完善的監控手段，可實現天然氣噴吹作業的合理化、均勻化、智能化。
5) 噴吹管道與燒結料面的高度可自主調節，實現各模塊距離料面的孤獨自主調節，滿足燒結生產的需求。
6) 配套設置了完善的安全設施，確保天然氣無逃逸、無異常著火、無爆炸。
4 結語
在現有條件下，當燒結工序主要采用碳基固體燃料為燒結供熱時，生產 1 t 燒結礦的燒結工序能耗準入值為≤50 kg標煤 /t ［5］，CO2 排放量約為 150 kg / t ［6］。對比同等正常的燒結工況條件下，如果采用本燒結富氫氣體噴吹系統，當天然氣噴入量為 1 Nm3 /t 時，預期達到的技術指標為燒結工序能耗降低 3 ～ 5 kg標煤 /t，燒結工序CO2 排放量降低 10 ～ 15 kg / t。
參考文獻:
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