單良杰 孫岳琦 楊利興 王輝 劉寶奎 張靖雨
（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司煉鐵部 遼寧營口115007 ）
摘要：鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司超低排放技術改造，煉鐵部針對大宗固廢的綜合治理工作，磨煤機系統的混合配煤工藝的綜合再利用應用進行了一些研究,實現固廢產品顆粒的資源化利用。本文對高爐冶煉磨煤機生產環節中的復合燃料顆粒處理工藝進行了分析，然后對其資源化混合噴吹利用展開了探索。
關鍵詞：固廢；磨煤機；復合燃料顆粒
近年來隨著國家發改委近日修訂發布了新版《產業結構調整指導目錄》等相繼出臺，國家對鋼鐵冶金生產企業的環保生產，冶金綜合利用提出了嚴格的要求。因此實施節能減排、實現清潔生產、實現大宗固廢的綜合利用工作，治理大宗固廢顆粒、環保回收污染顆粒的綜合再利用，已成為鋼鐵行業適應社會發展要求，是今后走可持續發展道路的一種必然選擇和發展趨勢。是鋼鐵冶金生產企業推進對提高資源利用效率、改善環境質量、促進全面綠色轉型發展具有重要意義；國內重點鋼企對等副產品顆粒的再利用應用進行了一些研究,實現固廢產品顆粒的資源化利用。本文對高爐冶煉磨煤機生產環節中的復合燃料顆粒處理工藝進行了分析，然后對其資源化混合噴吹利用展開了探索。
1 工程背景與難點
鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司是具備全流程生產工藝的現代化冶金企業。高爐冶煉全套生產工藝，近年來隨著鞍鋼股份有限公司安全環保部、鲅魚圈鋼鐵分公司煉鐵部積極響應政府號召，有序穩步推進鋼鐵行業超低排放，2023年間，陸續對鲅魚圈鋼鐵分公司內的設備設施實現了技術改造，特別是煉鐵部的高爐、煤粉、運上料等系統擴充新增除塵設施，為了實現全流程生產過程中的生產顆粒物排放低于≤10mg/Nm3的要求，我們鲅魚圈鋼鐵分公司陸續改造了部分超低排項目，其中的副產品回收的煤粉類的除塵灰等固廢的綜合利用工作也陸續實現了回收利用。通過環保設施回收的煤粉揚塵污染顆粒經過收集后混合進入煤粉原料煤中，實現高爐噴吹綜合再利用、也相應實現了循環利用，對原有的干熄焦資源化利用實現了補充。
但是，對比原有的干法熄焦混合配煤工藝，也相應的需要進行適應性調整與進一步的研究。
2 關鍵問題分析及解決
2.1 原有的干熄焦顆粒制煤資源
隨著干熄焦技術的普遍應用，產生數量可觀的大量干熄焦除塵灰。相關資料表明，煉焦生產產生的除塵灰大約占到焦炭產量的4％左右。同行業單位一些鋼廠將干熄焦除塵灰用于燒結生產原料，取代部分焦粉或無煙煤：或者收集焦粉都用在發電廠置換動力煤，這部分焦粉只能露天堆積存放在加濕后運輸，全程開放式的操作，使現場環境污染嚴重，工藝是比較落后的。
基于以上的問題考慮，2018年以來我國國內大部分鋼鐵聯合企業都相應的提出了干熄焦顆粒代替一定比例的無煙煤用來替代高爐噴吹煤原料的實驗，經原料皮帶系統輸入磨煤機制備環節，經噴吹系統加壓噴入高爐爐缸參與燃燒，用以置換昂貴的焦炭燃燒熱量的設想。如果該設想能夠實現，不僅可以緩解鋼鐵企業噴煤量需求不斷增加，也緩解采購噴吹的無煙煤資源有限的矛盾。鲅魚圈鋼鐵分公司也陸續實現干熄焦資源化利用。
鲅魚圈鋼鐵分公司化工煉焦生產為干法熄焦，焦炭在熄焦和運輸過程中產生大量粉塵。2018-2020年間，化工工序兩套干熄焦裝置產生焦粉數量預計年產為2萬噸（60-100 t/d*365）, 其數量是相當可觀的。一是這部分焦粉的理化性能從化學成份看與焦炭相仿。從粒度組成看與高爐用煤粉相差無幾，燃燒理化指標基本相同，完全可以作為燃料噴入高爐，做到物盡其用，二是回收利用可以降低焦炭使用量，進一步平衡生鐵成本。三是，通過干熄焦顆粒制煤資源的利用，相應減少原有的工藝堆放成本，可以優化鲅魚圈鋼鐵分公司整體效益，處置環保固化物堆放，排放等一系列相關問題的解決，具有重要的現實應用價值，已投入使用十余年，設備運行非常穩定。
2.1.1干熄焦顆粒置換煤粉的理化分析與問題
決定噴煤置換比因素有：煤粉灰分，粒度，理論燃燒溫度，煤氣利用。
2.1.1.1噴煤灰分，粒度 目前我廠高爐使用無煙煤噴吹，灰分在14％～16％左右，灰分比較高，影響了置換比，一般經驗表明，煤粉灰分降低1％，提高置換比1．4％～1．5％；煤粉粒度越細單位煤粉表面積越大，碳氧反應越快，相應的反應時間越短，置換比就高；
2.1.1.2理論燃燒溫度：在一定范圍內隨理論燃燒溫度升高置換比相應提高，當理論燃燒溫度低于某界定值，由于煤粉的熱補償不夠，影響爐缸煤氣與渣鐵之間的正常熱交換，置換比會大幅下降，保持爐缸溫度及提高理論燃燒溫度，可適度提高置換比。
從理化分析可知，干熄焦除塵灰的性質與無煙煤非常相似，二者都具有固定碳含量高、揮發分低及硫含量低等特點。缺點是由于干熄焦除塵灰基本無黏結性，顆粒輕，物料吸水率極低，對煤粉生產中的配煤物料選擇要求更高，當添加比例超過1％左右的時候，投注到原有配煤皮帶上的干熄焦除塵灰，也會產生的除塵灰飛揚等顆粒逃逸的現象，可操作性降低，環保壓力增加。需要提高工藝或者尋找更加合理的配煤工藝。
2.2 高爐區域環保塵灰物料收集處理工藝分析與問題
高爐區域內產生環保塵灰的工藝環節較多，由各級煤、礦原料皮帶，運料倉儲環節，燒結制備工藝，球團生產工藝環節、高爐本體除塵灰，高爐瓦斯灰等處產生。其中高爐爐塵灰是高爐冶煉過程中產生的副產品之一，是隨高速上升的煤氣流帶離高爐的細粒爐料，含有鐵和碳等多種元素的自由態和結合態以及復合物，是一種質量輕、顆粒微小且含有多種有害有毒的物質，是鋼鐵企業主要崮體排放物之一。其理化指標與原料燃燒的特性與原有的干熄焦除塵灰類似。
2023年間，陸續對鲅魚圈鋼鐵分公司內的設備設施實現了技術改造，特別是煉鐵部的高爐、煤粉、運上料等系統擴充新增除塵設施，為了實現全流程生產過程中的生產顆粒物排放低于≤10mg/Nm3的要求，我們鲅魚圈鋼鐵分公司陸續改造了部分超低排項目，其中的副產品回收的煤粉類的除塵灰等固廢的綜合利用工作也陸續實現了回收利用。通過環保設施回收的煤粉揚塵污染顆粒經過收集后通過罐車運輸到原有的煤粉干熄焦處，新建一套單獨的布袋除塵裝置與煤粉干熄焦輸料裝置連通，將其按特定的比例混合進入煤粉原料煤中，參與制備煤粉，通過噴吹系統供應高爐風口噴吹使用。這樣可以實現高爐區域環保塵灰物料綜合燃料的再利用、也可以把生產環節中每年產生的30-40噸大顆粒廢固物集中返焦顆粒和煤粉外排顆粒，通過返料皮帶或者車輛運輸環節，送回煤粉上料系統皮帶實現再利用。相應實現了大顆粒廢固物循環利用，對原有的干熄焦資源化利用實現了補充。
3 混合料噴吹的噴吹工藝的改造
焦粉噴吹工藝：鲅魚圈廠在2008年-2009年期間，委托鞍鋼設計院，按60-100t/d設計新建設計一套焦粉罐裝置，建設一套焦粉罐裝置包括一組焦粉噴吹儲罐，單體容積40m3 ,焦粉比重按0.6-0.7計算可儲焦粉24t。在其下部裝有隔離閘板閥，安裝調速星形卸灰閥和雙輪攪拌加濕機。實現顆粒的混合進入煤粉原料內，通過皮帶運輸到配煤倉，實現煤粉磨煤機生產用原料的混合生產。
焦粉工藝流程：鲅魚圈廠利用密閉罐車從化工煉焦車間處，把集中收集的焦粉裝車，運到制粉車間原煤膠帶機上方的焦粉噴吹儲罐處，用密閉罐車的氣源動力把焦粉加壓吹入焦粉噴吹儲罐內。焦粉通過星形卸灰閥進入雙輪攪拌加濕機，把焦粉通過霧狀噴淋加濕攪拌成不再揚塵的膠粘狀態后，輸送原煤的原煤膠帶機的上面，隨同原煤均勻加入原煤倉，與原煤一起進入磨煤機，參與磨煤機制備生產干燥的200目合格煤粉顆粒，通過噴吹系統供應高爐風口噴吹使用。
原設計的問題在于，如果新增加環保塵灰物料來源多為煤皮帶礦皮帶的揚塵顆粒，直徑較小，顆粒較輕，可能會導致混合料中干熄焦顆粒混合過多，因吸水率不均，結渣堵塞原煤通道。因此,考慮其特性性,應控制物料的上料混合速度,保證均勻上料,速度不能過快或過慢,以防止混合不均，集料等設計不足,如果條件允許,后期陸續加裝設置了噴霧調流設備。以實現充分的混合攪拌，增強其膠合團聚，方便投料。
4 效果分析
4.1 如何將資源有效整合利用
綠色金融研究中心報告顯示，在長流程冶金生產流程中：煉鐵、煉鋼、煉焦、燒結/球團、高爐工序等煉鋼工藝的前置步驟，消耗了鋼鐵生產70%以上的能源，導致了額外的原料消耗、空氣污染、能源消耗及二氧化碳排放。
根據2021年鋼協會員單位能源消耗評述，國內重點鋼企燒結工序能耗為48.5千克標煤/噸，最低能耗為38.48千克標煤/噸；球團工序能耗為25.23千克標煤/噸，最低能耗為15.29千克標煤/噸。綠色金融研究中心發布的報告指出，球團工藝各項污染物都處于較低水平，明顯優于燒結工藝。若從造塊環節減少碳排放，采用球團礦代替燒結礦作為高爐主要原料能帶來巨大的碳減排效應。從技術上看，燒結與球團是對鐵礦粉加工的兩個重要工藝，均屬于粉造塊的工藝，為了生產適合高爐煉鐵的原料。相比之下，球團生產對鐵料原料的要求更為嚴格，要求鐵精粉粒度較細，產生的粉塵顆粒較多，近年來國內所有的鋼鐵企業，為了實現生產過程中的生產顆粒物排放低于≤10mg/Nm3的要求，大量建設超低排項目，其中的副產品回收的煤粉類的除塵灰等固廢的綜合利用工作前景十分廣闊，以有逐年升高的趨勢。
4.2 混合料在社會層面中的應用分析
混合料噴吹是近年研究高爐噴吹多元化的新課題、廢舊塑料，廢舊橡膠輪胎垃圾等顆粒等物料顆粒的造粒，廢固廢棄物造粒入高爐風口噴吹替代部分人造焦炭，供應高爐反應熱量，形成新的產業，還能夠降低對天然煤的過度依賴開采,且燃燒熱值等同或者略高于煤粉顆粒的燃燒值，廢塑料是目前處理社會廢塑料各種途徑中能量利用最高、污染最少的一種替代焦碳煤粉的原料解決方案，只要解決廢塑料顆粒造粒與煤粉物料的混合合理比率，同樣的噴吹輸送到高爐，因此研究廢塑料氣力輸送是實現高爐噴吹廢塑料的重要環節。
相關研究表明，在高爐噴吹環境中，氣力輸送的關鍵條件就是固氣比，它是非常重要的一個輸送參數，固氣比提高、可以提高輸送能力，可以節省能源；在輸送等量廢塑料的情況下，提高固氣比，將減少鼓人高爐的冷風量，這將有助于提高爐內溫度，幫助高爐減少熱量消耗。相關研究表明，在實驗室環境中給料速度及氣流量一定的條件下，顆粒粒度在5～10 mm之間多種混合塑料顆粒，溫度大約110～120℃造出的顆粒只是部分微熱塑化，噴吹顆粒的密度受溫度影響，粘結較松，密度較小。因而不超過150℃適當的提高造粒溫度可以提高密度，從而進一步提高混合顆粒的流動能力。因此相應的也需要在工業生產的實際研究中，進一步驗證與實驗，如果其實際應用也在逐漸的被推廣和應用。
4.3 工程中應用的主要問題
實驗室環境表明，煤與廢舊塑料顆粒的混合燃燒的最佳條件為空氣流量為 400 ml／min，塑料粒度為0.8mm，塑料比例為30％， 在這個條件下添加廢舊塑料可以對煤粉在高溫下燃燒性能有所提高。兩種主要的廢塑料在高溫燃燒下產生的灰燼量2％。8％皆低于煤粉所產生的灰燼量11％。 采用廢塑料和粉煤混合實行高爐噴吹在技術上是可行的。隨著國際市場上多元化的格局競爭，但不斷的深入研究，提高了智能化操控水平和設備壽命的提高；未來開發了高爐冶煉過程中添加焦粉，高爐除塵灰，混合微塑料，廢舊橡膠輪胎造粒，等合成顆粒的強化合成顆粒噴吹、從而進一步消納全社會產生廢固廢棄物的工業實驗，實現資源化利用；強化冶金企業消納社會生產生活產生廢固廢棄物的應用，
4.4 建議
近年來隨著社會經濟科技的不斷飛速發展,未來基于高爐噴吹顆粒物料的實際應用優勢還會有一定進步,不僅能夠降低整體采購成本，引導社會廢固廢棄物造粒入高爐風口噴吹替代部分人造焦炭，供應高爐反應熱量，從而形成一套完整的產業循環體系，一方面消除社會產生廢舊塑料，廢舊橡膠輪胎垃圾等顆粒等物料顆粒的排放壓力，形成新的產業，一方面還能夠降低對天然煤的依賴開采,實際應用也在逐漸的被推廣和應用。
伴隨社會經濟和科技兩方面的不斷發展,我國鋼鐵企業的現階段生產工藝中對于廢固物的使用逐漸趨于成熟化,不論是從生產工藝流程還是到原料替代生產中,顆粒燃料的替代燃燒、還是從球團礦料在反應器室內實驗室觀察理論指標到氫冶金實踐實驗工程中都積累了很多的實踐經驗,為我國鋼鐵企業的未來發展的相關研究工作奠定了一定的基礎。現階段雖然在混合噴吹生產穩定性以及對環境的和睦性方面仍存在一定的技術問題,但隨著不斷的深入研究，提高了智能化操控水平和設備壽命的提高；未來開發了高爐冶煉過程中添加混合微粉煤與廢塑料合成顆粒的強化噴吹、混合廢輪胎粉碎顆粒與煤顆粒的合成顆粒噴吹、從而進一步消納全社會產生廢固廢棄物的工業實驗，實現資源化利用；強化冶金企業消納社會生產生活產生廢固廢棄物的應用，未來基于高爐噴吹顆粒物料的實際應用優勢還會有一定進步,不僅能夠降低整體采購成本，引導社會廢固廢棄物造粒入高爐風口噴吹替代部分人造焦炭，供應高爐反應熱量，從而形成一套完整的產業循環體系，一方面消除社會產生廢舊塑料，廢舊橡膠輪胎垃圾等顆粒等物料顆粒的排放壓力，形成新的產業，一方面還能夠降低對天然煤的依賴開采,因此說,廢固廢棄物造粒混合生產應用問題在未來社會發展中的應用前景將非常的廣闊。
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