燒結(jié)球團(tuán)環(huán)冷機(jī)高溫廢氣余熱回收應(yīng)用與研究

何鐵牛

(太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司礦業(yè)分公司 峨口鐵礦， 山西 代縣 034207)

0 前言

峨口鐵礦是太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司主要球團(tuán)礦原料基地，150萬t/a豎爐燒結(jié)球團(tuán)廠始建于1990年，2003年將150萬t/a豎窯球團(tuán)的基礎(chǔ)上通過局部利舊，改造為220萬t/a鏈篦機(jī)+回轉(zhuǎn)窯+環(huán)冷機(jī)燒結(jié)球團(tuán)廠，2004年底建成并開始試生產(chǎn)，12月正式投產(chǎn)，主要擔(dān)負(fù)峨口鐵礦220萬t/a鐵礦粉燒結(jié)球團(tuán)生產(chǎn)任務(wù)，到2018年底累計(jì)生產(chǎn)燒結(jié)球團(tuán)3 000萬t左右。

峨口鐵礦燒結(jié)球團(tuán)廠為鏈篦機(jī)+回轉(zhuǎn)窯+環(huán)冷機(jī)生產(chǎn)工藝，鏈篦機(jī)為B4.5×46 m，有效面積為207 m2，主要作用是預(yù)熱和運(yùn)輸生球；回轉(zhuǎn)窯為Φ5.9×38 m，主要作用是中心噴煤及高溫加熱燒結(jié)生球；環(huán)冷機(jī)為13B426，中經(jīng)為Φ18.5 m，冷卻臺(tái)車數(shù)量40組，冷卻燒結(jié)球能力300 t/h，有效冷卻面積為121 m2，主要作用是冷卻燒結(jié)后的高溫熟球，環(huán)冷機(jī)給料球溫度≤1 250 ℃，經(jīng)過環(huán)冷機(jī)循環(huán)風(fēng)冷卻后，卸料球溫度≤150 ℃。改進(jìn)前燒結(jié)球團(tuán)廠生產(chǎn)過程中在環(huán)冷機(jī)上產(chǎn)生大量高溫廢氣(高溫尾氣或高溫?zé)煔?直接排放于大氣中，對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生較大污染。還有改進(jìn)前球團(tuán)廠采用2臺(tái)20 t燃煤鍋爐給球團(tuán)工業(yè)園區(qū)及生活區(qū)供暖，燒結(jié)球團(tuán)高溫尾氣和鍋爐廢氣煙塵對(duì)周邊空氣和環(huán)境產(chǎn)生較大的污染。近年來，隨著社會(huì)的發(fā)展，新環(huán)保法對(duì)燒結(jié)球團(tuán)廠生產(chǎn)提出更高標(biāo)準(zhǔn)和更嚴(yán)要求，因此現(xiàn)在燒結(jié)球團(tuán)企業(yè)，必須回收利用燒結(jié)球團(tuán)所產(chǎn)生的高溫污染尾氣，替代改進(jìn)前2臺(tái)20 t取暖燃煤鍋爐，降低取暖成本,節(jié)省煤耗，減少污染物排放，改善環(huán)境，提升競(jìng)爭(zhēng)力和生存空間，具有極大經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)意義和推廣價(jià)值。

1 改進(jìn)前環(huán)冷機(jī)高溫廢氣余熱排放現(xiàn)狀

1.1 改進(jìn)前環(huán)冷機(jī)高溫廢氣排放現(xiàn)狀

改進(jìn)前燒結(jié)球團(tuán)廠環(huán)冷機(jī)循環(huán)風(fēng)冷卻高溫球團(tuán)礦(1 250 ℃左右)生產(chǎn)后高溫廢氣直接排放于大氣中，沒有經(jīng)過余熱回收利用和脫硫、脫硝環(huán)保工藝處理，環(huán)冷機(jī)煙囪直接排放廢氣中二氧化硫濃度達(dá)到3 000 mg/m3，排放溫度達(dá)到150 ℃以上，由于國(guó)家新環(huán)保法的實(shí)施，高溫廢氣必須經(jīng)過脫硫、脫硝等改造后，才能高空排放。2017年初環(huán)冷機(jī)高溫廢氣經(jīng)過余熱回收利用、脫硫和脫硝環(huán)保工藝改進(jìn)后，煙囪內(nèi)廢氣二氧化硫排放濃度≤100 mg/m3，排放溫度≤60 ℃，大大低于國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了超低排放。

1.2 改進(jìn)前2臺(tái)20 t燃煤鍋爐現(xiàn)狀

改進(jìn)前燒結(jié)球團(tuán)廠采用2臺(tái)20 t燃煤鍋爐給球團(tuán)工業(yè)園區(qū)供暖，每小時(shí)消耗燃煤2.5 t/臺(tái)，消耗燃煤18 000 t/a，燃煤鍋爐煙囪直接排放二氧化硫廢氣380 t/a，氮氧化物廢氣150 t/a，直接排放顆粒煙塵廢物400 t/a；由于新環(huán)保法的實(shí)施，改進(jìn)前2臺(tái)20 t燃煤鍋爐必須停產(chǎn)升級(jí)，高溫廢氣排放必須符合國(guó)家新環(huán)保法的超低排放要求，或者對(duì)2臺(tái)20 t燃煤鍋爐排放高溫?zé)煔膺M(jìn)行脫硫和脫硝改造，才能繼續(xù)使用，需要環(huán)保改造投資800多萬元。

2 高溫廢氣余熱回收應(yīng)用研究與改進(jìn)措施

2017年太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司峨口鐵礦球團(tuán)廠(簡(jiǎn)稱峨口球團(tuán)廠)組織設(shè)計(jì)院和工程總公司，針對(duì)峨口球團(tuán)廠生產(chǎn)實(shí)際，從球團(tuán)生產(chǎn)工藝入手，進(jìn)行環(huán)冷機(jī)高溫廢氣數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)和實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果分析(見表1)，通過對(duì)與能源相關(guān)的工序的溫度、流量、壓力的連續(xù)監(jiān)測(cè)、采集，將其數(shù)據(jù)與前后工序數(shù)據(jù)對(duì)比、診斷，最終在環(huán)冷機(jī)與鼓干風(fēng)機(jī)之間，現(xiàn)場(chǎng)有一定的高溫尾氣應(yīng)用空間經(jīng)過相關(guān)專家多次交流、探討和測(cè)算，結(jié)合球團(tuán)廠生產(chǎn)實(shí)際，完成了余熱回收鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)(見表2)和環(huán)冷機(jī)高溫廢氣利用翅片管余熱回收鍋爐的研究、應(yīng)用和技術(shù)改造，替代改進(jìn)前2臺(tái)20 t燃煤鍋爐，每年可減少燃煤18 000 t，大大減少二氧化硫及二氧化碳等煙氣排放，極大減少環(huán)境污染。

表1 環(huán)冷機(jī)高溫廢氣采集統(tǒng)計(jì)與檢測(cè)結(jié)果

表2 余熱回收鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 環(huán)冷機(jī)高溫廢氣應(yīng)用與研究

燒結(jié)球團(tuán)環(huán)冷機(jī)高溫廢氣余熱回收利用翅片管式鍋爐(高效熱交換器)代替改進(jìn)前2臺(tái)20 t燃煤鍋爐，極大減少二氧化硫及二氧化碳煙氣排放量，減少環(huán)境污染，該系統(tǒng)是專門為燒結(jié)球團(tuán)工藝環(huán)冷機(jī)回收高溫廢氣余熱利用而專門研究的，設(shè)計(jì)環(huán)冷機(jī)余熱回收鍋爐工藝流程系統(tǒng)圖(見圖1)，該余熱回收系統(tǒng)主要由翅片管式廢氣余熱回收鍋爐(高效熱交換器)、連接管路、廢氣自動(dòng)調(diào)節(jié)閥等組成，蒸發(fā)器受熱面設(shè)計(jì)了專業(yè)的螺旋翅片管，具有強(qiáng)化傳熱及傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而其余熱回收系統(tǒng)整套裝置具有傳熱效率高，運(yùn)行可靠，操作簡(jiǎn)單，維修方便，工作安全穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)緊湊，外形美觀、采暖成本低等特點(diǎn)。利用余熱回收鍋爐所產(chǎn)生蒸汽可用于生活，取暖或澡堂用汽，也可以加熱混合料，冬天用于取暖，夏天用于發(fā)電。

圖1 環(huán)冷機(jī)余熱回收鍋爐工藝流程系統(tǒng)圖

2.2 環(huán)冷機(jī)余熱回收鍋爐設(shè)計(jì)與計(jì)算

(1)每小時(shí)余熱回收熱量應(yīng)根據(jù)廢氣進(jìn)、出溫度及尾氣流量等按公式(1)確定：

Qh≥Cp×G×(T入口-T出口)×R

(1)

式中Qh—每小時(shí)回收熱量，Kcal/h或kW/h；

Cp—尾氣定壓比熱，kJ (kg·℃)；

G—理論高溫廢氣質(zhì)量流量(計(jì)算)，kg/h；

T入口—煙氣(廢氣)入口溫度，℃；

T出口—煙氣(廢氣)出口溫度，℃；

R—換熱效率，常數(shù)系數(shù)。

(2)每小時(shí)節(jié)省煤量應(yīng)根據(jù)煤炭發(fā)熱值及燃燒效率等按公式(2)確定：

Mh=Qh/Qd/(100-μ)%

(2)

式中Mh—每小時(shí)省煤量，kg/h；

Qh—每小時(shí)回收熱量，kW/h；

Qd—煤燃燒發(fā)熱值(計(jì)算)，kcal/kg；

μ—鍋爐煤不完全燃燒率，%。

表3 余熱回收鍋爐熱交換檢測(cè)與計(jì)算結(jié)果

2.3 環(huán)冷機(jī)余熱回收鍋爐軟化水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新水經(jīng)過軟化系統(tǒng)軟化后的軟化水經(jīng)除氧器除氧進(jìn)入鍋爐鍋筒，鍋筒內(nèi)的軟化水經(jīng)下降爐管流進(jìn)蒸發(fā)器，蒸發(fā)器由環(huán)冷機(jī)高溫廢氣使?fàn)t管內(nèi)的軟化水加熱，產(chǎn)生的汽水混合物沿爐管上升到達(dá)鍋筒，為了得到更純凈的蒸汽，該系統(tǒng)設(shè)置了二次汽水分離裝置，經(jīng)二次分離后的比較純凈的飽和蒸汽送至球團(tuán)工業(yè)園區(qū)供暖。鍋爐鍋筒由給水泵補(bǔ)水，蒸發(fā)器由下降爐管從鍋筒內(nèi)補(bǔ)水，蒸發(fā)器與鍋筒之間可形成水汽的自然循環(huán)；經(jīng)多次熱力循環(huán)設(shè)計(jì)與校核，該系統(tǒng)為自然循環(huán)鍋爐，自身水動(dòng)力足以克服系統(tǒng)阻力，將蒸汽送到分汽缸，直至送到用戶。

2.4 環(huán)冷機(jī)余熱回收鍋爐高溫廢氣回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余熱回收鍋爐(熱交換器)設(shè)置于環(huán)冷機(jī)與鏈篦機(jī)之間的旁通煙道，通過主煙道與旁通煙道的高溫?zé)煔庥烧{(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)整，保證進(jìn)入余熱回收鍋爐煙氣(廢氣)入口溫度T入口為400 ℃左右，通過余熱回收鍋爐熱利用后的煙氣出口溫度T出口為254 ℃左右；次高溫?zé)煔?54 ℃左右再進(jìn)一步進(jìn)行余熱回收利用，預(yù)熱鏈篦機(jī)上面輸送的生球，因此經(jīng)過鏈篦機(jī)鼓干風(fēng)機(jī)廢氣溫度T出口為254 ℃左右，滿足鏈篦機(jī)鼓干段生球預(yù)熱溫度，生球預(yù)熱所需煙氣溫度可以電腦調(diào)節(jié)，(該參數(shù)可通過電腦畫面隨時(shí)設(shè)置)，設(shè)計(jì)高溫廢氣余熱回收工藝流程及總圖布置示意圖(如圖2所示)，廢氣經(jīng)過再一次余熱利用后，低溫廢氣又經(jīng)過脫硫和脫硝環(huán)保工藝處理后，廢氣直接排放，排放二氧化硫濃度≤100 mg/m3，排放溫度≤60 ℃，大大低于國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了超低排放。

圖2 高溫廢氣余熱回收工藝流程及總圖布置示意圖

3 余熱回收鍋爐改造后運(yùn)行狀況

2017年7月12日，太鋼峨口鐵礦組織工程總公司承擔(dān)了球團(tuán)廠《環(huán)冷機(jī)高溫廢氣余熱回收利用工程總承包合同》，經(jīng)過設(shè)計(jì)院精心設(shè)計(jì)，嚴(yán)格施工，于2017年10月21日進(jìn)行煮爐和試運(yùn)行，于10月24日20時(shí)轉(zhuǎn)入正式生產(chǎn)運(yùn)行。

以上為燒結(jié)球團(tuán)廠環(huán)冷機(jī)高溫廢氣余熱回收利用鍋爐24小時(shí)運(yùn)行記錄，通過數(shù)據(jù)分析，該余熱回收系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)全部達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，通過了設(shè)備性能達(dá)標(biāo)測(cè)試。

表4 2018年1月25至26日余熱回收鍋爐運(yùn)行記錄

4 高溫廢氣余熱回收技術(shù)應(yīng)用與研究

4.1 穩(wěn)定水動(dòng)力循環(huán)研究

余熱回收鍋爐翅片管式蒸發(fā)器是由若干個(gè)聯(lián)箱組構(gòu)成，每個(gè)聯(lián)箱組單獨(dú)進(jìn)出鍋筒，形成若干個(gè)簡(jiǎn)單自然循環(huán)回路，使水動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，熱偏差小，安全性好。

4.2 提高綜合傳熱效率研究

余熱回收鍋爐翅片管式蒸發(fā)器的傳熱是高溫廢氣通過管壁傳導(dǎo)，將熱量直接傳遞給軟化水，進(jìn)行相態(tài)換熱，屬一次性換熱，同時(shí)由于爐管內(nèi)是水汽混合物而管外是高溫廢氣，管內(nèi)的換熱系數(shù)較管外大的多，因此總的傳熱系數(shù)主要決定于管外的換熱系數(shù)，通過在爐管外表面焊接翅片來增大爐管外表面積，強(qiáng)化管外的換熱條件，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱、提高熱效率的目的。

4.3 提高受熱面耐磨性研究

由于環(huán)冷機(jī)高溫尾氣中攜帶大量煙塵，在設(shè)計(jì)余熱回收裝置時(shí)，為了強(qiáng)化傳熱，蒸發(fā)器管束采用了螺旋焊接翅片管，翅片的重要輔助功能是在耐磨性方面起到良好作用。一方面高溫尾氣中含塵顆粒首先與肋片相撞擊，失去了部分動(dòng)能；另一方面廢氣斜向沖刷，廢氣經(jīng)翅片后在管子的縱向和橫向做繞流運(yùn)動(dòng)，灰塵顆粒速度發(fā)生分解，又損失了部分動(dòng)能，從而減弱了對(duì)換熱管磨損和沖擊力，因而保護(hù)了換熱管，提高受熱面耐磨性。

4.4 優(yōu)化余熱回收系統(tǒng)研究

余熱回收系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，借鑒煉鐵廠燒結(jié)礦余熱回收應(yīng)用鍋爐并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，減小設(shè)備(水側(cè)、汽側(cè))自身阻力，克服了螺旋焊接翅片管增大系統(tǒng)阻力的缺點(diǎn)，利用螺旋輸送的優(yōu)點(diǎn)增大汽水循環(huán)動(dòng)力，使設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀合理。

5 改進(jìn)后效益

5.1 企業(yè)效益

余熱回收項(xiàng)目實(shí)施后，根據(jù)上面公式(1 環(huán)冷機(jī)余熱回收工藝流程系統(tǒng)圖)計(jì)算回收余熱Qh為4 138 200～6 860 700 kcal/h，可解決55 000～91 000 m2廠區(qū)供暖，完全可以代替改進(jìn)前球團(tuán)工業(yè)園區(qū)2臺(tái)20 t燃煤鍋爐供暖。

(1)改進(jìn)前：2臺(tái)20 t燃煤鍋爐供暖，需要燃煤690～1 143 kg/h(平均按916 kg/h計(jì)算)，礦區(qū)按150天采暖期，煤750元/t(包括儲(chǔ)運(yùn)、人工、排渣)，電費(fèi)0.5元/kW，用煤成本為916×24×150×750/1 000/10 000=247.32萬元；改進(jìn)前2臺(tái)20 t燃煤鍋爐維護(hù)檢修成本為100萬元(前幾年平均值)；改進(jìn)前2臺(tái)20 t燃煤鍋爐需要司爐工12人，人工成本為80萬元；改進(jìn)前2臺(tái)20 t燃煤鍋爐需要循環(huán)水泵一供一備功率約17.5 kW，燃煤系統(tǒng)功率20 kW，電氣及儀表耗電5 kW，用電成本為(17.5+5+20)×24×150×0.5/10 000=7.65萬元；因此，改進(jìn)前2臺(tái)20 t燃煤鍋爐供暖成本每年合計(jì)為247.32+100+80+7.65=434.97萬元。

(2)改進(jìn)后：用1臺(tái)余熱鍋爐代替2臺(tái)20 t燃煤鍋爐，現(xiàn)在余熱應(yīng)用鍋爐需要循環(huán)水泵一供一備功率約17.5 kW，電氣及儀表耗電5 kW，用電成本為(17.5+5)×24×150×0.5/10 000=4.05萬元；設(shè)備維護(hù)檢修費(fèi)按設(shè)備投資150萬元的3%計(jì)算為150×0.03=4.5萬元；1臺(tái)余熱鍋爐需要司爐工4人，人工成本為27萬元；因此，改進(jìn)后余熱鍋爐每年需要成本4.05+4.5+27=35.55萬元。

(3)綜上所述，通過改進(jìn)前后的對(duì)比，改進(jìn)后每年可節(jié)省成本為434.97-35.55=399.42萬元。

5.2 社會(huì)效益

(1)拆除2臺(tái)20 t燃煤鍋爐，可減少燃煤消耗18 000 t/a，減少二氧化硫廢氣排放380 t/a，減少氮氧化物廢氣排放150 t/a，減少煙塵顆粒廢物排放400 t/a，環(huán)保效益巨大；

(2)高溫尾氣余熱回收利用實(shí)施后，可減少環(huán)冷機(jī)煙囪排放二氧化碳8 935 t/a，二氧化硫及氮氧化物排放102.4 t/a。

6 結(jié)語

燒結(jié)球團(tuán)廠環(huán)冷機(jī)高溫廢氣余熱回收利用實(shí)施二年后，效果很好，巧妙應(yīng)用環(huán)冷機(jī)三段高溫廢氣設(shè)計(jì)余熱應(yīng)用翅片管式鍋爐(高效熱交換器)，蒸發(fā)器受熱面設(shè)計(jì)采用專業(yè)的螺旋翅片管，具有強(qiáng)化傳熱及傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而高溫尾氣余熱利用整套系統(tǒng)具有傳熱效率高，工作安全穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀等特點(diǎn)，多項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，獲得良好社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，即節(jié)約能源，減少污染，又降低供暖成本，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和操作性，值得推廣。