燒結(jié)礦豎式冷卻工藝及其工業(yè)應(yīng)用關(guān)鍵問題

祁騰飛,孫俊杰,許相波,畢傳光,張永杰

(1.東北大學,遼寧 沈陽 110819; 2.寶山鋼鐵股份有限公司,上海 201999;3.上海梅山鋼鐵股份有限公司,江蘇 南京 210039)

能效提升是快捷、經(jīng)濟、可行的減碳方式之一,是鋼鐵行業(yè)應(yīng)對碳達峰、碳中和的關(guān)鍵路線,也是未來十年關(guān)鍵低碳過渡期重點方向之一。目前,我國鋼鐵行業(yè)以高爐—轉(zhuǎn)爐長流程為主,燒結(jié)工序總能耗占鋼鐵生產(chǎn)總能耗10%左右,提高燒結(jié)工序能效是鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)低碳減排、清潔生產(chǎn)的重要手段。燒結(jié)礦顯熱占燒結(jié)機總輸出熱量的35%～40%,且顯熱品質(zhì)高、數(shù)量大,易被空氣介質(zhì)攜帶并回收,是燒結(jié)余熱資源回收重點[1]。目前,燒結(jié)礦經(jīng)環(huán)冷機冷卻,由于設(shè)備固有原因,漏風率高,這不僅增加耗風量、粉塵排放量,而且限制了燒結(jié)礦顯熱回收。環(huán)冷機中燒結(jié)礦溫度逐漸下降,中后段產(chǎn)生大量回收價值受限的100～200 ℃中低溫煙氣。鑒于此,燒結(jié)礦顯熱豎冷爐回收技術(shù)引起行業(yè)關(guān)注。

1 燒結(jié)礦豎式冷卻技術(shù)

受干熄焦技術(shù)啟發(fā),國內(nèi)學者于2006年提出燒結(jié)礦豎式冷卻技術(shù)[2],其核心設(shè)備為燒結(jié)礦豎冷爐,爐內(nèi)燒結(jié)礦和冷卻氣體相向運動,既降低耗風量又可減少粉塵無組織排放,還能提高燒結(jié)礦顯熱回收率。文獻[3]以國內(nèi)某360 m2大型燒結(jié)機為例,理論計算了燒結(jié)礦產(chǎn)量500 t/h,熱燒結(jié)礦溫度700 ℃,顯熱313.6 GJ/h,豎冷與環(huán)冷熱回收效果,如表1所示。結(jié)果表明,采用豎式冷卻工藝,燒結(jié)礦顯熱回收率達80%,比環(huán)冷工藝高35%;回收的熱量達250.9 GJ/h,比環(huán)冷工藝高109.8 GJ/h,折合標煤3 746.1 kg/h(1 kg標煤=29.3 MJ);更有意義的是由于逆流換熱,回收熱的品位也明顯提高。

表1 豎冷與環(huán)冷工藝節(jié)能效果對比

2015年,天津天豐鋼鐵在150 m2步進式燒結(jié)機改造中成功實施首個燒結(jié)礦豎式冷卻工程示范項目。江陰興澄特鋼、河北天柱鋼鐵、梅山鋼鐵有限公司、鞍鋼也先后實施了該技術(shù)。天津天豐鋼鐵、寶鋼股份、冶金工業(yè)信息標準研究院和東北大學還聯(lián)合制訂并發(fā)布該工藝設(shè)計規(guī)范行業(yè)標準。燒結(jié)礦豎式冷卻技術(shù)已逐步轉(zhuǎn)入工程應(yīng)用階段。

2 梅鋼燒結(jié)礦豎式冷卻技術(shù)

2.1 工程實施進展

2015年8月,梅鋼技術(shù)中心、煉鐵廠與寶鋼股份中央研究院一道前往天津天豐鋼鐵進行技術(shù)應(yīng)用效果考察,經(jīng)與設(shè)計方多次深入交流,認為該技術(shù)雖不十分成熟,但具有較好節(jié)能環(huán)保收益,工程實施基本可行,遂決定立項將梅鋼3#燒結(jié)環(huán)冷機改造為豎式冷卻爐并配套建設(shè)發(fā)電機組。

梅鋼3#燒結(jié)機豎冷爐內(nèi)部爐膛截面為矩形,同時借鑒天津天豐鋼鐵經(jīng)驗,設(shè)置多個排料口,實行多排料口交替排料。項目自2017年開始建設(shè)并于2018年4月建設(shè)完成。經(jīng)數(shù)次對受料裝置、爐內(nèi)布料裝置、排料制度等優(yōu)化改進,2018年11月豎冷爐發(fā)電機組并網(wǎng)發(fā)電。梅鋼燒結(jié)礦豎式冷卻工藝流程如圖1所示。

圖1 梅鋼燒結(jié)礦豎式冷卻工藝流程

2.2 節(jié)能減碳減排效果

表2給出了豎冷工藝和環(huán)冷工藝效果對比。使用豎冷工藝后,小時耗風量由原來的110萬m3下降為26萬m3,節(jié)約風量達76%;廢氣排放和粉塵排放亦出現(xiàn)顯著降低,減排量達95%;每小時能夠產(chǎn)生壓力1.3～1.6 MPa、300 ℃中壓蒸汽18～20 t、壓力0.3 MPa、160 ℃低壓蒸汽6 t[4]。機組正常發(fā)電功率約4 000～4 500 kW,最大瞬時值4 644 kW,以豎冷爐每小時處理252.5 t燒結(jié)礦計,噸礦發(fā)電量實際運行值大約16～20 kWh,與環(huán)冷噸礦發(fā)電量持平,但與設(shè)計值有一定差距。實際運行值與設(shè)計值進行對比,結(jié)果如表3所示。

表2 豎冷與環(huán)冷工藝數(shù)據(jù)對比

表3 豎冷工藝運行數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)對比

該燒結(jié)機年產(chǎn)燒結(jié)礦200萬t,以1 kWh折合0.404 kg標煤計,理論上使用豎冷工藝能夠節(jié)約標煤3.2萬t,扣除環(huán)冷工藝產(chǎn)蒸汽量,豎冷工藝能夠節(jié)約標煤2.84萬t/a,CO2減排7.5萬t/a。實際運行中,噸礦發(fā)電量未達到設(shè)計值,節(jié)約標煤量為0.93～1.26萬t/a,CO2減排量為2.46～3.33萬t/a。

3 燒結(jié)礦豎式冷卻工藝工業(yè)應(yīng)用關(guān)鍵問題

梅鋼工程實踐中,該工藝還存在排礦溫度不均勻且整體偏高、換熱煙氣溫度偏低等問題,其原因為豎冷爐內(nèi)礦氣換熱不充分且部分換熱氣體未完全參與燒結(jié)礦冷卻。下文重點分析燒結(jié)礦粒度范圍、布料偏析改善、燒結(jié)礦顆粒運動對于空隙率的影響,以空隙率變化分析豎冷爐內(nèi)礦氣換熱特性。

3.1 燒結(jié)礦粒度范圍

梅鋼燒結(jié)礦在完成破碎后直接通過上料小車送入豎冷爐中,呈0～150 mm粒度分布,范圍廣、小顆粒占比高。在豎冷爐腔內(nèi)部,布料偏析與入爐燒結(jié)礦粒度范圍基本決定了空隙率。

嘗試就梅鋼豎冷爐建單腔扁平模型,沿x方向劃分成5份、沿z方向劃分成8份,從而將整個豎冷爐腔劃分為40個局部空間,如圖2所示。采用離散單元法模擬上述局部空間在排料0、100、200、300、400、500、600 s共7個時刻的空隙率分布。設(shè)定的燒結(jié)礦粒度分布如表4所示,離散單元法時間步長為4×10-5s,顆粒數(shù)量為80萬。

圖2 扁平模型和局部空間劃分

表4 燒結(jié)礦粒度分布

統(tǒng)計40個局部空間在0～600 s的7個時刻共280個空隙率值,其變化范圍為0.27～0.42,分析處于0.27～0.30較小值和0.39～0.42較大值所對應(yīng)的樣本數(shù)及其燒結(jié)礦粒度分布,如圖3所示。由圖3(a)可知,當空隙率為0.27～0.30時,顆粒組成同時含有上述4種粒徑段顆粒,其平均質(zhì)量分數(shù)為:10～25 mm顆粒14%,25～40 mm顆粒25%,40～80 mm顆粒33%,80～150 mm顆粒28%。此時,大小顆粒燒結(jié)礦混合相對充分,小顆粒填充在大顆粒縫隙中,故空隙率為較小值;由于計算能力限制,未考慮小于10 mm小顆粒入爐情況,但可判斷小顆粒填充作用更強,高占比的小顆粒會進一步加劇填充作用,使局部區(qū)域空隙率更趨較小值。圖3(b)中,燒結(jié)礦顆粒以40～80 mm、80～150 mm大顆粒為主,絕大部分樣本中上述兩種粒徑顆粒質(zhì)量分數(shù)之和達到80%～90%,此時燒結(jié)礦顆粒粒徑極差較小,缺乏小粒徑顆粒填充,從而使空隙率達到0.39～0.42較大值;豎冷爐布料產(chǎn)生偏析,實際生產(chǎn)過程,這種較大值可能會更大,存在的區(qū)域也會更多。上述兩種情況對燒結(jié)礦與冷卻氣體的換熱極其不利。

圖3 不同空隙率時顆粒組成

從燒結(jié)礦冷卻及顯熱回收角度,空隙率較小值的出現(xiàn),將導致冷卻氣體通過此處時,阻力損失增大,難以充分換熱;空隙率較大值的出現(xiàn),將導致冷卻氣體容易從此處穿過,形成“穿堂風”。上述兩種情況皆不利于燒結(jié)礦的均勻冷卻和冷卻氣體溫度升高。因此,可通過減少80～150 mm顆粒和小于10 mm顆粒質(zhì)量分數(shù)來提高空隙率并減少不同區(qū)域空隙率大小值的極差。實際生產(chǎn)過程中,可參考高爐爐料結(jié)構(gòu)對燒結(jié)礦粒度的要求為5～50 mm,研究合理燒結(jié)礦入爐粒度范圍,并通過調(diào)節(jié)單輥破碎機輥間距、設(shè)置雙級破碎、開發(fā)熱篩等措施實現(xiàn)燒結(jié)礦入爐粒度控制。

3.2 布料偏析改善

梅鋼為改善中心下料管布料偏析,設(shè)計了在下料管底部增設(shè)4個沿周向互為90°、與豎直方向呈45°分流管的改善措施[5]。圖4描述了新舊兩種下料裝置布料過程?？芍铝瞎芨倪M后,一部分大顆粒被布料在豎冷爐的中心區(qū)域。進一步觀察同一截面燒結(jié)礦顆粒分布,如圖5所示,可知在改進前小顆粒在下料管下方中心區(qū)域聚集;改進后小顆粒分別落在分流管對應(yīng)的區(qū)域,小顆粒在整個平面上分布更加均勻。為進一步定量研究燒結(jié)礦的偏析,將堆尖區(qū)域沿x方向劃分為6個局部空間,統(tǒng)計每個局部空間內(nèi)3種粒徑燒結(jié)礦石各自的質(zhì)量占比,并分別計算下料裝置改進前后8 mm小粒徑燒結(jié)礦石的偏析指數(shù)SD,計算公式如式(1):

圖4 豎冷爐的裝料過程

圖5 改進前后對應(yīng)的堆尖粒徑分布(俯視圖)

SD=φi-φ0

(1)

式中:φi為局部區(qū)域內(nèi)8 mm小顆粒燒結(jié)礦石的質(zhì)量分數(shù);φ0為豎冷設(shè)備內(nèi)原始8 mm小顆粒燒結(jié)礦石的質(zhì)量分數(shù)。

SD可以描述某種粒徑燒結(jié)礦石的聚集情況,SD接近0表明偏析較小,正值說明此處某種燒結(jié)礦石的質(zhì)量分數(shù)較高,發(fā)生正偏析,反之則為負偏析。

8 mm小顆粒偏析指數(shù)的計算結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?小顆粒的最大負偏析都出現(xiàn)在設(shè)備的兩側(cè),這說明此處小顆粒的數(shù)量最少;改進前的負偏析比改進后嚴重,這說明分支進料管結(jié)構(gòu)對此小顆粒均勻分布的調(diào)整有效果。

圖6 x方向偏析指數(shù)分布

3.3 燒結(jié)礦顆粒運動

由于排料不斷進行,豎冷爐內(nèi)不同位置燒結(jié)礦顆粒組成也不斷發(fā)生改變,空隙率會發(fā)生一定程度的變化。圖7給出了不同排料時刻豎冷爐內(nèi)燒結(jié)礦的速度分布?？芍谂帕线^程中,邊壁和中間區(qū)域顆粒速度較大,能夠順暢地流出豎冷爐腔,而風帽上方區(qū)域顆粒運動受到抑制,速度較小,從而在中心風帽上方形成緩慢流動區(qū)。隨著排料的繼續(xù)進行,緩慢流動區(qū)逐漸減小,但依然保留在風帽上方。而在豎冷爐上部邊壁區(qū),則逐漸出現(xiàn)新的緩慢流動區(qū)。由圖7可知,在現(xiàn)有豎冷爐型條件下,隨著排料的進行,在中心風帽的上方會形成一個近似三角形的緩慢流動區(qū)。該區(qū)內(nèi)燒結(jié)礦顆粒下移速度慢,更新時間長,導致該區(qū)域內(nèi)燒結(jié)礦顆粒不能及時排出豎冷爐外,進而形成無效冷卻區(qū)。實際上,豎冷爐內(nèi)中心風帽安裝在爐腔下部,相當于在爐腔內(nèi)放置了一個角錐形改流體。故在實際生產(chǎn)過程中,可嘗試采取調(diào)節(jié)風帽錐度、風帽與料斗壁面之間環(huán)形出料口距離、風帽高度等措施,消除緩慢流動區(qū),提高爐內(nèi)燒結(jié)礦顆粒流動的整體性。

圖7 燒結(jié)礦顆粒速度分布

4 結(jié)論

(1)梅鋼燒結(jié)礦豎式冷卻工藝實踐表明,該工藝節(jié)能環(huán)保和碳減排效果顯著,但在蒸汽回收量、發(fā)電量方面仍有提升空間;豎冷爐內(nèi)高溫燒結(jié)礦與冷卻氣體能否充分接觸而實現(xiàn)礦氣高效換熱是燒結(jié)礦豎式冷卻工藝改善的核心。

(2)離散元模擬研究表明,0.39～0.42較大值空隙率樣本中以40～80 mm、80～150 mm大顆粒為主,兩種粒徑顆粒質(zhì)量分數(shù)之和達到80%～90%,缺乏小粒徑顆粒填充;而0.27～0.30較小空隙率樣本中不同粒徑顆粒質(zhì)量分數(shù)趨近,大小顆粒燒結(jié)礦混合充分;參照高爐對燒結(jié)礦粒度要求為5～50 mm,可合理確定燒結(jié)礦入爐粒度范圍,并通過調(diào)節(jié)單輥破碎機輥間距、設(shè)置雙級破碎、開發(fā)熱篩等措施實現(xiàn)燒結(jié)礦入爐粒度控制。

(3)設(shè)計布料偏析改善裝置能夠緩解布料過程中燒結(jié)礦顆粒的偏析,有利于改善豎冷爐初始空隙率分布;現(xiàn)有條件下,中心風帽上方緩慢流動區(qū)的存在使燒結(jié)礦下料通道變窄,減少了豎冷爐腔的有效換熱空間,可通過采取調(diào)節(jié)風帽錐度、風帽與料斗壁面之間環(huán)形出料口距離、風帽高度等措施優(yōu)化結(jié)構(gòu)來消除緩慢流動區(qū),以提高燒結(jié)礦顆粒流動的整體性。