河鋼樂鋼有限公司項目燒結煙氣循環(huán)系統(tǒng)的應用

方 堃

（唐鋼國際工程技術有限公司，河北 唐山 063000）

引言

燒結工序在鋼鐵生產過程中起著至關重要的作用，而傳統(tǒng)燒結工藝存在著高耗能、高污染的特點。自“十三五”以來，鋼鐵行業(yè)的清潔生產已成為主流發(fā)展趨勢。燒結煙氣循環(huán)作為能源梯階利用、污染物過程控制技術中的一部分，已成為推動燒結工序實現節(jié)能減排、綠色生產的有效措施。

1 煙氣循環(huán)概述

燒結煙氣循環(huán)工藝是根據燒結風箱或風箱段內煙氣特征（溫度、含氧量、煙氣量、污染物濃度等）的差異，在不影響燒結礦質量和產量的前提下，選擇特定風箱段煙氣循環(huán)返回燒結臺車表面，用于熱風點火、熱風燒結。循環(huán)煙氣由燒結機風箱引出，經除塵系統(tǒng)、循環(huán)主抽風機、煙氣混合器后，通過密封罩引入燒結料層，重新參與燒結過程[1]。最終實現節(jié)能、減排、提產、降低煙氣處理量及煙氣治理設施的投資。

當前，比較典型的煙氣循環(huán)工藝有5 種，即日本新日鐵開發(fā)的區(qū)域性煙氣循環(huán)工藝、德國Lurgi 公司開發(fā)的EOS（Emission Optimized Sintering）工藝、德國HKM 開發(fā)的LEEP（Low Emission and Energy Optimized Sinter Process）工藝、德國西門子奧鋼聯與奧地利林茨的Voestalpine 公司聯合開發(fā)的EPOSINT（Environment Process Optimized Sintering）工藝，以及我國寶鋼自主開發(fā)的BSFGR（Bao-Steel Flue Gas Recirculation）工藝[2]。

我國煙氣循環(huán)技術起步較晚，目前在寶鋼、寧鋼、邯鋼、日照、永鋼、唐鋼等一些企業(yè)已有所應用。河鋼集團樂亭鋼鐵有限公司共配置2 臺360 m2燒結機，結合對多家燒結廠煙氣循環(huán)使用情況的實際考察，并針對樂鋼燒結機的具體結構型式，對該燒結的煙氣循環(huán)系統(tǒng)與燒結本體工藝同步開展設計。

2 燒結煙氣循環(huán)的基礎研究

2.1 循環(huán)形式的選擇

從循環(huán)煙氣來源看，可分為內循環(huán)、外循環(huán)兩種模式。內循環(huán)在風箱處直接取風，操作靈活；外循環(huán)從主抽風機后分流部分煙氣，改造簡便易行。兩種工藝模式在設計理念上有所差異，在煙氣循環(huán)率、污染物減排、節(jié)能等方面?zhèn)戎赜兴煌５傮w而言，內循環(huán)工藝可選擇性的選取高溫、富氧或污染物濃度高等不同特點的廢氣進行循環(huán)，是目前主流的燒結煙氣循環(huán)技術[3]。故樂鋼燒結采用內循環(huán)方式，并同燒結工藝同步開展設計工作。

2.2 燒結煙氣特性

李超群等人對燒結過程中典型污染物及煙氣工況條件的測定及總結，燒結機長度方向煙氣溫度和污染物濃度分布特點見圖1[4]。

若將燒結機長度方向上歸納為5 個階段，則各階段的廢氣分布特點見下頁表1[5]。

表1 燒結機長度方向煙氣參數

可見SO2濃度（體積分數，下同）存在峰值，且峰值出現在后部風箱，COx與O2變化趨勢相反，煙氣溫度在后部較高。推測樂鋼360 m2新建燒結機SO2濃度最高值在15～17 號風箱左右，NOx濃度最高值在4～6號風箱左右，煙氣溫度峰值大概在19～21 號風箱處左右出現，O2濃度最高值在首尾風箱處。從而可決策初步用于煙氣循環(huán)的取風風箱位置。

2.3 循環(huán)煙氣關鍵指標

煙氣循環(huán)后氧含量減少，會直接影響到料層料面燃燒，導致燒結礦成礦反應溫度降低，從而影響產量。同時氧氣含量減少會抑制FeO 的氧化，從而影響燒結礦質量。根據試驗研究，燒結煙氣循環(huán)技術煙氣中適宜的氧氣含量應該在18%以上，從而避免對燒結礦產量和質量的影響[6]。

返回至料面的循環(huán)煙氣溫度提高至200 ℃時，對表層燒結礦質量和降低燃耗有正面意義。當溫度提高至250 ℃時，燒結成品率、垂直燒結速度、利用系數均有下降。且考慮對后續(xù)煙氣治理工序中溫度的限制，應考慮將頭部、尾部風箱的煙氣進行調和[7]。

3 工藝方案及設備選型

根據燒結機本體參數，確定燒結煙氣循環(huán)風箱選取的三個基本原則：進入密封罩內煙氣含氧量（體積分數，下同）大于18%、取氣后大煙道煙氣溫度130 ℃±10 ℃、煙氣循環(huán)率不低于25%。從最終使用效果上，通過煙氣循環(huán)系統(tǒng)達到污染物減排、節(jié)能、煙氣量減排的目的。由于煙氣中NOx對于后續(xù)煙氣處理初期投資及運行成本的影響要高于SO2，故該項目優(yōu)先考慮減少NOx的排放，結合燒結過程中污染物分布特點，最終確定選取中前段高NOx的風箱作為循環(huán)風來源；從工藝節(jié)能的角度考慮，應充分回收煙氣中的熱量及氧氣，故選取尾部的高溫高氧風箱作為循環(huán)風來源；為最大程度減少煙氣量排放，保證以上要求的前提下，考慮將頭部的高氧風箱煙氣一并進行循環(huán)。

該燒結機共有2×22 個風箱，根據上述原則并結合測試數據及理論計算，保證取出的風箱煙氣在溫度、含氧量和污染物濃度方面進行合理匹配，最終選取5、6、7、21、22 號共5 個風箱進行循環(huán)。并額外增加4、20 號2 個風箱煙氣根據燒結運行工況及檢修需求進行調配使用，保證系統(tǒng)正常運行。由于選取循環(huán)風箱的煙氣含氧量一般不能達到18%以上，根據熱量平衡、風氧平衡可計算確定需要兌入環(huán)冷煙氣量，混合后的煙氣含氧量滿足燒結機生產需求。5 個風箱煙氣匯聚至主煙道進入多管旋風除塵器進行降塵處理。通過循環(huán)風機后與環(huán)冷第三段熱煙氣進行混合，混合后的煙氣經煙道引入至密封罩內，進行熱風燒結。

依據燒結機總煙氣量、漏風率等參數，可依次計算出燒結機有效進風量、燒結機單位面積有效進風量，可以得出進入密封罩內的循環(huán)煙氣能夠覆蓋臺車面積，進而確定密封罩覆蓋臺車的長度及覆蓋風箱的數量。

綜合考慮燒結機實際工況波動等其他因素，循環(huán)煙氣設計含氧量為16.4%，兌入環(huán)冷煙氣含氧量以21%計，通過煙氣量匹配，實現單側總循環(huán)煙氣含氧量不低于18%。密封罩覆蓋在8～19 號風箱，覆蓋風箱數量共計12 個，大煙道煙氣溫度130 ℃±10℃，循環(huán)煙氣溫度根據實際生產過程而定。煙氣循環(huán)的工藝流程圖見圖2，從選定的5 個風箱中取風至循環(huán)煙氣主煙道，經多管旋風除塵器凈化后進入循環(huán)煙氣主抽風機，與環(huán)冷三段煙氣混合后，進入密封罩內并返回至燒結料面。

針對上述工藝方案，結合國內多家燒結廠煙氣循環(huán)實例的考察經驗，此次設計對樂鋼的煙氣循環(huán)設計及設備選型進行了優(yōu)化：

1）多管除塵器其旋風子和導向葉片采用耐磨合金，導氣管采用無縫鋼管，整體采用組合形式組裝，旋風子的固定不需要灌注填充料，可進行單體更換；

2）理論取風是5 個風箱，為了使取出的風箱煙氣在溫度、含氧量和污染物濃度方面進行匹配，多選取了2 個風箱作為備用，便于系統(tǒng)調節(jié)；

3）密封罩雙側加導流管，導流管加電動閥，可通過程序控制實現出現正壓時自動打開，保證煙氣不外溢；

4）循環(huán)煙氣煙道灰斗直接通過溜槽進入燒結機室散灰皮帶，省去了短皮帶及埋刮板機等設備，降低了設備投資及維修費用；

5）在循環(huán)風機和管道上設置了消音器及隔音設施，有效地將噪音控制在國家規(guī)定范圍內；

6）在風箱取風處、環(huán)冷取風處、多管除塵器前后、密封罩內設置多點風量、壓力、氧濃度、熱電阻監(jiān)測儀表，并合理布置，確保監(jiān)測數據準確，并于工藝閥門、風機電機進行連鎖控制；

7）在燒結臺車兩側設置CO 泄露報警器，確保工藝生產環(huán)境安全可靠。

4 性能控制方案及實施效果

煙氣循環(huán)系統(tǒng)需達到以下性能效果：保證煙氣循環(huán)率25%～30%；保證循環(huán)煙氣含氧量不低于18%；保證密封罩內為微負壓。

為達到以上性能效果，需對煙氣循環(huán)系統(tǒng)采取控制措施：

1）大煙道溫度波動：當大煙道溫度低于120 ℃時，啟用4 號備用風箱循環(huán)閥門，增大低溫煙氣循環(huán)量，降低循環(huán)煙氣溫度，使大煙道溫度提高；當大煙道溫度高于140 ℃時，首先啟用20 號備用風箱循環(huán)閥門，增大高溫煙氣循環(huán)量，提高循環(huán)煙氣溫度，使大煙道溫度降低。開啟備用風箱后循環(huán)煙氣氧含量會有改變，相應調整環(huán)冷廢氣的補充量。風機選型考慮備用風箱風量。但是利用風箱切換只能小幅度調整大煙道煙氣溫度，若煙氣溫度變化過大仍需從燒結工藝或其他途徑進行調節(jié)。

2）密封罩內氧含量波動：當密封罩內氧含量低于18%時，首先應調節(jié)環(huán)冷廢氣的兌入量，通過提高高含氧量的環(huán)冷煙氣量提高密封罩內含氧量，其次調節(jié)密封罩上方冷風閥兌入冷風進行調節(jié)，以保證燒結生產的正常進行；含氧量高于18%時，有利于燒結工藝，保證正常運行的情況下不做調整。

3）煙氣循環(huán)量的保證：循環(huán)煙氣量的保證主要通過備用風箱循環(huán)閥門的開閉實現，正常運行狀況下循環(huán)5、6、7 和21、22 風箱煙氣可以保證28%循環(huán)煙氣量。風箱切換調節(jié)其他參數時保證至少5 個風箱同時循環(huán)，使循環(huán)率不低于25%。

4）密封罩內負壓保證：正常運行狀態(tài)下密封罩內應為微負壓狀態(tài)，環(huán)冷風量兌入過多或者料層透氣性較差情況下可能導致密封罩內煙氣外溢，條件允許情況下首先考慮降低環(huán)冷煙氣量進行負壓調節(jié)。

據統(tǒng)計，煙氣循環(huán)可減少燒結工序所需能耗，約降低3.1 kg 固體燃耗/t 燒結礦，實現經濟效益約1 340 萬元；燒結煙氣最小減排量25%；燒結煙氣排放CO 降低9.7%、NOx降低18.4%；根據后續(xù)煙氣末端脫硫脫硝工藝的不同，可減少煙氣脫硫脫硝系統(tǒng)的一次性投資約18%～20%；減少固體燃耗所排放污染物12 300 t/年，NOx減排212 t/年，SO2減排172 t/年，減少排污費183 萬元/年（固體燃耗以降低3.1 kg/t 燒結礦計）；煙氣循環(huán)系統(tǒng)投運后，燒結機可提產7%左右，具有較高的經濟效益及社會效益。

5 結語

燒結煙氣循環(huán)系統(tǒng)可顯著減少廢氣排放總量及污染物排放量，同時可回收煙氣余熱，減少能源消耗，具有節(jié)能減排的推廣價值。結合河鋼樂鋼公司所配置的360 m2燒結機設計參數，并依據前人的理論基礎研究成果，提出了該燒結機的煙氣循環(huán)系統(tǒng)框架性設計方案。