可調節式燒結煙氣內循環設備設計

孫偉 劉江,2 馬賽,2

(1:北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京 100029；2:北京市鋼鐵冶金節能減排工程技術研究中心 北京 100029)

1 前言

2019年4月28日，生態環境部、國家發改委等國家五部委聯合發布的《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》指出，2020年底前，重點區域鋼鐵企業超低排放改造取得明顯進展，力爭60%左右產能完成改造。要求所有燒結機實施煙氣循環改造，目的在于降低燒結煙氣和污染物排放總量，提高能源利用效率。上述環保法規的出臺體現了燒結污染物排放由濃度控制轉向濃度兼顧總量控制的政策導向。

國外已有多種煙氣循環工藝對燒結煙氣進行回收利用，如奧鋼聯的EPOSINT工藝、荷蘭艾默伊登的EOS工藝、德國HKM的LEEP工藝，以及日本新日鐵的區域性廢氣循環技術等煙氣循環工藝，這些工藝主要是從環保角度出發，在減少污染物排放、節約燃料、減少二氧化碳和二噁英排放等方面取得了良好的效果[1]。

不過歐盟一些廠的燒結礦在爐料結構中占比小，主要用于處理固廢和平衡堿度，故對煙氣循環后是否影響質量關注不足，近些年國內也有部分企業實施了燒結機大煙道煙氣循環技術，實用效果并不理想。主要原因是循環煙氣含氧量低，煙氣循環率低，取風方式不正確導致無法調整取風量和循環風品質。而且在循環系統有問題或檢修時和原系統不能隨時切換，影響燒結原系統正常使用。

從2014年公司開始了燒結煙氣循環工藝研究，歷時多年，攻克了燒結過程煙氣循環的工藝理論、煙氣循環系統設計、核心設備技術等一系列重大技術難題，形成了一整套適合中國國情的燒結煙氣循環的關鍵技術，并進行生產跟蹤、研究和完善，經受了生產實踐的檢驗，取得了燒結技術的重大突破。

2 設計理念

燒結機要求循環≥30%燒結廢氣，減輕脫硫脫硝系統負擔，達到環保新要求，燒結固體燃料消耗降低3～5kg/t燒結礦，增加煙氣循環后，燒結機的產量在現有基礎上增加10%左右，以不影響燒結礦質量，不影響燒結生產(大煙道溫度不降低)為前提，通過先進成熟的工藝方案設計，解決傳統煙氣循環系統存在的無法調節循環煙氣取風比例和含氧量的參數，在燒結循環系統檢修或故障時無法隨時切換的問題，實現降低燒結固體燃料消耗和減少污染物排放總量的項目目標。

3 工藝方案

3.1 概述

煙氣循環燒結工藝采用的內循環工藝是指由新增抽風機將溫度較高、O2含量較高、SO2含量較低的風箱煙氣直接抽入新增的循環煙道，經過多管除塵器除塵后進入燒結機臺車面的循環煙氣罩內，通過料層參與燒結過程。

為減少燒結煙氣排放量以減輕排放負荷和降低煙氣處理成本、降低固體燃耗等，提出了在燒結實施大煙道煙氣循環的工藝思路。煙氣利用原則：

1)煙氣循環系統分為熱段和冷段兩部分，熱段引機尾高溫、高氧煙氣；冷段引機頭低溫、低氧煙氣。

2)熱段利用燒結機尾部的高溫廢氣，循環至燒結機頭位置利用，實現廢氣總量減排，改善燒結表層燒結礦質量，以熱量輸入降低固體燃料消耗。

3)熱段取氣的氧含量在18%以上，煙氣溫度200℃以上，以保證燒結礦質量[2]。

4)冷段利用燒結機機頭的低溫廢氣，循環至熱段煙氣罩后，補充熱段煙氣循環量，實現煙氣循環量30%，同時保證大煙道溫度不降低。

3.2 煙氣循環技術方案

針對某鋼鐵265平燒結機現狀，初步選擇為4#～8#、25#～27#風箱支管增設切換閥，使煙氣可進入脫硫煙道(兩根常規大煙道均脫硫)也可以進入循環煙道。具體技術方案如表1。

表1 265帶式燒結機煙氣循環方案

根據相關試驗結果:經過燒結臺車熱風的氧含量體積濃度達到15%時，對燒結礦的產質量影響較大，轉鼓強度下降約8%，當濃度達到18%以上時，對燒結礦的產質量影響不大，產品能夠滿足高爐的要求。為保證燒結生產的產質量，熱段循環煙氣含氧量須按18%以上進行控制，因此燒結煙氣應盡量選擇O2含量高、SO2低的風箱進行取風。

循環煙氣工藝是利用燒結高溫熱廢氣提高料溫、減少過濕帶影響、改善臺車表層成礦質量、降低燃料消耗的有效途徑[3]。

采用循環煙氣燒結后，由于空氣經過預熱，燒結過程加速，固體燃料消耗減少。同時，改善了燒結礦的強度。

冷段主要目的在于保證大煙道溫度和補充熱段煙氣循環量。

3.3 煙氣循環設計方案

圖1為265平燒結機燒結煙氣循環建議方案(示意圖)。煙氣循環燒結工藝系統的煙氣由兩部分組成：燒結循環煙氣在選取的風箱支管取風，燒結尾部25#-27#風箱高溫且氧含量較高煙氣經多管除塵器除塵后進入燒結機前部上罩；燒結前部4#-8#低溫且氧含量較低煙氣經多管或旋風除塵器后進入燒結尾部循環煙氣罩。

圖1 燒結煙氣循環方案(示意圖)1-燒結風箱;2-熱段煙氣切換閥;3-熱段除塵器;4-熱段循環風機;5-冷段煙氣罩;6-冷段煙氣切換閥；7-冷段除塵器；8-冷段循環風機；9-熱段煙氣罩

在4#～8#、25#～27#風箱支管增設切換閥，使煙氣可進入脫硫煙道也可以進入循環煙道，以保證煙氣循環燒結工藝的可靠運行。

3.4 工藝及設備選型計算

某鋼鐵265平燒結機常規配置為兩臺主抽風機，每臺工況條件如下：進口負壓17000Pa，出口正壓500Pa，工況風量30000m3/min(150℃)。

3.4.1 風量及氧量平衡計算

考慮到除機頭的點火保溫爐及機尾的除塵罩對應的空間，再預留必要的檢修臺車的空間，本設計循環煙氣罩(燒結機臺車密封罩)對應4#～18#風箱的燒結機臺車上部。因為主抽風量Q總(標)=20780Nm3/min；假設風箱及管道的漏風率為25%，則燒結機臺車面進風為15585Nm3/min。除去點火保溫爐部分進入的風量，按比例折算進入燒結機臺車密封罩的風量為：Q煙罩(標)=12543Nm3/min。

根據實驗結果， 經過臺車熱風的氧含量體積濃度達到18%以上時，對燒結礦的產質量不會產生不良影響。根據實測，氧氣含量高的風箱溫度也較高，為了保證進入主電除塵器的煙氣有足夠溫度，以避免溫度過低造成主電除塵器的腐蝕，所以選取的循環風箱靠近頭尾部。在保證進入臺車面的熱風含氧濃度大于18%，進入主電的煙氣高于露點，綜合平衡后煙氣循環按循環30%的燒結機的煙氣，則需要的循環風量為：

Q燒循(標)=6234Nm3/min

根據經驗從4#～8#風箱所取煙氣混合后的風溫約為60℃，O2含量11%。從25#～27#風箱所取煙氣混合后的風溫約為320℃，O2含量18.5%。循環煙氣的氧含量能滿足生產的要求。由于煙氣循環分流部分燒結煙氣，兩主煙道的煙氣量相對于沒有煙氣循環減少。

3.4.2 阻力平衡計算

煙氣循環燒結的阻力平衡計算需考慮沿程管路的管道阻損，煙氣混勻器、循環煙氣罩的阻損，除塵器的阻損，熱氣流的抽力等。

通過計算，燒結循環變頻風機的進口壓力取-16000Pa，出口壓力取+1500Pa。

3.4.3 風機選型計算[4]

考慮到燒結風箱風量的波動量，稍考慮余量，因此燒結1#循環風機風量選取為6000m3/min，工況溫度選取320℃；燒結2#循環風機風量選取為3000m3/min，工況溫度選取60℃；

根據以上計算，風機選型參數見表2(風機均設計為變頻調速運行以便調整管道中的壓力和流量)。

4 控制措施

4.1 風量控制

在燒結機開機前開啟循環風機及主抽風機，根據生產需要選取燒結機8個風箱處對應的大煙道位置設置支管將煙氣導向燒結循環煙道，其余風箱煙氣進入大煙道，具體風量選取根據實際生產情況進行調節。待燒結機開機后，通過支管閥門的控制保證大煙道和循環煙道之間負壓、溫度和流量的平衡。大煙道及循環煙道均設置了溫度及壓力檢測點，煙氣負壓值保持在10kPa～14kPa，大煙道煙氣溫度保持在100℃～150℃，循環煙道煙氣溫度保持在300℃左右，大煙道和循環煙道的負壓值及溫度值的設置控制根據現場實際情況調節[5]。

支管控制說明：支管采用調節型閥門控制，每臺閥門控制其開度，支管的設置便于對循環煙道及大煙道煙氣溫度、流量的靈活控制，另減少風箱內粉塵進入循環管道內。

4.2 循環煙氣煙罩內壓力控制

循環煙氣罩內燒結煙氣應保持微負壓狀態，保證主排系統與循環系統之間的平衡。

為保證循環回來的煙氣能夠全部穿過燒結機料層，不會出現煙氣外溢現象，在燒結機上方設總長度為45m的循環煙罩，共覆蓋15個風箱。循環煙罩前部留有4個風箱的位置，用于安裝燒結點火保溫爐和觀察點火燒結的工況。循環煙罩后部留有位置，用于檢修更換燒結機臺車用(具體位置以設計為準)。

每個循環煙罩兩側均設置1個快速開關閥，用管道與大煙道相連。循環煙氣罩內設置壓力表，正常工作壓力保持在-100Pa～-20Pa之間。當罩內壓力大于-20Pa時開啟快速開關閥，調小循環風機進口閥門開度；當罩內壓力小于-100Pa時關閉快速開關閥，調大循環風機進口風門開度，壓力值的控制設置可以根據現場實際情況調整。

4.3 循環煙氣罩內含氧量控制

設置氧含量在線監測，現設計的循環煙氣進入煙罩的廢氣含有大約11%～18%的剩余氧，每臺燒結機循環煙罩上方均勻設置百葉窗式的電動蝶閥，含氧量監測與閥門開啟設置為連鎖[6]；在氧含量≤16%時打開閥門并逐漸調大開度，當氧含量≥20%時逐漸調小閥門開度至關閉。在主抽風機及循環風機開機前需打開電動蝶閥，正常生產后視生產情況關閉電動蝶閥，氧含量值的控制設置可以根據現場實際生產情況調整。

4.4 循環煙氣溫度控制

通過支管閥門執行器來控制閥門開度，從而調節循環煙氣的溫度、流量，以保證達到最佳的生產效果。

在循環煙氣管道多管除塵器的入口位置前設置溫度檢測，煙氣循環管道設置有放散閥，當管道內的煙氣溫度≥320℃時閥門自動開啟，溫度達到300℃時閥門自動關閉。

4.5 安全設施

每臺燒結機循環煙罩設置3臺(在煙罩的前、中、后部)CO報警裝置及快速開關閥，當CO超標(>30ppm)，報警儀報警時兩側的快速開關閥打開，同時調小循環風機風門開度，報警解除后關閉快速開關閥并逐漸調大循環風機開度，恢復正常工作狀態。當CO報警儀報警時開啟空氣流通裝置并打開廠房窗戶，保證有害氣體盡快排出室外。

在煙氣循環系統工作時，循環煙罩附近不允許有人員長時間停留，特殊情況需要有人員長時間停留時，不應少于2人，并且配帶必要的防護措施及攜帶便攜式CO報警儀，一旦CO報警儀報警，人員必須馬上撤離。

燒結機中部的煙氣作為廢煙氣直接排入大煙道，經機頭電除塵器、燒結主抽風機和脫硫脫硝設備凈化后進入煙囪排至大氣中。

5 煙氣循環效益分析

燒結煙氣循環系統采用內循環工藝，將煙道分為脫硫煙道和循環煙道，需要末端治理的風量減少，脫硫煙道相比未采用煙氣循環設計風量減少30%，主抽風機功率減小，因此，燒結煙氣循環增加的循環風機電耗變化不會增大太多。煙氣循環對脫硫主煙道的SO2含量有一定的富集作用，可以提高脫硫的效率，采用煙氣循環后，需要脫硫處理的煙氣量減少，運行成本降低，煙氣循環系統的效益計算如下：

5.1 煙氣減排效益

煙氣減排30%，有助于提高后續的脫硫和脫硝效率，達到環保新要求。

5.2 降低固體燃耗效益

循環180～250℃高溫廢氣，可降低固體燃耗3～5kg/t，以最終降低3kg/t保守計算。燃料價格按2000元/t計，265m2燒結機年產燒結礦320萬噸，則降低燃耗的年效益為：2000×320×3/1000=1920萬元/年。

5.3 改善燒結礦質量和提產效益

燒結機循環180～250℃高溫廢氣，可改善燒結機表層的燒結礦質量，有助于減少返礦和提高成品率[7]。改善燒結礦質量有助于提高高爐順行和降低燃耗。

按提產10%計算，年增產燒結礦32萬噸。僅計算燒結固定費用變化，燒結工序的年固定費用可相應減少。

5.4 電耗增加

用電負荷按每小時增加4000kW計算，成本增加792萬元。

5.5 人工及備件消耗增加

人工按增加4人計算，成本增加20萬元；備件費用按每年60萬元計。

綜上，燒結煙氣循環年可創收益1260萬元。

6 結論

從項目上看，該研究項目規模小，投資少，回收期短，回報率高；在循環量≥30%燒結廢氣情況下，減輕脫硫脫硝系統負擔，達到環保新要求，燒結固體燃料消耗降低3～5kg/t燒結礦，增加煙氣循環后，燒結機的產量在現有基礎上增加10%左右，通過先進成熟的工藝方案設計，解決傳統煙氣循環系統存在的無法調節循環煙氣取風比例和含氧量的參數，在燒結循環系統檢修或故障時無法隨時切換的問題，實現降低燒結固體燃料消耗和減少污染物排放總量的項目目標。