燒結礦豎式冷卻工藝及其工業應用關鍵問題

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、經濟、可行的減碳方式之一,是鋼鐵行業應對碳達峰、碳中和的關鍵路線,也是未來十年關鍵低碳過渡期重點方向之一。目前,我國鋼鐵行業以高爐—轉爐長流程為主,燒結工序總能耗占鋼鐵生產總能耗10%左右,提高燒結工序能效是鋼鐵企業實現低碳減排、清潔生產的重要手段。燒結礦顯熱占燒結機總輸出熱量的35%～40%,且顯熱品質高、數量大,易被空氣介質攜帶并回收,是燒結余熱資源回收重點[1]。目前,燒結礦經環冷機冷卻,由于設備固有原因,漏風率高,這不僅增加耗風量、粉塵排放量,而且限制了燒結礦顯熱回收。環冷機中燒結礦溫度逐漸下降,中后段產生大量回收價值受限的100～200 ℃中低溫煙氣。鑒于此,燒結礦顯熱豎冷爐回收技術引起行業關注。

1 燒結礦豎式冷卻技術

受干熄焦技術啟發,國內學者于2006年提出燒結礦豎式冷卻技術[2],其核心設備為燒結礦豎冷爐,爐內燒結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,還能提高燒結礦顯熱回收率。文獻[3]以國內某360 m2大型燒結機為例,理論計算了燒結礦產量500 t/h,熱燒結礦溫度700 ℃,顯熱313.6 GJ/h,豎冷與環冷熱回收效果,如表1所示。結果表明,采用豎式冷卻工藝,燒結礦顯熱回收率達80%,比環冷工藝高35%;回收的熱量達250.9 GJ/h,比環冷工藝高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 豎冷與環冷工藝節能效果對比

2015年,天津天豐鋼鐵在150 m2步進式燒結機改造中成功實施首個燒結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。天津天豐鋼鐵、寶鋼股份、冶金工業信息標準研究院和東北大學還聯合制訂并發布該工藝設計規范行業標準。燒結礦豎式冷卻技術已逐步轉入工程應用階段。

2 梅鋼燒結礦豎式冷卻技術

2.1 工程實施進展

2015年8月,梅鋼技術中心、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應用效果考察,經與設計方多次深入交流,認為該技術雖不十分成熟,但具有較好節能環保收益,工程實施基本可行,遂決定立項將梅鋼3#燒結環冷機改造為豎式冷卻爐并配套建設發電機組。

梅鋼3#燒結機豎冷爐內部爐膛截面為矩形,同時借鑒天津天豐鋼鐵經驗,設置多個排料口,實行多排料口交替排料。項目自2017年開始建設并于2018年4月建設完成。經數次對受料裝置、爐內布料裝置、排料制度等優化改進,2018年11月豎冷爐發電機組并網發電。梅鋼燒結礦豎式冷卻工藝流程如圖1所示。

圖1 梅鋼燒結礦豎式冷卻工藝流程

2.2 節能減碳減排效果

表2給出了豎冷工藝和環冷工藝效果對比。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,節約風量達76%;廢氣排放和粉塵排放亦出現顯著降低,減排量達95%;每小時能夠產生壓力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燒結礦計,噸礦發電量實際運行值大約16～20 kWh,與環冷噸礦發電量持平,但與設計值有一定差距。實際運行值與設計值進行對比,結果如表3所示。

表2 豎冷與環冷工藝數據對比

表3 豎冷工藝運行數據與設計數據對比

該燒結機年產燒結礦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約標煤3.2萬t,扣除環冷工藝產蒸汽量,豎冷工藝能夠節約標煤2.84萬t/a,CO2減排7.5萬t/a。實際運行中,噸礦發電量未達到設計值,節約標煤量為0.93～1.26萬t/a,CO2減排量為2.46～3.33萬t/a。

3 燒結礦豎式冷卻工藝工業應用關鍵問題

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,其原因為豎冷爐內礦氣換熱不充分且部分換熱氣體未完全參與燒結礦冷卻。下文重點分析燒結礦粒度范圍、布料偏析改善、燒結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礦氣換熱特性。

3.1 燒結礦粒度范圍

梅鋼燒結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。在豎冷爐腔內部,布料偏析與入爐燒結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。設定的燒結礦粒度分布如表4所示,離散單元法時間步長為4×10-5s,顆粒數量為80萬。

圖2 扁平模型和局部空間劃分

表4 燒結礦粒度分布

統計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較大值所對應的樣本數及其燒結礦粒度分布,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,其平均質量分數為: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,大小顆粒燒結礦混合相對充分,小顆粒填充在大顆?？p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,使局部區域空隙率更趨較小值。圖3(b)中,燒結礦顆粒以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量分數之和達到80%～90%,此時燒結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;豎冷爐布料產生偏析,實際生產過程,這種較大值可能會更大,存在的區域也會更多。上述兩種情況對燒結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

從燒結礦冷卻及顯熱回收角度,空隙率較小值的出現,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,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顆粒質量分數來提高空隙率并減少不同區域空隙率大小值的極差。實際生產過程中,可參考高爐爐料結構對燒結礦粒度的要求為5～50 mm,研究合理燒結礦入爐粒度范圍,并通過調節單輥破碎機輥間距、設置雙級破碎、開發熱篩等措施實現燒結礦入爐粒度控制。

3.2 布料偏析改善

梅鋼為改善中心下料管布料偏析,設計了在下料管底部增設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域。進一步觀察同一截面燒結礦顆粒分布,如圖5所示,可知在改進前小顆粒在下料管下方中心區域聚集;改進后小顆粒分別落在分流管對應的區域,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礦的偏析,將堆尖區域沿x方向劃分為6個局部空間,統計每個局部空間內3種粒徑燒結礦石各自的質量占比,并分別計算下料裝置改進前后8 mm小粒徑燒結礦石的偏析指數SD,計算公式如式(1):

圖4 豎冷爐的裝料過程

圖5 改進前后對應的堆尖粒徑分布(俯視圖)

SD=φi-φ0

(1)

式中:φi為局部區域內8 mm小顆粒燒結礦石的質量分數;φ0為豎冷設備內原始8 mm小顆粒燒結礦石的質量分數。

SD可以描述某種粒徑燒結礦石的聚集情況,SD接近0表明偏析較小,正值說明此處某種燒結礦石的質量分數較高,發生正偏析,反之則為負偏析。

8 mm小顆粒偏析指數的計算結果如圖6所示。可以看出,小顆粒的最大負偏析都出現在設備的兩側,這說明此處小顆粒的數量最少;改進前的負偏析比改進后嚴重,這說明分支進料管結構對此小顆粒均勻分布的調整有效果。

圖6 x方向偏析指數分布

3.3 燒結礦顆粒運動

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

圖7 燒結礦顆粒速度分布

4 結論

(1)梅鋼燒結礦豎式冷卻工藝實踐表明,該工藝節能環保和碳減排效果顯著,但在蒸汽回收量、發電量方面仍有提升空間;豎冷爐內高溫燒結礦與冷卻氣體能否充分接觸而實現礦氣高效換熱是燒結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,兩種粒徑顆粒質量分數之和達到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量分數趨近,大小顆粒燒結礦混合充分;參照高爐對燒結礦粒度要求為5～50 mm,可合理確定燒結礦入爐粒度范圍,并通過調節單輥破碎機輥間距、設置雙級破碎、開發熱篩等措施實現燒結礦入爐粒度控制。

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