燒結及球團環冷機高溫廢氣余熱回收應用研究

靳華東 劉相伯

摘 ?要：通過介紹燒結、球團環冷機高溫廢氣余熱回收的應用，利用環冷機排放高溫廢氣對螺旋翅片管式余熱回收鍋爐進行研究與設計，針對當前余熱回收鍋爐等回收裝置存在的問題進行改進，使余熱鍋爐供暖能夠達到良好的效果，既確保高溫廢氣余熱能夠得到二次利用，對取暖燃煤鍋進行替代，降低排放同時帶來顯著的效益，可在大范圍內進行推廣應用。

關鍵詞：燒結球團環冷機 ? 高溫廢氣 ? 余熱回收 ? 二次利用

中圖分類號：TF046 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）08（c）-0030-04

Study on the Application of Waste Heat Recovery from High Temperature Waste Gas of Sintering and Pelletizing

Environment-friendly Cooler

JIN Huadong ? LIU Xiangbo

（Northern （Dalian） Engineering & Technology Corporation， MCC， Dalian， Liaoning Province， 116000 China）

Abstract： By introducing the application of high temperature waste heat recovery from sintering and pelletizing environment-friendly cooler， the spiral finned tube type waste heat recovery boiler is studied and designed by using the high temperature waste gas discharged from the cooler. In view of the problems existing in waste heat recovery boilers and other recovery devices， improvements are made to enable the waste heat boiler heating to achieve good results， not only ensuring that the waste heat of high-temperature waste gas can be reused， but also replacing the coal-fired boiler for heating， at the same time， the emission reduction brings significant benefits， which can be popularized and applied in a large scale.

Key Words： Sinter pellet environment-friendly cooler; High temperature waste gas; Waste heat recovery; Secondary utilization

針對當前已有的燒結、球團廠調查分析可得，大部分燒結、球團廠通常采用20T燃煤鍋爐，為周邊工業園以及生活區進行供暖。考慮到燒結、球團的燃燒與使用對周邊空氣帶來較大的污染，造成環境質量的下降，因此，在社會發展以及科技進步背景下，國家提倡對環境的保護，出臺環境保護法促進資源綠色使用，對環境嚴加保護，同時對燒結球團廠的生產工作提出了更高的要求以及標準。當前，燒結球團企業紛紛開展高溫污染尾氣的收集與二次利用，對取暖燃煤鍋進行替代，從而實現成本的節約以及污染的減少，發展符合國家要求的、具備經濟效益以及社會效益的廢棄回收體系。

1 ?國內外關于燒結余熱的現狀

1.1 關于國內對燒結余熱的回收現狀

在我國的很多地區，燒結廠都改變了已有的工作模式，在完成燒結的工序以后，將冷卻廢氣余熱更加科學合理地進行回收利用，目前的發展情況較為樂觀。主要體現在以下幾個方面。

1.1.1 利用余熱生產蒸汽

國內燒結廠將冷卻廢氣余熱進行蒸汽生產。寶鋼二期燒結廠的燒結機質量較好、功能較為齊備，與它一起的工作的鼓風環式冷卻機可最大限度地將燒結余熱寶鋼二期與國外相關廠家進行合作，利用冷卻機廢氣和主排氣余熱回收兩套裝置來生產蒸汽，這也是我國現有的規模較大的現代化燒結余熱回收裝置。受限于以往的科技水平和對燒結余技術的現有技術情況，燒結余熱技術應用前，絕大多數的廢氣與灰塵直接排放在空氣中，造成嚴重的能源浪費以及環境污染。依靠先進的技術力量，寶鋼既按照國家要求進行廢氣排放，同時帶來了比較可觀的收入。南京某化工學院探索熱管技術，經過反復研究發現，此項技術可以充分利用氣體與液體間相互轉化的技術來回收余熱，這種技術不僅能保證回收率高、又能節約成本、效益高。該學院將該技術與武鋼進行合作。用蒸汽式機器代替原有熱力發電機器，蒸汽式機器充分利用燒結余熱技術，燒結余熱能保證充足的供應需要，技術的不斷改良，更是讓燒結的產量穩步增長，現階段此技術的應用達到了令人滿意的效果，實現巨大的效益[1]。

1.1.2 余熱可以應用到供電方面

越來越多的科技研究者致力于燒結余熱探索研究，有一部分學者在蒸汽、發電領域嘗試探索，不少企業投身之熱發電進程中。例如：馬鋼第一煉鐵總廠首次使用了余熱發電系統，在系統應用兩年內收獲了巨大的經濟效益。濟鋼第二燒結廠也把燒結機余熱發電工程當作重要的突破口，經過一段時間應用，系統運轉穩定且帶來了良好的效益。該工廠主要采用了熱風循環技術及雙壓補氣技術，解決燒秸稈近一半的用電量[2]。

1.1.3 余熱可以應用到提取熱水方面

在20世紀80年代的時候，水城鋼鐵廠采用了較為先進的余熱回收方法—— 安裝熱交換管，因為其安裝的位置在降塵管內，所以具有成本低且見效快的特點。同時，該廠的余熱回收裝置性能達到相應的標準及要求，能夠取得一定良好的經濟效益。該方法比較適用于小型燒結廠。

1.2 國外燒結余熱回收利用情況

國外對燒結廢氣的二次利用體現在以下幾個方面。

1.2.1 余熱可以應用到提取蒸汽方面

日本的科研人員在20世紀就已經開始逐步探索將燒結機冷卻機器應用到廢氣回收領域，對廢熱進行蒸汽的回收。在應用過程中有大批的企業引進該技術，取得良好效益。

1.2.2 利用燒結余熱進行熱風燒結

燒結料層離開點火器后將向外發熱，在一定范圍內燒結兩層表面溫度可實現迅速下降，因此可在點火器安裝三段式換熱器，有效地進行熱量的搜集。將燒結余熱鍋爐的排氣輸送到燒結機料面之上，這樣做的目的是進行熱風燒結，讓廢氣量處于可控的范圍之內，降低對廢氣的處理設備投入資金[3]。國外現部分鋼鐵企業利用煙氣循環技術實現了熱風燒結，并取得良好效果：燒結廢氣經過余熱回收之后，其回收量有大幅度提升;排放到大氣當中的廢氣量減少24%左右，廢氣中的粉塵量減少60%;燃料消耗降低4%;電耗降低5%～10%;二氧化硫、二氧化氮排放量減少3%～10%。

1.2.3 利用余熱預熱燒結點火助燃空氣

德國第三鋼鐵公司在這一方面可以稱得上是行家里手，預熱工作的完成憑借著冷卻機廢水余熱，通過在3號燒結機的卸礦處和冷卻劑排氣罩上裝置三級循環冷卻器，并通過分管進入到2、3、4號燒結機點火器，助燃空氣。在4號燒結機上將廢氣脫硫裝置進行連接，這樣能夠確保燒結礦節省部分熱量，對燒結機輸入總熱量達到相應節省效果[4]。

2 ?環冷機高溫廢氣余熱排放存在問題

以往的環冷機廢氣是完全處于無組織排放狀態，環冷鼓風機從大氣中吸入冷空氣，然后以一定壓力吹入環冷機料層底部，冷空氣在穿透料層的過程中，帶走燒結礦中的熱量，變成熱空氣，最后經過環冷機煙囪排入大氣，從而達到冷卻目的。

這種廢氣直排方案帶來兩個問題：一是高品位熱量作為廢熱散入大氣，造成浪費。燒結物料在經過燒結工藝之后，大量的熱量儲存在環冷機料層中，可以將環冷機的前兩段排氣換熱到400 ℃和300 ℃左右，這部分熱廢氣流量龐大，能量品高，完全可以用來轉換為蒸汽或者電能的形式加以回收，從而降低燒結單位能耗量。二是環冷機高溫段距離受料口近，在受料過程中會產生大量粉塵，如果直接經煙囪外排，會對環冷機區域造成粉塵污染。

3 ?燒結余熱回收技術不足之處

溫度一直是燒結廠最關注的焦點之一，溫度的高低直接影響冷卻器利用率，掌握這一個原理之后，就會著重研究控制合理溫度的問題。在生產過程中，積聚到可以回收再利用的熱量通常來自兩部分：一部分是燒結過程中煙氣揮發中蒸發出來的熱量，經管道收集到的最后水溫能保證在150 ℃左右，能釋放出來的熱量是整體收集到的熱量的1/4左右;另一部分是冷卻機在廢氣提取過程中顯熱，通過結余途徑收集到的水溫一般會在三四百攝氏度之間，經冷卻機處理后，溫度可達到100 ℃～500 ℃不等。通過上述途徑收集到的熱源具有幾個特點：第一，經燒結余熱程序后的熱源利用率較低。常規情況下，燒結機在做工作時只有頭部及尾部為高溫段廢氣，溫度占總溫度的1/3，通常低溫廢氣數量較大，在冷卻過程中冷卻機排出的廢氣溫度降低，溫度達不到300 ℃的廢氣占所有廢氣量的一半以上。這么大的占比，導致從整個層面看，燒結余熱過程中產生的熱源絕大多數是劣質品，不符合再利用的標準[5]。第二，廢氣利用過程中溫度波動較大。在整個燒結過程中，影響溫度的客觀條件有很多，比如：外界環境溫度、管道材質情況、運輸的時長等多方面因素，這些不確定因素極易引發溫度區間變動，溫度的波動直接導致廢氣熱源品質問題。第三，提取到的熱源存在不穩定因素。熱源很提取和保存，能夠源源不斷提供熱源固然好，一旦出現中斷情況，會導致整個余熱回收的中斷。第四，從保護生態環境，減少污染排放方面，也是燒結廠發展過程中不可回避、必須克服和急需解決的難題。

4 ?探索高溫廢氣余熱回收技術應用研究及相應改進

根據當前已有的球團廠生產實際，通過對環冷機高溫廢氣相應數據的采集與分析可知，需要開展相應的高溫廢氣余熱回收利用，通過進行參數設計以及環冷機高溫廢氣利用翅片管余熱回收鍋爐技術改造，能夠在一定程度上減少燃煤量以及二氧化硫、二氧化碳等有害物質的排放量，降低對環境的污染程度，主要通過以下幾個方面進行高溫廢氣余熱的回收設計[6]。

4.1 開展環冷機高溫廢氣應用與研究

一般燒結球團環冷機通常采用熱管鍋爐，對此可利用翅片管式鍋爐進行替代，翅片管能夠極大地減少二氧化硫、二氧化碳的排放量，從而減少空氣當中的廢氣污染量。翅片管式鍋爐能夠專門解決燒結球團環冷機排放的高溫廢氣，該環冷機余熱回收鍋爐工藝設計圖見圖1。

該系統主要通過翅片管式廢氣余熱回收鍋爐連接管路、廢氣自動調節閥等組建構成。使用專門的螺旋翅片管能夠極大的進行傳熱，同時對產生的廢氣降低其環境污染。該系統具備傳熱效率高、操作簡便、壽命長且綠色環保等特點。通過使用余熱回收鍋爐所產生的蒸汽，可以用在生活當中進行取暖、公共洗浴用氣，在夏季也可用于發電。

4.2 環冷機余熱回收鍋爐軟化水系統設計

新水經過軟化系統軟化之后可經過除氧器進入到鍋爐鍋筒內，一般鍋筒內的軟化水經下降爐管流入至蒸發器中，蒸發器由環冷機高溫廢氣對爐管內的軟化水進行加熱，從而產生相應的氣汽水混合物到達鍋筒。為得到更為純凈的蒸汽，進水該系統可進行二次汽水分離，在經過二次分離后的飽和蒸汽輸送至球團工業園進行供暖使用。鍋爐鍋筒由給水泵進行補水，蒸發器則由下降爐管從鍋筒內進行補水，從而可以形成蒸發器與鍋筒之間的自然循環系統。經過多次熱力循環應用，該系統為自然循環鍋爐，自身的水動力能夠克服系統阻力，從而將蒸汽輸送至分氣缸中，滿足各個用戶的需求。

4.3 環冷機余熱回收鍋爐高溫廢氣回收系統設計

在環冷機與鏈篦機邊的煙道中可設置余熱回收鍋爐，通過主煙道和旁通煙道的高溫煙氣通過調節閥進行自動調整，從而保證余熱回收鍋爐廢氣入口溫度能達到400 ℃左右，于是回收鍋爐熱利用的出口溫度為250 ℃左右，次高溫煙氣250 ℃左右。再次進行余熱回收利用，預熱鏈篦機上面輸送的生球，所以鏈篦機鼓干風機廢氣溫度出口能達到250 ℃左右，滿足基本的預熱溫度標準。生球預熱所需煙氣溫度，可根據電腦進行調節。廢氣經過再一次的余溫利用，低溫廢氣同時經過脫硫與脫硝環保處理后，可直接進行廢氣排放，此時排放氣體當中二氧化硫濃度以及排放溫度低于國家環保標準，實現了綠色排放。

4.4 自動化控制設計

高溫廢氣余熱回收系統設計中可增加對于熱鍋爐水位、溫度、壓力等參數的收集，從而能夠實現對系統的監控。一旦出現異常情況，系統自動報警，如果系統預警為采取相應解決措施，并且達到對系統設置的極限，則整個系統將切換至原生產系統，停止運行余熱鍋爐，關閉相應管道。等待系統自行恢復、故障排除后可進行正常生產。與此同時，在進行設計時可考慮鼓干風機入口溫度的要求，對溫度進行相應參數設置，當主煙道閥門和換熱器、煙道閥自動調節，從而降低系統換熱能力，達到鼓干段風溫的要求。

5 ?高溫廢氣余熱回收技術特點

5.1 提高綜合傳熱效率研究

余熱回收鍋爐翅片管式蒸發器的傳熱是高溫廢氣通過管壁進行傳導，將熱量直接傳遞給軟化水進行換熱過程，同時，考慮到爐管內是水汽混合物而管外則是高溫廢氣管理的換熱系數較大，因此總傳熱系數要以管外換熱系數為主。在爐管外表面焊接翅片，從而增加爐管外表面積，強化管外換熱條件，進而實現強化傳熱，提高熱效率的目的[7]。

5.2 穩定水動力循環研究

余熱回收鍋爐翅片管式蒸發器由多個聯箱組構成，每個聯箱組能夠單獨進出鍋筒，從而形成若干簡單自然的循環回路，使水動力循環系統更加穩定，熱度偏差小且安全性高。

5.3 提高受熱面耐磨性研究

考慮到環冷機高溫尾氣當中攜帶大量的煙塵，所以在進行余熱回收裝置設計時，需要通過加強螺旋焊接翅片管來起到受熱面的耐磨性提高的作用。一方面，高溫尾氣當中含有的顆粒會與肋片進行撞擊，失去一部分動能;另一方面，廢氣斜向沖刷廢氣，經赤片后在管內進行縱向與橫向的繞流運動，灰塵顆粒速度受到分解，部分功能遭受損失，從而減弱對換熱管的磨損力度，增強了受熱面的耐磨性性，延長換熱管的壽命。

5.4 優化余熱回收系統研究

余熱回收系統在進行設計過程中，可通過借鑒煉鐵廠燒結礦余熱回收應用鍋爐經驗，并對其進行相應優化，減小設備存在的阻力，克服螺旋焊接翅片管存在的系統阻力增大的缺陷，利用螺旋輸送優點來增強汽水循環動力，從而使設備結構更加緊湊，外形更加合理美觀。

6 ?結語

總而言之，從燒結球團場環冷機高溫廢水余熱回收利用實施整體情況上來看效果良好，通過利用環冷機三段高溫度余熱應用翅片管式鍋爐蒸發器，采用螺旋翅片管能夠極大的發揮傳熱以及效率高環保等特點，其工作穩定性強且壽命長、外形美觀，在此幫助下能夠得達到國家相應排放標準以及相關行業標準，既能夠取得良好的經濟效益同時還能夠獲得社會效益與環保效益，具有很強的實用性與操作性。但就當前國內外發展現狀來看，仍需相關人員進行總結與反思，不斷創新，實現進一步的發展。

參考文獻

[1] 湯樂云，趙改革，甘敏，等.燒結過程強化結晶的技術探討及應用[J].燒結球團，2021，46（4）：1-6.

[2] 張朝暉，徐凱強，邢相棟，等.燒結礦低溫還原粉化影響因素研究進展[J].鋼鐵研究學報，2021，33（6）：453-460.

[3] 張翀.鋼鐵工業實施超低排放改造技術要點分析[J].山西化工，2021，41（4）：222-224.

[4] 尹凱.余熱利用鍋爐在燒結球團環冷機的應用分析[J].造紙裝備及材料，2020，49（3）：130.

[5] 劉征建，黃建強，張建良，等.高爐高比例球團冶煉技術發展和實踐[J].遼寧科技大學學報，2021，44（2）：85-91.

[6] 翟新穎.高爐高比例球團礦冶煉操作實踐[J].天津冶金，2021（1）：7-9，16.

[7] 洪勛，于連濤.2×500m2燒結系統余熱回收技術的應用[J].山東冶金，2020，42（2）：49-50.

作者簡介：靳華東（1982—），男，碩士，高級工程師，研究方向為燒結球團非標設備。