環冷機零排放技術及低溫熱廢氣的再利用方法

景 濤

（1.中冶長天國際工程有限責任公司，湖南 長沙 410205；2.中南大學資源加工與生物工程學院，湖南 長沙 410083）

作為能源密集型的冶金生產工業占據全國能源總消耗量的16%左右，與之相關的余熱余壓回收等節能減排措施備受關注。燒結工序是冶金全流程生產的前端，約占企業能源總消耗量的9%～12%，節能是冶金企業節能減排的重點。縱觀燒結生產全過程，總熱量占比50%～60%的燒結礦顯熱是在冷卻機上被鼓風冷卻排出，這部分熱廢氣的溫度因冷卻位置的不同而不同，平均溫度在250℃左右，占比燒結工序總能耗的29%[1-3]，如果能夠充分利用這些在冷卻機上被釋放的熱量，將是提高燒結工序能效和降低燒結工序能耗的極好途徑。

1 環冷機熱廢氣利用現狀

自燒結機機尾落下的燒結礦溫度較高，有700℃～800℃，需要冷卻到120℃以下，大部分燒結廠采用環冷機對燒結礦進行冷卻[5]。由于環冷機是通過鼓風機將冷空氣經風管穿過臺車進入熱燒結礦料層并與之進行熱交換，使熱燒結礦逐漸得到冷卻，因此就產生大量環冷機熱廢氣，其含塵濃度在300～80mg/Nm3之間[1，3，4]。

目前，國內冶金企業對環冷余熱的利用，大部分只選擇了環冷機中高溫區300℃以上的熱廢氣，其回收利用方式主要分三種：一是將熱廢氣用于熱風點火助燃，亦或通入機頭混合料倉預熱混合料，達到降低燒結固耗目的，此法雖然簡單有效，但對熱廢氣的利用率極低，且能被利用的熱廢氣量占比不到總廢氣量的10%；二是通過換熱裝置或余熱鍋爐將熱廢氣用于生產蒸汽，并入廠區蒸汽總管網，代替一部分的燃料鍋爐，利用此種方式的冶金企業不多；三是通過余熱鍋爐產蒸汽后進行發電，該方式可利用約40%的環冷熱廢氣，能夠使全廠熱效率達到20%，為大多數冶金企業所采納[4-6]。而300℃以下的低溫區環冷熱廢氣，由于溫度低，利用難度大，利用成本高，大部分企業未予以考慮，直接外排至大氣，除造成廢氣余熱資源的浪費外，還造成環境的熱污染和顆粒物排放不達標，目前部分地區顆粒物排放標準值為50mg/Nm3，如何在保證燒結礦產、質量指標的前提下，增加余熱利用率，解決環冷機低溫熱廢氣無組織排放嚴重的現象，成為冶金企業急需解決的難點和廣大學者的研究重點。

2 環冷機零排放技術

環冷機零排放技術是在三燒結大修改造工程600㎡燒結機設計過程中，因環評部門明確要求環冷機不得存在無組織排放，且有組織排放不能達標則需設置除塵設施，為了滿足上海市最嚴格的環保要求，中冶長天在設計過程開發出來的一種環冷機煙氣綜合利用技術，實現了環冷機熱廢氣零排放及粉塵不外排的目標。

按臺車運轉方向，如圖1所示，環冷煙氣共分余熱鍋爐產蒸汽、熱風點火、熱風循環（包含低溫余熱ORC發電）、串級利用四部分利用。

圖1 環冷機熱廢氣零排放技術工藝流程圖

（1）環冷機的高溫段設直聯爐罩式余熱鍋爐（自帶除氧器），采用能源梯級利用技術回收熱能產蒸汽。當燒結機正常生產時：余熱鍋爐產生蒸汽量約為：1.8MPa、280℃的高參數過熱蒸汽60～80 t/h及0.5MPa、180℃的低參數過熱蒸汽15～20 t/h。這一部分煙氣溫度約350℃，總量108萬Nm3/h，經鍋爐換熱后煙氣溫度將至約133.5℃。為提高余熱利用效率，同時降低自用電率，占比78%的排氣通過循環風機返回環冷機，剩余排氣通過引風機進入原2#環冷鼓風機進口提高進口風溫或視燒結礦冷卻情況排入2#環冷鼓風機循環利用。

（2）剩余的高溫段煙氣作為熱風點火，300℃左右高溫煙氣約12.84萬N m3/h通過有動力引風方式收集后用于點火助燃及熱風保溫。點火助燃技術是燒結機點火爐節能減耗最簡便有效的措施，可提高燃燒溫度、保證點火強度、降低燃氣單耗9%～11%。熱風保溫是對點火燃燒后的燒結礦進行5min～6min保溫，一方面可強化燒結過程、降低混合料內配碳比，另一方面可避免因表層溫度急劇下降造成的燒結礦“冷脆性”，進一步提高燒結成品率。

（3）熱風循環是把中低溫段熱煙氣（約180℃）經余熱ORC發電后的廢氣（約115℃）和環冷機低溫段的煙氣（約75℃）通過軸流風機、均勻送風裝置混勻后送到燒結機臺車料面上進行燒結。在燒結生產過程中，由于料層自蓄熱作用，料層上部熱量不足，溫度比較低，而料層下部的熱量過剩，溫度較高。同時，料層上部因抽入冷風而急劇冷卻，燒結相來不及結晶，易形成大量玻璃質，且產生較大的內應力和裂紋，固降低了表層燒結礦強度。熱風循環的工藝以環冷機煙氣的物理熱代替部分固體燃料的化學熱，而使燒結礦上層冷卻速度下降，熱應力降低，上下層燒結礦質量趨于均勻，從而提高了燒結礦成品率。

（4）采用串級利用技術，將剩余約46萬Nm3/h的低溫段煙氣通過管道引入4#、5#環冷鼓風機循環利用，實現燒結區域無組織熱廢氣零排放目標，達到上海市的最嚴格環保要求。環冷機零排放技術因環保壓力而生，但其實際應用效果明顯，集成了余熱鍋爐產蒸汽并網發電、熱風點火、熱風循環等先進技術，將環冷機高溫、中溫、低溫熱廢氣全部進行了充分利用，為打造水凈天藍空氣清新的人類生存環境做出了貢獻，值得在所有新建燒結項目上推廣應用。

3 環冷機低溫熱廢氣再利用方法

3.1 用于熱風燒結

有些冶金企業嘗試對300℃以下的低溫環冷熱廢氣進行利用，首選工藝當屬熱風燒結，而熱風燒結工藝在使用過程中可分為無動力型熱風燒結（老熱風燒結工藝）和有動力型熱風燒結（新熱風燒結工藝），前者大都隨燒結機的新建而設計，后者常見于燒結機投運后改造新增。

無動力型熱風燒結主要依靠環冷機鼓風余壓、主抽風機負壓和熱壓差來將環冷機上未經過除塵的低溫熱廢氣送入位于點火爐后的燒結機密封罩內進行燒結的方法，普遍反應使用效果不好，關鍵原因在于沒有足夠的鼓風余壓、主抽風負壓和熱壓差，沒有將燒結機熱風燒結區域密封好，也沒有及時對熱風管道進行清灰。有動力型熱風燒結是將環冷機上經過除塵后的低溫熱廢氣通過風機引入位于點火爐后的燒結機密封罩內進行燒結的方法，該新工藝考慮到梯級取風及設備檢修，在環冷機和多管除塵器之間設塵氣蝶閥；設計的多管除塵器可去除環冷熱廢氣中攜帶的粉塵，以減輕后續設備及管道的磨損，同時可凈化環冷機附近的工作環境，而多管除塵器內的除塵灰通過雙層卸灰閥卸到配料膠帶機上再次參與配料；煙氣分配器與燒結機臺車密封罩相聯，可將由環冷回熱風機引出的熱風均勻分布到燒結機臺車表面。

目前，無動力型熱風燒結幾乎被廢棄不用，有的干脆被拆除或者改為有動力型。作為有動力型的熱風燒結新工藝，主要設計特點在于總量控制、梯級取風、均勻送風和負壓吸附式可移動密封罩等方面[4]。該工藝在唐山國豐230㎡燒結機上應用后，使其生產利用系數提高了0.07t/㎡·h，轉鼓強度提高了0.65%，FeO含量降低了0.6%，固體能耗降低了約3kg/t，環冷熱廢氣總排放量下降約50%，解決了目前環冷機低溫熱廢氣無組織排放嚴重的現象和現行無動力熱風燒結工藝存在的不足，在保證燒結礦產量和質量指標的前提下，可降低固體能耗、減少熱廢氣排放量、增加余熱利用率，是一種值得推廣使用的工藝技術。

3.2 用于熱風點火

高爐燃氣熱值低，作為燒結機的點火燃料效果不如天然氣、焦爐燃氣及混合氣體，而采用預熱助燃空氣的方法可增強高爐燃氣的利用效果，但要配套建設預熱爐，增加了投資和燃氣消耗量。

采用熱風點火工藝，將環冷機低溫熱廢氣（150℃～300℃）經過凈化后作為點火助燃空氣使用，可減少投資及高爐燃氣用量。研究表明，環冷機低溫熱廢氣主要成分為N2（約占79%），O2其次（約占16%），再就是CO和CO2等（約占5%），與空氣成分非常相似，作為點火助燃空氣完全滿足要求。再者，具有150℃～300℃左右溫度的環冷機低溫熱廢氣，無需預熱即能保證高爐燃氣正常使用，還可大幅提高燃氣的使用效率，節省固體燃料用量[6]。

目前，許多冶金企業都已采用熱風點火工藝，但點火用助燃空氣量畢竟有限，仍有大量低溫熱廢氣選擇自然排放，說明有待尋找其它利用途徑，或是與熱風燒結或煙氣循環技術同步使用，這樣效果會更顯著。

3.3 用于煙氣循環

煙氣循環燒結工藝因對燒結過程產生的熱廢氣重復利用度高受到重視，其回收煙氣中的顯熱和潛熱具有很好的效果，不但提高了燒結煙氣的熱利用率，而且能降低固體燃料消耗，減少煙氣外排量，提高粉塵、SO2和NOx處理濃度，還使得脫硫、脫硝的投資及運行成本得到降低，起到了一定節能減排效果[7,8]。

目前，國內外冶金企業的燒結機有很多都采用了煙氣循環燒結工藝，主要分為內循環工藝和外循環工藝，兩種工藝所循環利用的燒結熱廢氣溫度約為150℃～300℃，這與環冷機低溫熱廢氣或高溫段熱廢氣經余熱利用之后的熱廢氣溫度相當。同時，由于環冷機低溫熱廢氣或經余熱利用后的熱廢氣含O2約為16%～21%，正好解決了煙氣內、外循環工藝所取燒結煙氣O2含量不足的問題，所以在采用煙氣循環燒結工藝時會將環冷機低溫熱廢氣或經余熱利用后的熱廢氣，與燒結煙氣一起混合后返回燒結機物料面參與燒結，使用后都能降低固體燃料消耗，增產提質減排，清潔燒結生產，值得廣泛普及采用。

3.4 用于火車解凍庫輔助熱源

北方的冶金企業為了應對冬季火車廂內物料被凍板結現象，大都采用設置解凍庫的方式來解決該問題，隨著對環冷熱廢氣有了嶄新認識后，環冷機低溫熱廢氣已被選為輔助熱源，甚至將環冷機高溫熱廢氣送到火車解凍庫作為單一熱源，或將高溫熱廢氣經余熱利用后再送往解凍庫作為熱源。

因環冷機熱廢氣作為火車解凍庫熱源利用的方式受地域和季節限制，為了提高熱利用效率，最佳方案是無論選取環冷機低溫段熱廢氣還是高溫段熱廢氣，或者是高溫段熱廢氣經余熱利用后，都應設置切換閥，在冬季需要時將熱廢氣送往解凍庫用于物料解凍，在不需解凍物料的時候，可將這部分熱廢氣另作他用。同時，在輸送熱廢氣至解凍庫的路由上，宜采用除塵及管道自沉降措施，可起到回收粉塵和保護環境的作用。

3.5 用于烘干塊礦

塊礦因其較好的品位及抗壓性能，可直接入高爐使用，而隨著環保對燒結、球團生產工序的限制，冶金企業對塊礦的需求增加已成為新常態。但由于塊礦含粉率高、水分大、粘振動篩等多方面因素，會對高爐燃料消耗和爐況順行產生不利影響，直接導致高爐塊礦配比不足。

為了用好塊礦，冶金企業針對塊礦含粉率和水分控制采取了一系列措施，比如將高爐熱風爐產生的熱廢氣引至高爐料倉用于烘干塊礦，或者在塊礦堆場設置塊礦烘干篩分系統等。有鑒于此，將環冷機熱廢氣用于烘干塊礦這一思路是可行的，可選取環冷機低溫段熱廢氣、高溫段熱廢氣，或者是高溫段熱廢氣經余熱利用后的煙氣，將其輸送至高爐料倉或塊礦堆場用于塊礦烘干，目前該方法已在某企業1800m3高爐予以應用，具有良好的經濟效益和節能環保效益，值得借鑒。

4 結語

（1）環冷機零排放技術作為在某冶金企業率先使用的新技術，將環冷熱廢氣分余熱鍋爐產蒸汽、熱風點火、熱風循環（包含低溫余熱ORC發電）、串級利用四部分進行充分利用，實現了環冷機熱廢氣零排放及粉塵不外排的目標，值得在所有新建的燒結機上推廣應用；環冷機低溫熱廢氣用于有動力型熱風燒結新工藝，采用了總量控制、梯級取風、均勻送風等設計特點，在滿足燒結礦各項性能指標前提下，達到了降低固體能耗、增加余熱利用率、實現環冷機無組織熱廢氣超低排放的目的，適用于新建和改建燒結機項目。

（2）環冷機低溫熱廢氣用于熱風點火，可提高燃氣使用效率，節省固體燃料消耗，但點火用助燃空氣量畢竟有限，仍有大量低溫熱廢氣需自然排放，所以該技術最好與熱風燒結或煙氣循環同步使用，效果會更顯著；環冷機低溫熱廢氣用于煙氣循環，因其熱廢氣溫度與循環的燒結煙氣溫度相當，且解決了煙氣內、外循環所取燒結煙氣O2含量不足的問題，所以將其與燒結煙氣一起混合后返回燒結機物料面參與燒結，使用后都能降低固體燃料消耗，增產提質減排，清潔燒結生產，值得廣泛普及采用；環冷機熱廢氣用于火車解凍庫的輔助熱源，起到了解凍物料的效果，但受地域和季節限制，為提高熱廢氣的使用效率，最好設置回路來保證這部分熱廢氣不外排；環冷機熱廢氣用于烘干塊礦，具有良好的經濟效益和節能環保效益，值得借鑒。

（3）燒結過程中由環冷機產生的熱廢氣循環利用是冶金企業節能的需要，文中所述的幾種方式僅供參考，期待有更多更好的再利用方法被冶煉從業者們發現、采用和推廣。