豎式逆流燒結余熱回收工藝和設備開發(fā)

1設備開發(fā)的目的、意義

燒結過程余熱資源主要由兩部分組成，一部分是來自于燒結機尾部、溫度約為550-700℃燒結礦所攜帶的顯熱，這部分顯熱約占燒結過程余熱資源總量的70%;另一部分來自于燒結機主排煙管道的燒結煙氣顯熱，這部分約占余熱資源總量的30%。比較而言，兩種余熱資源中，燒結礦顯熱數(shù)量較大，品質(zhì)較高;而燒結煙氣顯熱數(shù)量較小，品質(zhì)較低(燒結煙氣平均溫度為150-200℃)，且成分比較復雜。因此，燒結礦顯熱的高效回收與利用是整個燒結余熱回收與利用的重點。

目前，國內(nèi)外大中型燒結機燒結礦冷卻工藝大多采用帶式冷卻機或環(huán)形冷卻機冷卻。而國內(nèi)的小型燒結機和部分中型燒結機還采用平燒生產(chǎn)燒結礦，少有燒結礦的高效余熱回收設施。帶式冷卻機系統(tǒng)，漏風率達到30%-60%，冷卻風量大，熱交換方式為叉流換熱，熱廢氣品質(zhì)低，且污染環(huán)境，國內(nèi)噸燒結礦發(fā)電量為6-15kWh。環(huán)形冷卻機系統(tǒng)，漏風率高達40%-50%，同樣冷卻風量大，熱交換方式為叉流換熱，僅能將溫度較高的熱廢氣進行回收，這一部分占燒結礦顯熱的40.29%，其余59.71%尚未回收，余熱資源回收率較低，國內(nèi)噸礦發(fā)電量約為8-18kWh。平燒生產(chǎn)工藝是將燒結礦的燒結過程和冷卻過程在一臺平式燒結設備上完成，因此產(chǎn)量和生產(chǎn)效率低，由于受設備結構和工藝要求限制，沒有對燒結礦余熱進行回收，熱效率低?？傊捎谠O計之初沒有特別考慮余熱回收及設備結構的原因，導致目前的冷卻機結構和操作參數(shù)很難適應燒結礦顯熱的高效回收與利用要求。

如何從改變傳統(tǒng)工藝的角度，尋找一種既能冷卻燒結礦、同時兼顧余熱回收的不漏風、高效燒結礦冷卻工藝裝備，從根本上解決現(xiàn)有工藝裝備存在的問題，是該領域的技術發(fā)展趨勢。

基于此，北京中冶設備研究設計總院有限公司借鑒干法熄焦(CDQ)中干熄爐、直接還原鐵豎爐、高爐、石灰窯的結構形式，獨立進行了豎式逆流燒結余熱回收工藝和設備開發(fā)，并申請了燒結礦豎式逆流余熱回收裝置、固體料流控制方法、自動加揭蓋保溫上料小車等專利。

同傳統(tǒng)的冷卻機余熱回收系統(tǒng)相比，豎式逆流換熱技術實現(xiàn)了燒結余熱熱風全部的高效回收利用，克服了傳統(tǒng)冷卻機漏風高，只回收溫度較高的燒結余熱資源等缺點，改變了冷卻機僅限于燒結礦冷卻而不能高效回收顯熱的局面，大大提高了攜帶燒結礦顯熱的熱空氣品質(zhì)，克服了傳統(tǒng)冷卻機生產(chǎn)蒸汽品質(zhì)較低且流量不穩(wěn)定的弊端。該技術同成熟的循環(huán)燒結工藝技術相結合，可進一步提高余熱回收的效率。

2工藝流程

2.1技術路線

豎式逆流換熱系統(tǒng)的工藝流程和設備示意如圖1、圖2所示。

1)燒結礦的工藝流程。

從燒結機落下的熱燒結礦，經(jīng)單輥破碎機破碎后給料，通過保溫鏈板機(熱輸送帶)，或直接送入上料緩沖器內(nèi)，然后經(jīng)過料斗上料斜橋進入豎式逆流換熱裝置，在豎式逆流換熱裝置內(nèi)，熱燒結礦與冷卻風進行逆向熱交換后溫度降低為150℃以下，然后從豎式逆流換熱裝置下部的出料機構排出，經(jīng)出料皮帶、送礦槽皮帶進入篩分裝置，最后進入高爐礦槽。

2)冷卻風的工藝流程。

在冷卻鼓風機的作用下，90-100℃左右的冷卻風從豎式逆流換熱裝置下部的配風裝置進入豎式逆流換熱裝置，并與熱燒結礦進行逆流熱交換，產(chǎn)生的約620-710℃左右熱風從豎式逆流換熱裝置上部的中心管道集中排出，進入熱風總管。在引風機的作用下，熱風經(jīng)熱風總管進入一次重力除塵器除塵后進入余熱鍋爐系統(tǒng)。通過余熱鍋爐，經(jīng)過熱交換后變?yōu)?50℃左右的低溫廢氣，然后依次經(jīng)過省煤器后變?yōu)榧s150℃以下的熱風，一部分循環(huán)補充冷卻風，使冷卻風溫度控制在90-100℃，另一部分送燒結點火器，作為點火熱空氣或通過煙囪排空。

3)余熱鍋爐軟水循環(huán)的工藝流程。

余熱鍋爐軟水在循環(huán)水泵的作用下，從軟水站經(jīng)省煤器加熱到約150℃進入余熱鍋爐，經(jīng)過與熱風進行熱交換變?yōu)轱柡驼羝?，然后飽和蒸汽?jīng)過過熱器繼續(xù)與熱風進行熱交換，形成38.5kg/cm3、450℃中溫中壓蒸汽。過熱蒸汽經(jīng)管道進入蒸汽發(fā)電機組膨脹作功帶動發(fā)電機發(fā)電，同時過熱蒸汽變?yōu)槔淠笤俅芜M入軟水站，進入下一個循環(huán)。

2.2技術方案

技術方案主要包括以下系統(tǒng)：熱礦接收輸送系統(tǒng)、熱礦緩沖儲存系統(tǒng)、料斗斜橋上料系統(tǒng)、爐頂接料布料裝置、豎式逆流換熱裝置、燒結礦出料系統(tǒng)、煙風系統(tǒng)等。

1)熱礦接收輸送系統(tǒng)。

根據(jù)工藝要求，燒結機燒結礦經(jīng)單輥破碎機破碎后，既可以進入連接原有燒結礦的環(huán)形或帶式冷卻機，又可以切換進入本項目新建的連接豎式逆流換熱裝置的保溫、耐磨鏈板機，鏈板機設有保溫罩、保溫耐磨襯，設上料緩沖儲存斗，保證燒結機與豎式逆流換熱裝置順利銜接。

2)料斗斜橋上料系統(tǒng)。

上料系統(tǒng)的作用是將熱燒結礦穩(wěn)定地輸送到爐頂接料裝置中，為了減少熱燒結礦的熱損失，本系統(tǒng)采取了必要的保溫、耐磨措施。本系統(tǒng)采用料車斜橋上料形式上料，上料周期60s，料斗采用保溫、耐磨料斗，料斗設保溫蓋，在給料時保溫蓋自動打開，運料過程自動扣蓋，卸料時自動打開保溫蓋，使熱燒結礦的熱損失大大減少。

3)豎式逆流換熱系統(tǒng)。

該系統(tǒng)是本項目的核心，熱燒結礦在此通過與冷卻風的逆流熱交換，實現(xiàn)燒結礦的余熱回收，是余熱回收效果好壞的關鍵。

豎式逆流換熱系統(tǒng)的工作原理與干熄焦系統(tǒng)相類似，但是由于燒結礦的冷卻過程基本不產(chǎn)生可燃氣體，所以豎式逆流換熱系統(tǒng)運行的安全性高。

對干熄焦裝置的流場模擬仿真計算表明，存在偏風現(xiàn)象，影響氣體流動的主要因素為孔隙率分布與預存段直徑，爐內(nèi)存在邊緣氣流及可能的中部漏管，使氣流分布不均勻。因此，本裝備取消了干熄焦裝置的預存段、環(huán)形風道和下部傾斜段，而采用簡單的多管熱礦爐頂接料裝置，燒結礦按照自然堆積方式直接被送入冷卻段布料冷卻。控制爐內(nèi)固體料流下料均勻性是均勻換熱的關鍵所在，利用上部、中部、下部料流控制器綜合調(diào)整料流運動，不僅極大地改善了傳熱的均勻性，而且減少了料柱太高造成的燒結礦粉化現(xiàn)象。

取消環(huán)形風道和下部傾斜段后，為了合理將換熱后的熱風引出爐外，采用氣流分布合理的中間管道出氣，從豎式逆流換熱裝置上部的中心管道集中排出，進入熱風總管，將熱風送入后續(xù)的重力除塵器中。同時，環(huán)形風道和斜道區(qū)取消后，使得熱風的排風阻力大大減小。

取消預存段后，為確保熱礦不從爐頂接料裝置排到爐外，采用變頻調(diào)節(jié)排煙引風機風壓方式，控制爐頂氣體微正壓(0-100Pa)，接料裝置料面保持正壓差。取消預存段后，熱燒結礦的緩沖功能通過設置熱礦緩沖儲存系統(tǒng)來替代。

為了增加冷卻段的氣流分布均勻性和換熱效果，采用專有爐體結構技術將料層的邊緣氣流破壞，同時相對較快的邊緣下料速度，采用邊部區(qū)域快速下料平衡邊緣區(qū)域冷卻不均勻現(xiàn)象，保證爐料與空氣的均勻換熱，輸出溫度相對穩(wěn)定的熱空氣。

本方案的布風裝置與干熄焦裝置類似。

4)燒結礦出料系統(tǒng)。

燒結礦出料系統(tǒng)的主要作用是在封住豎罐內(nèi)冷卻氣體不向罐外泄漏的情況下，把冷卻后的燒結礦連續(xù)地排出，為保證料流分布及下料均勻，采用下部多點下料調(diào)節(jié)的方法，可實現(xiàn)人工強制調(diào)節(jié)爐內(nèi)料流分布，是本技術的另一個關鍵創(chuàng)新點。

冷卻后的燒結礦由電磁振動給料器連續(xù)排出，把燒結礦連續(xù)地排出到皮帶式輸送機上輸出。

5)煙風系統(tǒng)。

豎式逆流換熱裝置煙風系統(tǒng)可以采用半開路系統(tǒng)，豎式逆流換熱裝置產(chǎn)生的高溫熱風，經(jīng)過余熱鍋爐換熱降溫后的150℃左右的熱煙氣，大部分進入煙風循環(huán)系統(tǒng)，小部分直接通過煙囪排向大氣，對進入煙風循環(huán)系統(tǒng)的部分150℃左右的熱煙氣采用摻入冷空氣的方式實現(xiàn)。豎式逆流換熱裝置冷卻空氣入口溫度需要綜合考慮，太高或者太低都不好。經(jīng)過對豎式逆流換熱裝置冷卻過程的模擬仿真計算，當豎式逆流換熱裝置冷卻空氣入口溫度在90-100℃左右時，冷卻空氣從熱燒結礦中回收的熱量最大。

在豎式逆流換熱裝置冷卻鼓風機的作用下，經(jīng)調(diào)溫的豎式逆流換熱裝置冷卻空氣進入豎式逆流換熱裝置布風器，然后穿過豎式逆流換熱裝置內(nèi)熱燒結礦層，經(jīng)過熱交換變?yōu)?20-710℃的熱風，然后進入豎式逆流換熱裝置上部的中心管道集中排出，進入熱風總管經(jīng)除塵后進行余熱回收。

3設備概況

3.1主要設備說明

豎式逆流燒結余熱回收工藝技術主要包括熱礦接收輸送系統(tǒng)、熱礦緩沖儲存系統(tǒng)、保溫料斗斜橋上料系統(tǒng)、保溫爐頂接料裝置、保溫豎式逆流換熱裝置、燒結礦出料系統(tǒng)、煙風系統(tǒng)等。如何保證核心設備豎式逆流換熱裝置內(nèi)冷卻介質(zhì)、熱燒結礦的均勻流動和加強二者之間的換熱效率，是本項目重點開發(fā)內(nèi)容，其次，為了減少高溫熱燒結礦在運輸過程中的熱損失，研制了帶自動加揭蓋功能的上料小車。

1)豎式逆流換熱裝置的結構優(yōu)化設計。

豎式逆流換熱裝置本體采用自立式結構，爐殼采用鋼板焊接，通過支撐體與地基基礎連接固定，內(nèi)部根據(jù)工作溫度和工作部位、結構特點等不同，采用相應的保溫和耐磨材料砌筑，確保爐殼外壁溫度低于60℃。增加了冷卻段的氣流分布均勻性和換熱效果，保證爐料與空氣的均勻換熱，輸出溫度相對穩(wěn)定的熱空氣。豎式逆流換熱裝置本體示意，如圖3所示。高溫燒結礦經(jīng)破碎后進入頂部入料倉，經(jīng)過五個以上下料管進入豎式逆流換熱裝置本體，物料在下降過程中受上部分料器、中部分料器、十字梁、下部料流調(diào)節(jié)后均勻下降，從豎式逆流換熱裝置本體下部的多個出料口排出，匯入下部接料倉，下部出料系統(tǒng)可人工強制調(diào)節(jié)豎爐內(nèi)部的料流運動，混合后的冷礦排出到出料皮帶上運走。

冷卻空氣由中心布風器及環(huán)形布風管吹入，在空氣向上流動過程中使空氣在上升過程中均勻分布，高溫空氣從豎式逆流換熱裝置上部的中心管道集中排出。

目前，相關文獻檢索發(fā)現(xiàn)，已有的對干熄焦等豎式逆流換熱裝置內(nèi)的氣固換熱及流動仿真主要集中在冷卻介質(zhì)流動場、溫度場，固體移動床的溫度場等單場模擬研究上，而對豎式逆流換熱裝置而言，如果不進行冷卻介質(zhì)流場和溫度場、熱燒結礦下降流動狀態(tài)和溫度場、冷熱流體之間的換熱情況等多場耦合仿真研究，就很難得到豎式逆流換熱裝置內(nèi)真實的料流、冷卻狀態(tài)。

2)帶自動加揭蓋功能的上料小車。

熱燒結礦的溫度為550-750℃，如果采用普通的高爐上料小車結構將熱燒結礦從緩沖料倉運送到豎式逆流換熱裝置內(nèi)進行冷卻，則會造成大量的熱量散失到大氣中，從而使余熱回收效果惡化。為此，在傳統(tǒng)上料小車結構的基礎上，增加保溫措施，設計了一套小車保溫蓋及配套的自動加揭蓋機構，以減少熱損失，具體結構如圖4所示。

圖4上料小車示意上料小車在底部加料段下降時，小車上部的保溫蓋自動打開，便于加料，加料完成后，小車沿著軌道上升，在上升的過程中，小車上部的保溫蓋自動閉合。當?shù)竭_軌道頂部后，小車上部的保溫蓋自動打開傾倒原料。傾倒原料后，小車在自身重力的作用下，沿軌道向下運動，保溫蓋自動恢復到閉合位置。

3.2主要設備主要設備如表1所示。

3.3設備特點及優(yōu)勢

1)帶自動加揭蓋功能的上料小車結構簡單巧妙，制造、安裝便利，可以使物料在運輸過程中減少熱量損失，達到保溫效果，同時也減少了物料在運輸過程中的粉塵污染，保溫降塵一舉兩得，可廣泛用于各行業(yè)物料上料系統(tǒng)。

2)頂部入料倉及多管下料裝置，其特征在于頂部入料倉分兩部分組成，上半部分是儲料倉，下半部分是按圓周均勻分布的多個下料管道;上半部分儲料倉起緩沖儲存作用，下半部分多點供料可使豎式逆流換熱裝置本體內(nèi)物料均勻分布。

3)上部分料器裝置，安裝于豎式逆流換熱裝置本體中上部，減緩中間下料速度，促使同一平面物料下料均勻。

4)冷卻風再分布裝置，安裝于豎式逆流換熱裝置本體中下部(沿內(nèi)壁環(huán)形風道);使邊緣氣流強行向爐體中間部位引導，減緩邊緣效應。

5)中心布風器、十字梁及環(huán)形布風管裝置，冷卻空氣由環(huán)形布風管吹入中心布風器;再由中心布風器吹入豎式逆流換熱裝置本體;冷卻空氣對燒結礦進行冷卻。6)出料裝置，豎式逆流換熱裝置本體設有多個出料口，其中中心位置設置一個下料口，其余下料口沿圓周均勻分布在爐體邊部。每個下料口均設有獨立的振動給料機，可以獨立控制每個下料口的下料速度，有助于調(diào)節(jié)物料，使之均勻下料。7)下部接料倉裝置，下部接料倉接受多個下料點及中間料流的下料，將料均勻送到出料皮帶。

4結束語

生產(chǎn)1t燒結礦所攜帶的余熱資源約為0.94-1.02GJ，燒結礦顯熱約占燒結過程余熱資源總量70%，即0.658-0.714GJ，若燒結礦顯熱全部回收發(fā)電，噸礦發(fā)電量為54.8-59.5kWh。由于目前燒結礦余熱利用技術的限制，實際行業(yè)平均噸燒結礦發(fā)電量為8-18kWh，燒結余熱平均發(fā)電效率為24%。如果采用本課題所研究的豎式逆流燒結余熱回收裝置進行余熱回收，根據(jù)燒結機的不同情況，噸燒結礦發(fā)電量不低于25-35kWh。

目前，我國擁有1200臺以上的燒結機，2015年我國燒結礦產(chǎn)量約8.99億噸。若采用本課題所研究的豎式逆流燒結余熱回收裝置進行余熱回收，與傳統(tǒng)技術相比每噸燒結礦多發(fā)電17kWh，按每度電0.6元計算，每噸燒結礦余熱回收新增效益10.2元/噸，全年新增發(fā)電收入約為92億元。如果考慮到目前國內(nèi)仍然存在著占燒結總面積34%以上的90m2以下的中小型燒結機，未能采用高效回收燒結礦余熱，因此該豎式逆流燒結余熱回收裝置的市場推廣效益將更加顯著。

豎式逆流余熱回收裝置是一種基本沒有化學反應的高效逆流余熱回收裝置，根據(jù)燒結礦物料的特點設計，解決了固體物料的實際高效換熱問題，也可應用到塊狀鋼渣余熱回收、紅熱鐵合金鑄塊、渣量很大的鎳鐵冶煉渣等領域的高效余熱回收，有較強的通用性，因此豎式逆流燒結余熱回收裝置潛在的推廣技術領域和市場會更大。

綜上所述，豎式逆流燒結余熱回收工藝和裝置具有廣闊的市場推廣前景，經(jīng)濟效益非常顯著。在目前鋼鐵行業(yè)進入產(chǎn)能嚴重過剩、利潤降低、節(jié)能減排壓力增大的新常態(tài)下，這項技術的研發(fā)成功對鋼鐵企業(yè)降低生產(chǎn)成本，走出困境具有重要的意義。