豎式逆流燒結(jié)余熱回收工藝和設(shè)備開發(fā)

1設(shè)備開發(fā)的目的、意義

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

目前，國(guó)內(nèi)外大中型燒結(jié)機(jī)燒結(jié)礦冷卻工藝大多采用帶式冷卻機(jī)或環(huán)形冷卻機(jī)冷卻。而國(guó)內(nèi)的小型燒結(jié)機(jī)和部分中型燒結(jié)機(jī)還采用平燒生產(chǎn)燒結(jié)礦，少有燒結(jié)礦的高效余熱回收設(shè)施。帶式冷卻機(jī)系統(tǒng)，漏風(fēng)率達(dá)到30%-60%，冷卻風(fēng)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(guó)內(nèi)噸燒結(jié)礦發(fā)電量為6-15kWh。環(huán)形冷卻機(jī)系統(tǒng)，漏風(fēng)率高達(dá)40%-50%，同樣冷卻風(fēng)量大，熱交換方式為叉流換熱，僅能將溫度較高的熱廢氣進(jìn)行回收，這一部分占燒結(jié)礦顯熱的40.29%，其余59.71%尚未回收，余熱資源回收率較低，國(guó)內(nèi)噸礦發(fā)電量約為8-18kWh。平燒生產(chǎn)工藝是將燒結(jié)礦的燒結(jié)過程和冷卻過程在一臺(tái)平式燒結(jié)設(shè)備上完成，因此產(chǎn)量和生產(chǎn)效率低，由于受設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝要求限制，沒有對(duì)燒結(jié)礦余熱進(jìn)行回收，熱效率低?？傊捎谠O(shè)計(jì)之初沒有特別考慮余熱回收及設(shè)備結(jié)構(gòu)的原因，導(dǎo)致目前的冷卻機(jī)結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)很難適應(yīng)燒結(jié)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(jié)礦、同時(shí)兼顧余熱回收的不漏風(fēng)、高效燒結(jié)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(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

基于此，北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)形式，獨(dú)立進(jìn)行了豎式逆流燒結(jié)余熱回收工藝和設(shè)備開發(fā)，并申請(qǐng)了燒結(jié)礦豎式逆流余熱回收裝置、固體料流控制方法、自動(dòng)加揭蓋保溫上料小車等專利。

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

2工藝流程

2.1技術(shù)路線

豎式逆流換熱系統(tǒng)的工藝流程和設(shè)備示意如圖1、圖2所示。

1)燒結(jié)礦的工藝流程。

從燒結(jié)機(jī)落下的熱燒結(jié)礦，經(jīng)單輥破碎機(jī)破碎后給料，通過保溫鏈板機(jī)(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(jìn)入豎式逆流換熱裝置，在豎式逆流換熱裝置內(nèi)，熱燒結(jié)礦與冷卻風(fēng)進(jìn)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(jī)構(gòu)排出，經(jīng)出料皮帶、送礦槽皮帶進(jìn)入篩分裝置，最后進(jìn)入高爐礦槽。

2)冷卻風(fēng)的工藝流程。

在冷卻鼓風(fēng)機(jī)的作用下，90-100℃左右的冷卻風(fēng)從豎式逆流換熱裝置下部的配風(fēng)裝置進(jìn)入豎式逆流換熱裝置，并與熱燒結(jié)礦進(jìn)行逆流熱交換，產(chǎn)生的約620-710℃左右熱風(fēng)從豎式逆流換熱裝置上部的中心管道集中排出，進(jìn)入熱風(fēng)總管。在引風(fēng)機(jī)的作用下，熱風(fēng)經(jīng)熱風(fēng)總管進(jìn)入一次重力除塵器除塵后進(jìn)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(fēng)，一部分循環(huán)補(bǔ)充冷卻風(fēng)，使冷卻風(fēng)溫度控制在90-100℃，另一部分送燒結(jié)點(diǎn)火器，作為點(diǎn)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(jìn)入余熱鍋爐，經(jīng)過與熱風(fēng)進(jìn)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(fēng)進(jìn)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(jìn)入蒸汽發(fā)電機(jī)組膨脹作功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，同時(shí)過熱蒸汽變?yōu)槔淠笤俅芜M(jìn)入軟水站，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

2.2技術(shù)方案

技術(shù)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(chǔ)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(jié)礦出料系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)等。

1)熱礦接收輸送系統(tǒng)。

根據(jù)工藝要求，燒結(jié)機(jī)燒結(jié)礦經(jīng)單輥破碎機(jī)破碎后，既可以進(jìn)入連接原有燒結(jié)礦的環(huán)形或帶式冷卻機(jī)，又可以切換進(jìn)入本項(xiàng)目新建的連接豎式逆流換熱裝置的保溫、耐磨鏈板機(jī)，鏈板機(jī)設(shè)有保溫罩、保溫耐磨襯，設(shè)上料緩沖儲(chǔ)存斗，保證燒結(jié)機(jī)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(jié)礦穩(wěn)定地輸送到爐頂接料裝置中，為了減少熱燒結(jié)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(shè)保溫蓋，在給料時(shí)保溫蓋自動(dòng)打開，運(yùn)料過程自動(dòng)扣蓋，卸料時(shí)自動(dòng)打開保溫蓋，使熱燒結(jié)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(xiàng)目的核心，熱燒結(jié)礦在此通過與冷卻風(fēng)的逆流熱交換，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)礦的余熱回收，是余熱回收效果好壞的關(guān)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(jié)礦的冷卻過程基本不產(chǎn)生可燃?xì)怏w，所以豎式逆流換熱系統(tǒng)運(yùn)行的安全性高。

對(duì)干熄焦裝置的流場(chǎng)模擬仿真計(jì)算表明，存在偏風(fēng)現(xiàn)象，影響氣體流動(dòng)的主要因素為孔隙率分布與預(yù)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(yù)存段、環(huán)形風(fēng)道和下部?jī)A斜段，而采用簡(jiǎn)單的多管熱礦爐頂接料裝置，燒結(jié)礦按照自然堆積方式直接被送入冷卻段布料冷卻?？刂茽t內(nèi)固體料流下料均勻性是均勻換熱的關(guān)鍵所在，利用上部、中部、下部料流控制器綜合調(diào)整料流運(yùn)動(dòng)，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(jié)礦粉化現(xiàn)象。

取消環(huán)形風(fēng)道和下部?jī)A斜段后，為了合理將換熱后的熱風(fēng)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(jìn)入熱風(fēng)總管，將熱風(fēng)送入后續(xù)的重力除塵器中。同時(shí)，環(huán)形風(fēng)道和斜道區(qū)取消后，使得熱風(fēng)的排風(fēng)阻力大大減小。

取消預(yù)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(fēng)機(jī)風(fēng)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(yù)存段后，熱燒結(jié)礦的緩沖功能通過設(shè)置熱礦緩沖儲(chǔ)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(jié)構(gòu)技術(shù)將料層的邊緣氣流破壞，同時(shí)相對(duì)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(duì)穩(wěn)定的熱空氣。

本方案的布風(fēng)裝置與干熄焦裝置類似。

4)燒結(jié)礦出料系統(tǒng)。

燒結(jié)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(jié)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(diǎn)下料調(diào)節(jié)的方法，可實(shí)現(xiàn)人工強(qiáng)制調(diào)節(jié)爐內(nèi)料流分布，是本技術(shù)的另一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)。

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

5)煙風(fēng)系統(tǒng)。

豎式逆流換熱裝置煙風(fēng)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?zé)犸L(fēng)，經(jīng)過余熱鍋爐換熱降溫后的150℃左右的熱煙氣，大部分進(jìn)入煙風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，小部分直接通過煙囪排向大氣，對(duì)進(jìn)入煙風(fēng)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(shí)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(duì)豎式逆流換熱裝置冷卻過程的模擬仿真計(jì)算，當(dāng)豎式逆流換熱裝置冷卻空氣入口溫度在90-100℃左右時(shí)，冷卻空氣從熱燒結(jié)礦中回收的熱量最大。

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

3設(shè)備概況

3.1主要設(shè)備說明

豎式逆流燒結(jié)余熱回收工藝技術(shù)主要包括熱礦接收輸送系統(tǒng)、熱礦緩沖儲(chǔ)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(jié)礦出料系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)等。如何保證核心設(shè)備豎式逆流換熱裝置內(nèi)冷卻介質(zhì)、熱燒結(jié)礦的均勻流動(dòng)和加強(qiáng)二者之間的換熱效率，是本項(xiàng)目重點(diǎn)開發(fā)內(nèi)容，其次，為了減少高溫?zé)釤Y(jié)礦在運(yùn)輸過程中的熱損失，研制了帶自動(dòng)加揭蓋功能的上料小車。

1)豎式逆流換熱裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

豎式逆流換熱裝置本體采用自立式結(jié)構(gòu)，爐殼采用鋼板焊接，通過支撐體與地基基礎(chǔ)連接固定，內(nèi)部根據(jù)工作溫度和工作部位、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等不同，采用相應(yīng)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(duì)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?zé)Y(jié)礦經(jīng)破碎后進(jìn)入頂部入料倉(cāng)，經(jīng)過五個(gè)以上下料管進(jìn)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(gè)出料口排出，匯入下部接料倉(cāng)，下部出料系統(tǒng)可人工強(qiáng)制調(diào)節(jié)豎爐內(nèi)部的料流運(yùn)動(dòng)，混合后的冷礦排出到出料皮帶上運(yùn)走。

冷卻空氣由中心布風(fēng)器及環(huán)形布風(fēng)管吹入，在空氣向上流動(dòng)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(guān)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，已有的對(duì)干熄焦等豎式逆流換熱裝置內(nèi)的氣固換熱及流動(dòng)仿真主要集中在冷卻介質(zhì)流動(dòng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)，固體移動(dòng)床的溫度場(chǎng)等單場(chǎng)模擬研究上，而對(duì)豎式逆流換熱裝置而言，如果不進(jìn)行冷卻介質(zhì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)、熱燒結(jié)礦下降流動(dòng)狀態(tài)和溫度場(chǎng)、冷熱流體之間的換熱情況等多場(chǎng)耦合仿真研究，就很難得到豎式逆流換熱裝置內(nèi)真實(shí)的料流、冷卻狀態(tài)。

2)帶自動(dòng)加揭蓋功能的上料小車。

熱燒結(jié)礦的溫度為550-750℃，如果采用普通的高爐上料小車結(jié)構(gòu)將熱燒結(jié)礦從緩沖料倉(cāng)運(yùn)送到豎式逆流換熱裝置內(nèi)進(jìn)行冷卻，則會(huì)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加保溫措施，設(shè)計(jì)了一套小車保溫蓋及配套的自動(dòng)加揭蓋機(jī)構(gòu)，以減少熱損失，具體結(jié)構(gòu)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(shí)，小車上部的保溫蓋自動(dòng)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(dòng)閉合。當(dāng)?shù)竭_(dá)軌道頂部后，小車上部的保溫蓋自動(dòng)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(yùn)動(dòng)，保溫蓋自動(dòng)恢復(fù)到閉合位置。

3.2主要設(shè)備主要設(shè)備如表1所示。

3.3設(shè)備特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

1)帶自動(dòng)加揭蓋功能的上料小車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單巧妙，制造、安裝便利，可以使物料在運(yùn)輸過程中減少熱量損失，達(dá)到保溫效果，同時(shí)也減少了物料在運(yùn)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(cāng)及多管下料裝置，其特征在于頂部入料倉(cāng)分兩部分組成，上半部分是儲(chǔ)料倉(cāng)，下半部分是按圓周均勻分布的多個(gè)下料管道;上半部分儲(chǔ)料倉(cāng)起緩沖儲(chǔ)存作用，下半部分多點(diǎn)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(fēng)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(fēng)道);使邊緣氣流強(qiáng)行向爐體中間部位引導(dǎo)，減緩邊緣效應(yīng)。

5)中心布風(fēng)器、十字梁及環(huán)形布風(fēng)管裝置，冷卻空氣由環(huán)形布風(fēng)管吹入中心布風(fēng)器;再由中心布風(fēng)器吹入豎式逆流換熱裝置本體;冷卻空氣對(duì)燒結(jié)礦進(jìn)行冷卻。6)出料裝置，豎式逆流換熱裝置本體設(shè)有多個(gè)出料口，其中中心位置設(shè)置一個(gè)下料口，其余下料口沿圓周均勻分布在爐體邊部。每個(gè)下料口均設(shè)有獨(dú)立的振動(dòng)給料機(jī)，可以獨(dú)立控制每個(gè)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(cāng)裝置，下部接料倉(cāng)接受多個(gè)下料點(diǎn)及中間料流的下料，將料均勻送到出料皮帶。

4結(jié)束語(yǔ)

生產(chǎn)1t燒結(jié)礦所攜帶的余熱資源約為0.94-1.02GJ，燒結(jié)礦顯熱約占燒結(jié)過程余熱資源總量70%，即0.658-0.714GJ，若燒結(jié)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(jié)礦余熱利用技術(shù)的限制，實(shí)際行業(yè)平均噸燒結(jié)礦發(fā)電量為8-18kWh，燒結(jié)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(jié)余熱回收裝置進(jìn)行余熱回收，根據(jù)燒結(jié)機(jī)的不同情況，噸燒結(jié)礦發(fā)電量不低于25-35kWh。

目前，我國(guó)擁有1200臺(tái)以上的燒結(jié)機(jī)，2015年我國(guó)燒結(jié)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(jié)余熱回收裝置進(jìn)行余熱回收，與傳統(tǒng)技術(shù)相比每噸燒結(jié)礦多發(fā)電17kWh，按每度電0.6元計(jì)算，每噸燒結(jié)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(guó)內(nèi)仍然存在著占燒結(jié)總面積34%以上的90m2以下的中小型燒結(jié)機(jī)，未能采用高效回收燒結(jié)礦余熱，因此該豎式逆流燒結(jié)余熱回收裝置的市場(chǎng)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(xué)反應(yīng)的高效逆流余熱回收裝置，根據(jù)燒結(jié)礦物料的特點(diǎn)設(shè)計(jì)，解決了固體物料的實(shí)際高效換熱問題，也可應(yīng)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(lǐng)域的高效余熱回收，有較強(qiáng)的通用性，因此豎式逆流燒結(jié)余熱回收裝置潛在的推廣技術(shù)領(lǐng)域和市場(chǎng)會(huì)更大。

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