何鐵牛

(太原鋼鐵(集團)有限公司礦業(yè)分公司 峨口鐵礦， 山西 代縣 034207)

0 前言

峨口鐵礦是太原鋼鐵(集團)有限公司主要球團礦原料基地，150萬t/a豎爐燒結球團廠始建于1990年，2003年將150萬t/a豎窯球團的基礎上通過局部利舊，改造為220萬t/a鏈篦機+回轉窯+環(huán)冷機燒結球團廠，2004年底建成并開始試生產，12月正式投產，主要擔負峨口鐵礦220萬t/a鐵礦粉燒結球團生產任務，到2018年底累計生產燒結球團3 000萬t左右。

峨口鐵礦燒結球團廠為鏈篦機+回轉窯+環(huán)冷機生產工藝，鏈篦機為B4.5×46 m，有效面積為207 m2，主要作用是預熱和運輸生球；回轉窯為Φ5.9×38 m，主要作用是中心噴煤及高溫加熱燒結生球；環(huán)冷機為13B426，中經為Φ18.5 m，冷卻臺車數(shù)量40組，冷卻燒結球能力300 t/h，有效冷卻面積為121 m2，主要作用是冷卻燒結后的高溫熟球，環(huán)冷機給料球溫度≤1 250 ℃，經過環(huán)冷機循環(huán)風冷卻后，卸料球溫度≤150 ℃。改進前燒結球團廠生產過程中在環(huán)冷機上產生大量高溫廢氣(高溫尾氣或高溫煙氣)直接排放于大氣中，對周圍環(huán)境產生較大污染。還有改進前球團廠采用2臺20 t燃煤鍋爐給球團工業(yè)園區(qū)及生活區(qū)供暖，燒結球團高溫尾氣和鍋爐廢氣煙塵對周邊空氣和環(huán)境產生較大的污染。近年來，隨著社會的發(fā)展，新環(huán)保法對燒結球團廠生產提出更高標準和更嚴要求，因此現(xiàn)在燒結球團企業(yè)，必須回收利用燒結球團所產生的高溫污染尾氣，替代改進前2臺20 t取暖燃煤鍋爐，降低取暖成本,節(jié)省煤耗，減少污染物排放，改善環(huán)境，提升競爭力和生存空間，具有極大經濟效益、社會意義和推廣價值。

1 改進前環(huán)冷機高溫廢氣余熱排放現(xiàn)狀

1.1 改進前環(huán)冷機高溫廢氣排放現(xiàn)狀

改進前燒結球團廠環(huán)冷機循環(huán)風冷卻高溫球團礦(1 250 ℃左右)生產后高溫廢氣直接排放于大氣中，沒有經過余熱回收利用和脫硫、脫硝環(huán)保工藝處理，環(huán)冷機煙囪直接排放廢氣中二氧化硫濃度達到3 000 mg/m3，排放溫度達到150 ℃以上，由于國家新環(huán)保法的實施，高溫廢氣必須經過脫硫、脫硝等改造后，才能高空排放。2017年初環(huán)冷機高溫廢氣經過余熱回收利用、脫硫和脫硝環(huán)保工藝改進后，煙囪內廢氣二氧化硫排放濃度≤100 mg/m3，排放溫度≤60 ℃，大大低于國家環(huán)保標準，實現(xiàn)了超低排放。

1.2 改進前2臺20 t燃煤鍋爐現(xiàn)狀

改進前燒結球團廠采用2臺20 t燃煤鍋爐給球團工業(yè)園區(qū)供暖，每小時消耗燃煤2.5 t/臺，消耗燃煤18 000 t/a，燃煤鍋爐煙囪直接排放二氧化硫廢氣380 t/a，氮氧化物廢氣150 t/a，直接排放顆粒煙塵廢物400 t/a；由于新環(huán)保法的實施，改進前2臺20 t燃煤鍋爐必須停產升級，高溫廢氣排放必須符合國家新環(huán)保法的超低排放要求，或者對2臺20 t燃煤鍋爐排放高溫煙氣進行脫硫和脫硝改造，才能繼續(xù)使用，需要環(huán)保改造投資800多萬元。

2 高溫廢氣余熱回收應用研究與改進措施

2017年太原鋼鐵(集團)有限公司峨口鐵礦球團廠(簡稱峨口球團廠)組織設計院和工程總公司，針對峨口球團廠生產實際，從球團生產工藝入手，進行環(huán)冷機高溫廢氣數(shù)據采集統(tǒng)計和實際監(jiān)測結果分析(見表1)，通過對與能源相關的工序的溫度、流量、壓力的連續(xù)監(jiān)測、采集，將其數(shù)據與前后工序數(shù)據對比、診斷，最終在環(huán)冷機與鼓干風機之間，現(xiàn)場有一定的高溫尾氣應用空間經過相關專家多次交流、探討和測算，結合球團廠生產實際，完成了余熱回收鍋爐設計參數(shù)(見表2)和環(huán)冷機高溫廢氣利用翅片管余熱回收鍋爐的研究、應用和技術改造，替代改進前2臺20 t燃煤鍋爐，每年可減少燃煤18 000 t，大大減少二氧化硫及二氧化碳等煙氣排放，極大減少環(huán)境污染。

表1 環(huán)冷機高溫廢氣采集統(tǒng)計與檢測結果

表2 余熱回收鍋爐設計參數(shù)

2.1 環(huán)冷機高溫廢氣應用與研究

燒結球團環(huán)冷機高溫廢氣余熱回收利用翅片管式鍋爐(高效熱交換器)代替改進前2臺20 t燃煤鍋爐，極大減少二氧化硫及二氧化碳煙氣排放量，減少環(huán)境污染，該系統(tǒng)是專門為燒結球團工藝環(huán)冷機回收高溫廢氣余熱利用而專門研究的，設計環(huán)冷機余熱回收鍋爐工藝流程系統(tǒng)圖(見圖1)，該余熱回收系統(tǒng)主要由翅片管式廢氣余熱回收鍋爐(高效熱交換器)、連接管路、廢氣自動調節(jié)閥等組成，蒸發(fā)器受熱面設計了專業(yè)的螺旋翅片管，具有強化傳熱及傳熱效率高等優(yōu)點，因而其余熱回收系統(tǒng)整套裝置具有傳熱效率高，運行可靠，操作簡單，維修方便，工作安全穩(wěn)定，壽命長，結構緊湊，外形美觀、采暖成本低等特點。利用余熱回收鍋爐所產生蒸汽可用于生活，取暖或澡堂用汽，也可以加熱混合料，冬天用于取暖，夏天用于發(fā)電。

圖1 環(huán)冷機余熱回收鍋爐工藝流程系統(tǒng)圖

2.2 環(huán)冷機余熱回收鍋爐設計與計算

(1)每小時余熱回收熱量應根據廢氣進、出溫度及尾氣流量等按公式(1)確定：

Qh≥Cp×G×(T入口-T出口)×R

(1)

式中Qh—每小時回收熱量，Kcal/h或kW/h；

Cp—尾氣定壓比熱，kJ (kg·℃)；

G—理論高溫廢氣質量流量(計算)，kg/h；

T入口—煙氣(廢氣)入口溫度，℃；

T出口—煙氣(廢氣)出口溫度，℃；

R—換熱效率，常數(shù)系數(shù)。

(2)每小時節(jié)省煤量應根據煤炭發(fā)熱值及燃燒效率等按公式(2)確定：

Mh=Qh/Qd/(100-μ)%

(2)

式中Mh—每小時省煤量，kg/h；

Qh—每小時回收熱量，kW/h；

Qd—煤燃燒發(fā)熱值(計算)，kcal/kg；

μ—鍋爐煤不完全燃燒率，%。

表3 余熱回收鍋爐熱交換檢測與計算結果

2.3 環(huán)冷機余熱回收鍋爐軟化水系統(tǒng)設計

新水經過軟化系統(tǒng)軟化后的軟化水經除氧器除氧進入鍋爐鍋筒，鍋筒內的軟化水經下降爐管流進蒸發(fā)器，蒸發(fā)器由環(huán)冷機高溫廢氣使爐管內的軟化水加熱，產生的汽水混合物沿爐管上升到達鍋筒，為了得到更純凈的蒸汽，該系統(tǒng)設置了二次汽水分離裝置，經二次分離后的比較純凈的飽和蒸汽送至球團工業(yè)園區(qū)供暖。鍋爐鍋筒由給水泵補水，蒸發(fā)器由下降爐管從鍋筒內補水，蒸發(fā)器與鍋筒之間可形成水汽的自然循環(huán)；經多次熱力循環(huán)設計與校核，該系統(tǒng)為自然循環(huán)鍋爐，自身水動力足以克服系統(tǒng)阻力，將蒸汽送到分汽缸，直至送到用戶。

2.4 環(huán)冷機余熱回收鍋爐高溫廢氣回收系統(tǒng)設計

余熱回收鍋爐(熱交換器)設置于環(huán)冷機與鏈篦機之間的旁通煙道，通過主煙道與旁通煙道的高溫煙氣由調節(jié)閥自動調整，保證進入余熱回收鍋爐煙氣(廢氣)入口溫度T入口為400 ℃左右，通過余熱回收鍋爐熱利用后的煙氣出口溫度T出口為254 ℃左右；次高溫煙氣254 ℃左右再進一步進行余熱回收利用，預熱鏈篦機上面輸送的生球，因此經過鏈篦機鼓干風機廢氣溫度T出口為254 ℃左右，滿足鏈篦機鼓干段生球預熱溫度，生球預熱所需煙氣溫度可以電腦調節(jié)，(該參數(shù)可通過電腦畫面隨時設置)，設計高溫廢氣余熱回收工藝流程及總圖布置示意圖(如圖2所示)，廢氣經過再一次余熱利用后，低溫廢氣又經過脫硫和脫硝環(huán)保工藝處理后，廢氣直接排放，排放二氧化硫濃度≤100 mg/m3，排放溫度≤60 ℃，大大低于國家環(huán)保標準，實現(xiàn)了超低排放。

圖2 高溫廢氣余熱回收工藝流程及總圖布置示意圖

3 余熱回收鍋爐改造后運行狀況

2017年7月12日，太鋼峨口鐵礦組織工程總公司承擔了球團廠《環(huán)冷機高溫廢氣余熱回收利用工程總承包合同》，經過設計院精心設計，嚴格施工，于2017年10月21日進行煮爐和試運行，于10月24日20時轉入正式生產運行。

以上為燒結球團廠環(huán)冷機高溫廢氣余熱回收利用鍋爐24小時運行記錄，通過數(shù)據分析，該余熱回收系統(tǒng)運行參數(shù)全部達到或優(yōu)于設計要求，通過了設備性能達標測試。

表4 2018年1月25至26日余熱回收鍋爐運行記錄

4 高溫廢氣余熱回收技術應用與研究

4.1 穩(wěn)定水動力循環(huán)研究

余熱回收鍋爐翅片管式蒸發(fā)器是由若干個聯(lián)箱組構成，每個聯(lián)箱組單獨進出鍋筒，形成若干個簡單自然循環(huán)回路，使水動力循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，熱偏差小，安全性好。

4.2 提高綜合傳熱效率研究

余熱回收鍋爐翅片管式蒸發(fā)器的傳熱是高溫廢氣通過管壁傳導，將熱量直接傳遞給軟化水，進行相態(tài)換熱，屬一次性換熱，同時由于爐管內是水汽混合物而管外是高溫廢氣，管內的換熱系數(shù)較管外大的多，因此總的傳熱系數(shù)主要決定于管外的換熱系數(shù)，通過在爐管外表面焊接翅片來增大爐管外表面積，強化管外的換熱條件，從而達到強化傳熱、提高熱效率的目的。

4.3 提高受熱面耐磨性研究

由于環(huán)冷機高溫尾氣中攜帶大量煙塵，在設計余熱回收裝置時，為了強化傳熱，蒸發(fā)器管束采用了螺旋焊接翅片管，翅片的重要輔助功能是在耐磨性方面起到良好作用。一方面高溫尾氣中含塵顆粒首先與肋片相撞擊，失去了部分動能；另一方面廢氣斜向沖刷，廢氣經翅片后在管子的縱向和橫向做繞流運動，灰塵顆粒速度發(fā)生分解，又損失了部分動能，從而減弱了對換熱管磨損和沖擊力，因而保護了換熱管，提高受熱面耐磨性。

4.4 優(yōu)化余熱回收系統(tǒng)研究

余熱回收系統(tǒng)在設計過程中，借鑒煉鐵廠燒結礦余熱回收應用鍋爐并對其進行優(yōu)化，減小設備(水側、汽側)自身阻力，克服了螺旋焊接翅片管增大系統(tǒng)阻力的缺點，利用螺旋輸送的優(yōu)點增大汽水循環(huán)動力，使設備結構緊湊、外形美觀合理。

5 改進后效益

5.1 企業(yè)效益

余熱回收項目實施后，根據上面公式(1 環(huán)冷機余熱回收工藝流程系統(tǒng)圖)計算回收余熱Qh為4 138 200～6 860 700 kcal/h，可解決55 000～91 000 m2廠區(qū)供暖，完全可以代替改進前球團工業(yè)園區(qū)2臺20 t燃煤鍋爐供暖。

(1)改進前：2臺20 t燃煤鍋爐供暖，需要燃煤690～1 143 kg/h(平均按916 kg/h計算)，礦區(qū)按150天采暖期，煤750元/t(包括儲運、人工、排渣)，電費0.5元/kW，用煤成本為916×24×150×750/1 000/10 000=247.32萬元；改進前2臺20 t燃煤鍋爐維護檢修成本為100萬元(前幾年平均值)；改進前2臺20 t燃煤鍋爐需要司爐工12人，人工成本為80萬元；改進前2臺20 t燃煤鍋爐需要循環(huán)水泵一供一備功率約17.5 kW，燃煤系統(tǒng)功率20 kW，電氣及儀表耗電5 kW，用電成本為(17.5+5+20)×24×150×0.5/10 000=7.65萬元；因此，改進前2臺20 t燃煤鍋爐供暖成本每年合計為247.32+100+80+7.65=434.97萬元。

(2)改進后：用1臺余熱鍋爐代替2臺20 t燃煤鍋爐，現(xiàn)在余熱應用鍋爐需要循環(huán)水泵一供一備功率約17.5 kW，電氣及儀表耗電5 kW，用電成本為(17.5+5)×24×150×0.5/10 000=4.05萬元；設備維護檢修費按設備投資150萬元的3%計算為150×0.03=4.5萬元；1臺余熱鍋爐需要司爐工4人，人工成本為27萬元；因此，改進后余熱鍋爐每年需要成本4.05+4.5+27=35.55萬元。

(3)綜上所述，通過改進前后的對比，改進后每年可節(jié)省成本為434.97-35.55=399.42萬元。

5.2 社會效益

(1)拆除2臺20 t燃煤鍋爐，可減少燃煤消耗18 000 t/a，減少二氧化硫廢氣排放380 t/a，減少氮氧化物廢氣排放150 t/a，減少煙塵顆粒廢物排放400 t/a，環(huán)保效益巨大；

(2)高溫尾氣余熱回收利用實施后，可減少環(huán)冷機煙囪排放二氧化碳8 935 t/a，二氧化硫及氮氧化物排放102.4 t/a。

6 結語

燒結球團廠環(huán)冷機高溫廢氣余熱回收利用實施二年后，效果很好，巧妙應用環(huán)冷機三段高溫廢氣設計余熱應用翅片管式鍋爐(高效熱交換器)，蒸發(fā)器受熱面設計采用專業(yè)的螺旋翅片管，具有強化傳熱及傳輸效率高等優(yōu)點，因而高溫尾氣余熱利用整套系統(tǒng)具有傳熱效率高，工作安全穩(wěn)定，壽命長，結構緊湊、外形美觀等特點，多項經濟技術指標達到國內領先水平，獲得良好社會經濟效益，即節(jié)約能源，減少污染，又降低供暖成本，具有很強的實用性和操作性，值得推廣。