羅浩 汪錫文 崔進兵 陳鐵軍

(1：中冶南方武漢鋼鐵設計研究院有限公司 湖北武漢 430080；2：武漢科技大學 湖北武漢 430080)

1 前言

隨著高爐煉鐵對于爐料結構的要求越來越高，球團礦由于其品位高、渣鐵比低、利于節(jié)能減排等特點，且生產球團礦工序能耗僅為燒結礦的50%[1]，球團礦將成為高爐煉鐵的主要原料。目前，我國存量球團礦生產線主要以鏈篦機-回轉窯工藝為主，生產中50%以上熱量是隨著熱球團礦和冷卻空氣帶走，將球團礦余熱進行回收利用，對球團生產節(jié)能具有重要意義。本文提出鏈篦機-回轉窯-豎冷窯工藝技術設想，以望有效減少熱量損失，達到優(yōu)化工藝、節(jié)能減排的目的。

2 球團工藝概述

2.1 球團生產工藝的對比

球團礦作為良好的高爐爐料，與高堿度燒結礦搭配，可以組成高爐合理的爐料結構，使高爐達到增產、節(jié)能，提高經(jīng)濟效益的目的，是鋼鐵生產中重要一環(huán)。歐洲和北美受環(huán)保因素的影響，高爐爐料結構已發(fā)展為高比例球團礦，球團礦入爐比例普遍在80%以上，尤其是瑞典和芬蘭的鋼鐵企業(yè)，取消燒結機，使用全球團冶煉。歐美部分鋼鐵公司高爐爐料結構如表1所示[2]。

目前世界上球團生產工藝主要有豎爐、帶式焙燒機和鏈篦機-回轉窯三種，其中豎爐具有投資省、維護簡單、運行費用低等優(yōu)點，但由于技術投入使用較早，早些年對環(huán)保和余熱回收不夠重視，造成了環(huán)保差、能耗高等不利印象，并且被國家發(fā)改委《產業(yè)結構調整指導名錄》列為限制類生產工藝。帶式焙燒機技術源自于奧圖泰等跨國企業(yè)，具有對原料適應性強、規(guī)模大等優(yōu)點，但投資較大，因此國內存量球團礦生產線還是以鏈篦機-回轉窯工藝為主。表2為帶式焙燒機和鏈篦機回轉窯工藝技術特點的對比。

表1 爐料結構和重點指標

表2 球團焙燒工藝比較

2.2 球團礦冷卻方式的對比

球團礦的冷卻是對球團礦的強度至關重要。目前國內球團礦爐外冷卻主要分環(huán)式冷卻、帶式冷卻和豎式冷卻三種，帶式焙燒機目前以機上冷卻技術為主，三種冷卻方式對比如表3所示。

環(huán)冷機、帶冷機等傳統(tǒng)的球團冷卻設備均存在設備占地面積大、零部件復雜制造及安裝周期長，設備配件較多維修工作量大，維護費用高，電耗高等問題；而且由于其結構特點，在運行過程中與風箱、煙罩等結構件存在大量的結合面，導致設備漏風率高，低溫段煙氣溫度較低回收價值少，一般直接排放。因此導致球團冷卻環(huán)節(jié)的余熱回收效率偏低、能源浪費較大。

2.3 豎冷窯技術的應用現(xiàn)狀

目前，燒結礦和球團礦生產中豎冷窯的應用處于起步階段，只有少數(shù)幾家鋼鐵公司建設了燒結和豎爐球團用豎冷窯，規(guī)模最大的是為360m2燒結配套豎冷窯工程。

國內燒結豎冷窯技術普遍采用的原理為逆向流動原理(冷卻空氣流動方向與礦石移動方向相反)，該原理源自于干熄焦技術，相比于環(huán)冷機使用效果，豎冷窯技術具有以下特點[4-5]：

1)全封閉工藝，漏風率較低，理論余熱回收利用效率更高，可達90%；

2)冷窯占地面積面積小，相比環(huán)冷機，同樣處理能力，豎冷窯占地面積僅為環(huán)冷機的10～20%；

3)大大減少了冷卻風量、降低了煙塵排放量，減少建設投資以及減排投資；

4)揚塵少，污染小，環(huán)保效益更為顯著；

5)豎冷窯本體處于工作靜態(tài)狀態(tài)，設備故障率低，對比銷齒傳動的環(huán)冷機結構簡單、重量更輕；因此，在易磨損部位采用合適的耐磨耐高溫材質的情況下，豎冷窯的作業(yè)率更高、可靠性更強。

據(jù)文獻[6]介紹，燒結豎冷窯運行效果良好，天津某鋼鐵公司采用該技術實現(xiàn)噸燒結礦發(fā)電27kWh，年余熱發(fā)電0.66億kWh，年余熱回收效益4216萬元(0.64元/kWh)，相當于年減少排放二氧化碳5.56萬噸，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

表3 120萬噸/年球團配套三種冷卻方式對比

相比燒結豎冷窯，由于球團礦比燒結礦粒度均勻、強度高、流動性強，更不容易出現(xiàn)堵料、偏析等現(xiàn)象；而且球團礦粒度均勻、透氣性好，熱交換率高，因此球團采用豎冷窯技術冷卻效果對比燒結礦更為成熟。

2018年底由我院參與設計的安徽某企業(yè)豎爐球團豎式冷卻工程正式投產運行，采用新型豎式冷卻技術，在球團排礦溫度平均500℃左右、排礦量70t/h的生產條件下，產生熱廢氣平均風溫330～350℃，風量8～9萬Nm3/h，并成功并網(wǎng)供給燒結余熱發(fā)電，該項目運行一年多，設備本體無任何故障，球團冷卻均勻性好。

3 鏈篦機-回轉窯-豎冷窯生產工藝特點

3.1 鏈篦機-回轉窯-環(huán)冷機熱工工藝

從回轉窯出來的球團礦外表溫度一般在1000～1100℃，內部溫度更是達到1250℃左右，傳統(tǒng)冷卻方式是采用球團型環(huán)冷機，配套多臺鼓風機進行分段鼓風冷卻，其熱工流程如圖1所示。

中小型球團環(huán)冷機一般采用“三段三室式”冷卻制度，即風箱設有一冷段、二冷段以及三冷段，每段設置有冷卻風機。爐罩對應一冷室產生的～1100℃高溫風直接入窯，二冷室產生的～700℃熱風直接供鏈篦機預熱1段，三冷室產生的～230℃熱風直接排放，球團顯熱的回收利用率約60～70%。目前，球團環(huán)冷機其最大弊端就是中低溫段余熱不能有效利用，國內常規(guī)球團冷卻方式均存在冷卻效果差、設備笨重、投資大、設備配件較多維修工作量、維護費用高、電耗高且環(huán)保問題無法解決等問題，運輸過程中球團礦灑落嚴重，而且由于冷卻設備漏風率高，排放的熱廢氣溫度低、風量小，嚴重制約了該部分余熱回收的利用。這部分中低溫段余熱直接放散既污染環(huán)境又浪費能源，若如能對該部分球團顯熱進行回收利用，對球團生產節(jié)能具有重要意義。

3.2 鏈篦機-回轉窯-豎冷窯熱工工藝

球團礦豎式冷卻窯采用自上而下室式冷卻，根據(jù)生產規(guī)?？煞譃槿紊踔了亩?。120萬噸/年球團豎冷窯一般分為兩室三段，每段風溫及風量與鏈篦機熱工需求進行匹配，其熱工流程如圖2所示。

一段室產生的～1100℃高溫風(約100000Nm3/h)直接入窯，二段室產生的600～700℃熱風(約90000Nm3/h)直接供鏈篦機預熱1段，三段室產生的300～400℃熱風(約150000Nm3/h)，用于采暖等余熱回收，可產生中低溫蒸汽，經(jīng)鍋爐換熱后廢氣用于可一段、二段風機循環(huán)使用。

采用豎冷窯對球團礦進行冷卻可有效利用球團生產過程產生的余熱，高中溫用于生產工藝，低溫熱風回收產生蒸汽，例如：120萬噸/年球團生產線(小時產量按151t/h)，進入豎冷窯第三段時，球團礦平均溫度550～600℃，進行熱工計算，可產生熱廢氣風量～18萬Nm3/h，風溫350～380℃，可配套3200～3500KW機組，15.8～19t/h蒸汽產量，相當于3000千瓦時發(fā)電量。以上回收利用的熱量，占球團顯熱的90%以上，熱回收利用率達90%。

圖1 鏈篦機-回轉窯-環(huán)冷機熱工流程示意圖

圖2 鏈篦機-回轉窯-豎冷窯熱工流程示意圖

3.3 鏈篦機-回轉窯-豎冷窯工藝余熱價值及效益預期

以球團小時產量為151t，球團礦排出溫度約為100～120℃為計算條件，三段室產生的350～380℃熱風量約180000Nm3/h，可配套鍋爐的產生中低溫蒸汽量為：

蒸汽壓力PN1.6MPa(絕壓)，t=330℃，蒸汽的量為：15.8～19t/h，平均17.5t/h，噸礦回收熱量折算為標煤：1.16kgcel/t。

余熱回收經(jīng)濟價值：按球團生產線年工作時間330天計算，每年可生產13.86萬t蒸汽，若按照蒸汽價值每噸120元計算(不同區(qū)域價格有差異)，即每年可產生直接效益約為：1663.2萬元，平均每噸球團礦降成本13.86元。若采用環(huán)冷機則該部分收益為零。

此外，除余熱利用產生的直接經(jīng)濟效益外，豎冷窯在環(huán)保以及冷卻方面的效益同樣十分顯著。由于無漏風，工作環(huán)境大幅提升，占地面積較小節(jié)約用地，降低企業(yè)建設投資及生產運行成本。

4 結論

1)球團豎冷窯工藝占地面積小、漏風率低、作業(yè)率高、可靠性強、具有很好的環(huán)保效果，在大幅度降低煙塵排放量的同時，還可以高效利用球團礦的余熱，該技術有著明顯的經(jīng)濟效益及社會效益，發(fā)展前景良好。

2)采用豎冷窯技術可使鏈篦機-回轉窯工序能耗下降～1.16kgcel/t，每噸球團礦降成本約13.86元，總工序能耗接近帶式焙燒機水平。

3)由于球團強度高、均勻性好、流動性強、透氣性好，球團礦采用豎冷窯技術冷卻效果比燒結礦更為成熟。