解海波

(北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，北京 100043)

0 引言

近年來，煙氣循環(huán)技術(shù)被國內(nèi)強(qiáng)烈關(guān)注。從實(shí)驗(yàn)?zāi)M、數(shù)值模擬、生產(chǎn)測試、煙氣性質(zhì)、風(fēng)量影響、風(fēng)氧平衡研究等方面[1-3]確立了煙氣循環(huán)工藝的基礎(chǔ)理論和工藝路線。在煙氣循環(huán)的應(yīng)用方面，也開展了創(chuàng)新實(shí)踐，如高壓變頻器在風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用、風(fēng)箱自控切換閥選型、煙氣強(qiáng)化加速技術(shù)、上罩節(jié)能均熱技術(shù)、上罩密封技術(shù)、上罩?jǐn)?shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究等[4-7]。裴元東等人[8]認(rèn)為煙氣循環(huán)應(yīng)保證循環(huán)廢氣的含氧量和含濕量，將品質(zhì)差的廢氣循環(huán)到機(jī)尾。李惠瑩等人[9]認(rèn)為對擬建脫硫脫硝設(shè)施的燒結(jié)機(jī)適用于EOS模式，混用機(jī)頭機(jī)尾煙氣保證氧含量，回用機(jī)尾煙氣保證溫度，料層降解和吸附中部有害成分高的煙氣。首秦?zé)Y(jié)由于煙氣中K2O、Na2O的富集，導(dǎo)致電除塵器芒刺板形成很難清除的絮狀集灰，除塵效率下降。煙氣循環(huán)工藝中的元素富集問題應(yīng)該提出并特別關(guān)注。

1 燒結(jié)過程質(zhì)能轉(zhuǎn)化分析

燒結(jié)物化反應(yīng)很復(fù)雜,人們多關(guān)注影響較大的主要化學(xué)元素及其物化反應(yīng)[2-4]，而對影響力較小的微量元素關(guān)注不多，對元素富集狀況不夠重視。

從燒結(jié)過程來看，混勻料中54%～56%的成分是鐵元素，從點(diǎn)火前到燒結(jié)終點(diǎn)后，這部分物質(zhì)不會因機(jī)械故障而散逸或因生成氣態(tài)物質(zhì)而發(fā)生量的變化，TFe占混勻料或燒結(jié)礦質(zhì)量的二分之一以上。同時，標(biāo)志堿度的元素如SiO2、MgO、CaO、Al2O3等，前后質(zhì)量也不發(fā)生變化，混勻料中占比42%～43%。微量物質(zhì)TiO2、V2O5等化合物在反應(yīng)前后質(zhì)量也保持不變。這些燒結(jié)工程中的主要物質(zhì)都完整地保留在了燒結(jié)餅中。

從混勻礦到燒結(jié)餅，物質(zhì)前后質(zhì)量的變化主要由少數(shù)幾個規(guī)則物化反應(yīng)引起。除此之外，全部是對完成燒結(jié)影響很小的微量元素的變化和小概率事件[10]。燒結(jié)前后物質(zhì)質(zhì)量、煙氣品質(zhì)的變化(即燒損)只由S(多以FeS2化合態(tài)存在)氧化后90%脫除，物理水、結(jié)晶水全脫除(結(jié)晶水的損失歸在燒損項(xiàng)中)，碳酸鹽全部分解，F(xiàn)eO的前后量化氧化，C的燃燒引起和決定。其他因素只引起煙氣熱焓的變化，與煙氣成分、質(zhì)量的變化無關(guān)，這同時也決定了混勻礦對參與燒結(jié)的煙氣品質(zhì)的要求?？諝庵兄挥蠴2參與上述物化反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)前后燒結(jié)煙氣成分發(fā)生變化。前后其它各項(xiàng)損失為0。重點(diǎn)考慮CO2、CO、O2、H2O和煙氣溫度。比熱容由煙氣各組分的比例決定，不主要取決于溫度。前后煙氣品質(zhì)、物料溫度、燒損、成礦量、循環(huán)耐熱風(fēng)機(jī)流量與負(fù)壓、FeO氧化量，可逐類實(shí)測得出。點(diǎn)火保溫段、煙氣循環(huán)與露天燒結(jié)遵循同一規(guī)律。點(diǎn)火煤氣、助燃空氣配燒，生成的煙氣再參與混勻礦的燒結(jié)物化反應(yīng)。煙氣、水、物料等任何物質(zhì)都帶有原始物理熱。

燒結(jié)過程中，由混勻料到燒結(jié)餅，質(zhì)的轉(zhuǎn)變通過物化反應(yīng)發(fā)生，而物化反應(yīng)主要發(fā)生在燃燒帶。物化反應(yīng)需要什么樣的煙氣，燒結(jié)過程就需要什么樣的煙氣。有什么樣的物料，對應(yīng)發(fā)生什么樣的物化反應(yīng)。不同的物化反應(yīng)對煙氣內(nèi)不同成分的要求不同。

在1 050～1 250℃下，混勻料的物化反應(yīng)是完全的，有嚴(yán)格要求的是氧氣，別的組分不要求。生成的新煙氣改變了原來煙氣的成分。燒結(jié)煙氣成分變化見圖1～3 。

圖1 點(diǎn)火器下煙氣燒結(jié)物化反應(yīng)示意圖

圖2 空氣燒結(jié)物化反應(yīng)示意圖

圖3 循環(huán)煙氣燒結(jié)物化反應(yīng)示意圖

物質(zhì)變化的方向、進(jìn)度由主要影響因素來決定。生產(chǎn)過程動態(tài)波動，燒結(jié)設(shè)計的規(guī)則都是生產(chǎn)過程抽象的理想化，能夠貼切地描述或模擬燒結(jié)生產(chǎn)過程。設(shè)計規(guī)則預(yù)先架設(shè)生產(chǎn)過程，生產(chǎn)過程在設(shè)計規(guī)則附近波動。對設(shè)計來說，抽象的理想化的設(shè)計原則是常態(tài)。從極限發(fā)展的角度來看，燒結(jié)過程中物化反應(yīng)皆可量化。定量品質(zhì)的煙氣生成另一種定量品質(zhì)的煙氣。各物化反應(yīng)、各帶物料的變化，都是通過事前事后操控來達(dá)到無限完全的目的。

對于露天燒結(jié)，高溫點(diǎn)火，負(fù)壓抽風(fēng)，混勻料自動按照“五帶理論”[10]向下燒結(jié)，新進(jìn)混勻料持續(xù)被點(diǎn)火器點(diǎn)燃。點(diǎn)火器內(nèi)點(diǎn)火煤氣和其助燃空氣完全或不完全燃燒生成一定成分的高溫?zé)煔?。這一定品質(zhì)的煙氣，參與混勻料的物化反應(yīng)，生成新的一定品質(zhì)的煙氣；點(diǎn)火器之后，至倒數(shù)第二個風(fēng)箱為止，空氣參與混勻料的物化反應(yīng)，生成一定品質(zhì)的煙氣；后兩個風(fēng)箱所對燒結(jié)礦，進(jìn)風(fēng)為空氣，出風(fēng)為經(jīng)過加熱的熱空氣。從機(jī)頭至機(jī)尾，燒結(jié)機(jī)各段氣體品質(zhì)不同。按燒結(jié)各帶物化反應(yīng)完全、各帶斷面物料量規(guī)則可測為原則，則每部分煙氣的成分都可以量化計算。

對于煙氣循環(huán)燒結(jié)來說，與露天燒結(jié)的不同之處在于，料面進(jìn)風(fēng)不再是原來的成分固定的空氣，而變成了具有一定高位焓值的成分固定的煙氣。完成一定的反應(yīng)過程，需要的熱量是一定的。目前工藝下，燒結(jié)用熱主要來源于混勻料中C的燃燒、FeO的氧化、S的氧化三個方面。煙氣帶來的熱，代替部分C氧化反應(yīng)熱，從而減少配碳量。化石燃料的燃燒是煙氣中SO2、NOx、二噁英等生成的主因，減碳減少了這些污染、致癌物質(zhì)的生成。

燒結(jié)過程中的熱煙氣來源可以是風(fēng)箱下固定成分的煙氣及其組合，也可以是其它固定成分的熱煙氣，如單輥破碎機(jī)煙罩內(nèi)的除塵煙氣、環(huán)冷機(jī)二三段上罩來的煙氣等，這都是比風(fēng)箱下端煙氣更潔凈的熱煙氣來源。進(jìn)一步，不限于燒結(jié)廠內(nèi)的熱源，高爐熱風(fēng)爐熱風(fēng)、燒結(jié)豎冷窯冷卻風(fēng)等也是很好的富氧潔凈熱源。

一定的物質(zhì)流決定一定的能量流。定量的物質(zhì)發(fā)生物化反應(yīng)，吸放定量的熱。煙氣循環(huán)計算中，物質(zhì)流與能量流的平衡不能分開來計算。從設(shè)計的觀點(diǎn)來看，燒結(jié)過程中每一種物質(zhì)、能量的變化是定向定值定量的，不存在盲目性。

2 典型煙氣循環(huán)工藝元素富集分析

循環(huán)煙氣上罩與取煙氣風(fēng)箱位置上下重合稱為閉口循環(huán)。對于煙氣循環(huán)燒結(jié)來說，循環(huán)風(fēng)罩內(nèi)燒結(jié)料面的進(jìn)口煙氣若從燒結(jié)機(jī)下部風(fēng)箱來取，從量化的觀點(diǎn)來看，就可能存在元素的疊加富集問題。

與空氣成分不同，循環(huán)煙氣的成分是經(jīng)過一次燒結(jié)反應(yīng)后生成的，成分也確定。一次燒結(jié)反應(yīng)生成的煙氣在充氧后，以固定成分再次完成燒結(jié)反應(yīng)過程，發(fā)生的物化反應(yīng)是相同的。則在原煙氣成分基礎(chǔ)上，又重復(fù)生成與第一次反應(yīng)產(chǎn)物一樣的煙氣組分。若二次循環(huán)下，風(fēng)箱煙氣組分又量化地累積了一次。在不斷循環(huán)下，則煙氣中所有的組分含量都會累積增大，這是極端危險的。在不斷惡化的氧化條件下燒結(jié)，也引起燒結(jié)礦對有害元素的吸附量加大。循環(huán)煙氣中除CO、CO2、NOx、SO2外，還有K2O、Na2O、二噁英、HF、HCl、重金屬及其它有害元素，都在不斷富集。考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計的永久性，單股循環(huán)煙氣只可以通過同一燒結(jié)料面一次。從這個角度來看，作為典型案例的EOS、LEEP、EPOSINT、聯(lián)峰鋼鐵和興澄特鋼的外循環(huán)煙氣循環(huán)工藝[9,12]，對燒結(jié)來說都不合理。其工藝流程分別見圖4～7。

圖4 EOS工藝流程圖

圖5 LEEP工藝流程圖

圖6 EPOSINT工藝流程圖

圖7 聯(lián)峰鋼鐵和興澄特鋼的外循環(huán)工藝流程圖

對燒結(jié)生產(chǎn)來說，密封不嚴(yán)，煙氣利用不足，危險氣體外泄，引起生態(tài)環(huán)境的惡化，傷害人的身心健康；密封太嚴(yán)則富集煙氣得不到稀釋，燒結(jié)礦質(zhì)量會持續(xù)下降。

從元素富集的角度來說，完全或部分的閉口循環(huán)都不合理，無論在內(nèi)循環(huán)還是外循環(huán)工藝中。煙氣循環(huán)燒結(jié)不應(yīng)單純考慮氧元素的充足與否，不應(yīng)單方面來考慮是否滿足了燒結(jié)基本的物化反應(yīng)。釋放或生成的元素的循環(huán)富集效應(yīng)，應(yīng)引起重視并從技術(shù)路線上加以規(guī)避。相對于閉口循環(huán)，過料面一次的開口煙氣循環(huán)工藝才合理。

相對于閉口循環(huán)，新日鐵的燒結(jié)區(qū)域性廢氣循環(huán)技術(shù)、加古川制鐵所的燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝、寧鋼沙鋼的燒結(jié)煙氣內(nèi)循環(huán)工藝從技術(shù)路線上規(guī)避了元素的循環(huán)富集現(xiàn)象，工藝就比較合理。各工藝流程[9]分別見圖8～10。

圖8 燒結(jié)區(qū)域性廢氣循環(huán)技術(shù)工藝流程圖

圖9 加古川制鐵所燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝流程圖

圖10 寧鋼沙鋼的內(nèi)循環(huán)工藝流程圖

無煙煤、焦粉等化石燃料中含S含N，配量的減少降低了CO、SO2、NOx的生成。開口一次煙氣循環(huán)工藝下，減排了部分煙氣，而SO2、NOx富集，提高了脫硫脫硝效率。事實(shí)上，外排煙氣中所有元素的濃度均同時增大了一個量值，平衡時處于一個高于常值的穩(wěn)定的位值上。

3 規(guī)避富集煙氣循環(huán)工藝成功案例分析

在詳細(xì)研究既有典型煙氣循環(huán)燒結(jié)工藝，規(guī)避煙氣循環(huán)中的元素富集問題基礎(chǔ)上，以京唐550 m2燒結(jié)機(jī)為例，來說明煙氣循環(huán)工藝規(guī)避元素富集的可行性及對原燒結(jié)工藝的影響。京唐提出的煙氣循環(huán)工藝見圖11。

圖11 京唐燒結(jié)煙氣綜合循環(huán)利用工藝流程圖

京唐改造包括：在現(xiàn)有5～10號風(fēng)箱位置上罩安裝噴吹天然氣；單煙道的外循環(huán)熱煙氣回到20～23號風(fēng)箱位置；取25～27號風(fēng)箱熱煙氣，通過余熱鍋爐及風(fēng)機(jī)，回到12～19號風(fēng)箱對應(yīng)上罩位置。

風(fēng)機(jī)性能之煙氣流量Q、煙氣壓力P、功率N由煙氣密度ρ、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)n、煙氣溫度T決定。

(1)

(2)

N=K·N1

(3)

式中：K—電機(jī)容量貯備系數(shù)；N1<0.5kW,0.5kW～1.0kW,1.0kW～2.0kW,2.0kW～5.0kW,>5.0kW時，分別取值1.5、1.4、1.3、1.2、1.15；η—全壓效率，取值85%；η1—機(jī)械效率，直聯(lián)取1.0，聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)取0.98，三角帶聯(lián)結(jié)取0.95；N—風(fēng)機(jī)驅(qū)動功率，單位kW；N1—軸功率，單位W；P—煙氣凈壓力，單位Pa；Q—煙氣流量，單位Nm3/h；煙氣溫度T單位K；轉(zhuǎn)數(shù)n單位為rpm；煙氣密度ρ單位g/m3。

在滿足燒結(jié)負(fù)壓相同的基礎(chǔ)上，離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與功率成正比例關(guān)系。

內(nèi)循環(huán)取煙氣45 萬m3/h，溫度360 ℃。通過過熱器后，煙氣均溫170～200 ℃。計算得內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為34 萬m3/h，全壓差21 000 Pa，風(fēng)機(jī)功率為2 857 kW。在滿足生產(chǎn)基礎(chǔ)上，內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)入口壓力取-20 000 Pa；外循環(huán)取煙氣25 萬m3/h，溫度150 ℃。全壓差3 000 Pa，出口壓力+1 500 Pa，風(fēng)機(jī)功率為375 kW；上中料層靠噴入天然氣燃燒供熱、下料層靠蓄熱，在線異常工況識別與自處理。天然氣正常用量350 Nm3/h，最大量525 Nm/h，壓力為0.4～0.6 MPa，補(bǔ)充熱量約0.26 GJ/m2·h。

上述改造下，京唐燒結(jié)效果良好。噸礦焦粉耗可降低3.4 kg，成品率提高1.5%，SO2、NOx、粉塵具有12%～15%的減排效益，CO外排總量減少20%，減去增加的電耗和天然氣耗，單臺550 m2燒結(jié)機(jī)煙氣循環(huán)盈利890萬元/a。

4 結(jié)語

綜上所述，燒結(jié)廠在利用復(fù)合氣體介質(zhì)余熱來實(shí)現(xiàn)燒結(jié)節(jié)能減排[11-12]的同時，循環(huán)復(fù)合氣體介質(zhì)中的元素富集問題很突出，需要引起注意。

1)反應(yīng)中釋放或生成的元素的循環(huán)富集，應(yīng)從工藝路線上加以規(guī)避。

2)單股循環(huán)煙氣只可以通過燒結(jié)料面一次，即開口煙氣循環(huán)工藝才合理。

3)煙氣循環(huán)設(shè)計可以通過循環(huán)理論計算來實(shí)現(xiàn)，不存在盲目性。

4)燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝規(guī)避元素富集是可行的。已成功實(shí)現(xiàn)了550 m2燒結(jié)機(jī)煙氣循環(huán)盈利890 萬元/a的好效果。