彭 巖1， 曹先常2， 張玉柱3
（1．中信重工機械股份有限公司工程技術公司，河南洛陽471039； 2．上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術有限公司，上海201999； 3．華北理工大學冶金與能源學院，河北唐山063009）
摘 要：鋼鐵工業(yè)是典型的流程工業(yè)、耗能大戶，燒結、焦化和煉鐵等鐵前三大工序能耗約占全流程鋼鐵能耗的70％，節(jié)能潛力巨大。結合流程工業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化與節(jié)能技術研發(fā)進展，介紹了鋼鐵典型工序流程節(jié)能技術的最新進展情況、新型工藝技術、關鍵技術問題及預期效果，有望進一步促進鋼鐵企業(yè)技術進步及結構調(diào)整。
關鍵詞：爐冷燒結機；荒煤氣顯熱；高爐熔渣；流程節(jié)能
中國是鋼鐵生產(chǎn)大國，鋼鐵總產(chǎn)量高居世界第一，2015年全國鋼鐵產(chǎn)量約8億ｔ，占世界鋼鐵總產(chǎn)量的50％左右，同時，鋼鐵工業(yè)也是中國能源消耗最大的產(chǎn)業(yè)部門，鋼鐵工業(yè)能源消耗超過4億ｔ標準煤，占全國總能耗的15％以上［1］。中國鋼鐵工業(yè)由于產(chǎn)能落后、對節(jié)能減排不夠重視等原因，造成中國鋼鐵工業(yè)平均能耗比國際先進水平高15％以上，節(jié)能潛力巨大；中國鋼鐵以煤炭為主的用能結構，也造成了中國鋼鐵工業(yè)能源利用率低、污染嚴重。因此，開展鋼鐵工業(yè)余熱利用，符合國家節(jié)能減排政策的要求，也符合鋼鐵企業(yè)降低成本、提高企業(yè)競爭力的需要。
近年來，國內(nèi)外企業(yè)對鋼鐵工業(yè)的節(jié)能減排日益重視，節(jié)能減排技術取得長足的進步，但由于鋼鐵生產(chǎn)具有長流程工序的特點，生產(chǎn)過程中存在大量的連續(xù)、半連續(xù)、非連續(xù)的物質(zhì)流和能量流，不同工序的銜接、能量的智能調(diào)配等方面仍存在很大的能量優(yōu)化空間；另一方面，一些余熱利用效率更高的新工藝技術及裝備尚未取得關鍵性突破，沒有得到廣泛的推廣和應用。因此，中國的鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排仍具有較大的潛力，尤其是燒結、焦化和煉鐵等鐵前三大工序，其能耗約占全流程鋼鐵能耗的70％［2］。本文主要介紹了燒結、焦化和煉鐵等鐵前三大工序的節(jié)能減排技術的發(fā)展方向及目前存在的關鍵技術問題，有望為鋼鐵節(jié)能減排提供新的解決方案。
1 高效爐冷燒結機余熱發(fā)電技術
1.1 技術發(fā)展現(xiàn)狀
自20世紀70年代中期以來，各國普遍重視燒結節(jié)能技術的開發(fā)，并已取得了不少成效。其中日本由于缺少資源，對節(jié)能尤為重視，是最早進行燒結機余熱回收技術研究的國家之一。新日鐵室蘭No.6燒結機最早利用冷卻機熱廢氣作為點火保溫助燃空氣和預熱混合料，1979年，扇島、和歌山等燒結廠初步回收冷卻機廢氣余熱來生產(chǎn)蒸汽和電力［3］，并積累了一些經(jīng)驗。1981年以后，和歌山、小倉和大分［4］等燒結廠先后設置了回收燒結機尾部風箱高溫煙氣余熱生產(chǎn)蒸汽或電力的系統(tǒng)，大大推進了燒結余熱利用的進程。
中國燒結機余熱回收利用技術發(fā)展先后經(jīng)歷了引進國外先進技術、自主研發(fā)和引進消化后再創(chuàng)新等幾個階段。余熱回收方式也從最初的簡單熱回收到生產(chǎn)余熱蒸汽，最后到余熱發(fā)電利用等。早期國內(nèi)投入運行的燒結余熱利用裝置多采用熱管技術，產(chǎn)生的低壓蒸汽用于生產(chǎn)、預熱燒結混合料和采暖等。20世紀90年代初，寶鋼引進日本技術利用冷卻機廢氣及燒結機主排氣余熱建設的單壓余熱發(fā)電系統(tǒng)［5］，是國內(nèi)最早的燒結機余熱發(fā)電利用的嘗試。
2005年，馬鋼同日本川崎重工合作，建成了中國第一個燒結機閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)，裝機容量為17.5MW，各項指標達到當時先進水平［6］。2006年后，雙壓技術開始引入燒結機余熱發(fā)電，得到了設計院和鋼鐵企業(yè)的認可和推廣，成為中國現(xiàn)階段燒結機余熱發(fā)電的主流技術。
雖然近年來燒結機余熱發(fā)電技術取得長足的進步，但由于各種原因，燒結機余熱發(fā)電建成后運行效果差，甚至不到設計指標的50％，雖經(jīng)設計及運行單位不斷改進，但始終無法全面快速推廣。其主要原因為受燒結機現(xiàn)有環(huán)（帶）冷方式的限制，燒結機余熱發(fā)電仍存在很多關鍵性的難題無法徹底解決：（1）換熱不充分；（2）密封問題難以解決，漏風率高；（3）余熱利用效率低，發(fā)電量不高；（4）冷卻電耗高；（5）余熱參數(shù)波動，余熱發(fā)電運轉(zhuǎn)率不高。
余熱資源是有限的，高效利用是關鍵。改進燒結礦環(huán)（帶）冷卻工藝，采用更為高效的豎爐式冷卻，提高燒結礦冷卻效率和質(zhì)量，提高燒結余熱回收溫度，進而提高余熱回收效率，是燒結機余熱利用技術的發(fā)展方向。
1.2 工藝系統(tǒng)介紹
高效爐冷燒結機余熱發(fā)電技術主要分為3個子系統(tǒng)：燒結礦冷卻系統(tǒng)、煙風系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)。其工藝流程如圖1所示。
（1）燒結礦冷卻系統(tǒng)：燒結機生產(chǎn)的高溫燒結礦經(jīng)單輥破碎機破碎后，通過取料裝置和高溫輸送裝置送至冷卻爐，燒結礦在冷卻爐中靠重力自上而下緩慢移動，與冷卻爐底部送入的冷卻空氣等溫差逆流換熱冷卻，最終冷卻至150℃以下，通過振動給料機和旋轉(zhuǎn)密封閥排至冷礦皮帶，然后進入原燒結系統(tǒng)的篩分工序。
（2）煙風系統(tǒng)：環(huán)境空氣經(jīng)鼓風機加壓后送至冷卻爐底部，與冷卻爐中自上而下運動的高溫燒結礦逆流換熱，溫度升高至600℃左右，從冷卻爐上部的環(huán)形風道流出進入一次除塵器，除去煙氣中的大顆粒粉塵，進入中溫中壓余熱鍋爐，換熱后溫度降至140℃左右，然后經(jīng)布袋除塵器精除塵，達到環(huán)境排放標準，通過引風機和煙囪對外排放。
（3）發(fā)電系統(tǒng)：余熱鍋爐產(chǎn)生的中溫中壓蒸汽進入汽輪機做功，拖動發(fā)電機發(fā)電，汽輪機排出的乏汽進入冷凝器凝結為水，通過凝結水泵加壓后進入除氧器除氧，然后通過給水泵加壓送入鍋爐，在鍋爐內(nèi)與一次除塵器來的高溫煙氣逆流換熱產(chǎn)生蒸汽，形成汽水循環(huán)。
高效爐冷燒結機余熱發(fā)電技術具有如下優(yōu)勢。
（1）提高燒結礦冷卻質(zhì)量：冷卻爐設計有預存室，有利于燒結礦溫度均化和殘余揮發(fā)分析出，可提高燒結礦強度；冷卻爐內(nèi)冷卻為等溫差冷卻過程，可避免熱燒結因急冷而易裂，提高燒結礦成品率。（2）提高燒結礦余熱發(fā)電能力：燒結礦溫由700冷卻至150℃，約有80％的燒結礦顯熱被冷卻空氣吸收，燒結礦余熱利用率提高60％；獲取的余熱煙氣溫度可達600℃左右，煙氣品質(zhì)明顯提高；余熱發(fā)電采用中溫中壓雙壓發(fā)電系統(tǒng)，朗肯循環(huán)效率可提高25％。（3）降低燒結礦冷卻電耗：不僅解決了燒結礦冷卻過程中的漏風問題，而且提高了冷卻空氣溫升，冷卻風量僅為環(huán)冷方式的1／3左右，可降低燒結機冷卻系統(tǒng)自用電。（4）減排效果明顯：爐冷技術實現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的高效密封，設備均為負壓運行，解決了環(huán)（帶）冷方式存在的粉塵無序排放的問題。（5）提高燒結機運轉(zhuǎn)率和發(fā)電系統(tǒng)的安全性：新建的燒結礦爐冷系統(tǒng)與現(xiàn)有的環(huán)冷系統(tǒng)互為備用，避免了因冷卻系統(tǒng)故障而造成燒結機生產(chǎn)線停機，提高了燒結機的年運轉(zhuǎn)率；冷卻爐設計有預存段，能夠避免因燒結機短時停機而造成余熱參數(shù)波動，導致發(fā)電系統(tǒng)停機。提高了余熱參數(shù)的穩(wěn)定性，從而提高了余熱發(fā)電系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)率和設備安全性。
1.3 關鍵技術問題
高效爐冷燒結機余熱發(fā)電技術優(yōu)勢明顯，是未來發(fā)展的主要方向，但就目前來說，仍存在關鍵技術問題亟需突破，主要包括以下方面。（1）基礎理論方面：0～150mm寬粒徑多孔燒結礦在大空腔內(nèi)的氣固逆流移動床流動與阻力特性，導熱、對流和輻射耦合作用下的氣固間換熱特性機理仍需完善；燒結礦在自重作用下的料倉流動特性尚未明確。（2）工藝技術方面：不影響燒結機產(chǎn)量和燒結礦質(zhì)量的切實有效的爐冷工藝技術方案仍需探索；燒結礦冷卻質(zhì)量、余熱獲取參數(shù)以及冷卻電耗間的匹配優(yōu)化技術尚需進一步完善；余熱參數(shù)與發(fā)電系統(tǒng)熱力參數(shù)的匹配優(yōu)化尚未明確。（3）關鍵設備方面：高負載、大傾角、高溫物料輸送裝置尚未成熟；大空腔燒結礦豎式冷卻爐仍需開發(fā)，特別是0～150mm寬粒徑連續(xù)高溫燒結礦在大空腔內(nèi)的均勻布料問題和大空腔內(nèi)均勻布風問題亟需解決。（4）工程實施方面：新建工程安裝、運行不影響燒結機正常生產(chǎn)；降低工程實施費用，提高投資回收效益。
1.4 預期效果
若該技術存在的關鍵技術難題取得了根本突破后，不僅可以大幅提高燒結余熱回收效率，而且能夠提高燒結礦冷卻質(zhì)量，降低污染物排放，經(jīng)濟、社會及環(huán)境效益明顯。以1條360m2 燒結機配套高效爐冷燒結機余熱發(fā)電工程為例，鋼鐵企業(yè)每年可對外供電量為12600萬KW·h，可基本滿足燒結機生產(chǎn)線用電量，按0.6元／（KW·h）電計算，年收入約為7776萬元，扣除約15％自用電及運行成本，電站總投資為1.8億元，不足3年即可收回成本。項目建成后可減少燃煤電廠消耗約5萬ｔ標準煤（電折算標煤系數(shù)為0.404），年可實現(xiàn)減排二氧化碳約12.6萬t、減排SO2約16000ｔ。
2 荒煤氣顯熱高效穩(wěn)定回收技術
2.1 技術發(fā)展現(xiàn)狀
煉焦過程中所產(chǎn)生的顯熱資源利用已成為提高焦爐效率的主要途徑之一。前蘇聯(lián)哈爾科夫煉焦廠最早被報道采用水夾套回收熱水作為取暖熱源。日本新日鐵在焦爐上升管中設置夾套管，采用有機工質(zhì)回收195℃的熱能。中國先后開發(fā)了導熱油夾套管、熱管和鍋爐等余熱回收技術［7-9］。濟鋼等采用導熱油上升管回收荒煤氣熱量；武鋼開發(fā)了多螺旋管式焦爐上升管余熱利用裝置；中冶焦耐和濟鋼采用高溫荒煤氣匯總進入余熱鍋爐換熱；寶鋼與南京圣諾開發(fā)了熱管回收熱量的技術，但由于荒煤氣冷凝換熱時結焦嚴重、腐蝕泄露等問題，導致不能穩(wěn)定高效回收。寶鋼節(jié)能針對荒煤氣顯熱回收的難題進行了深入研究，研制了新型上升管換熱器，已完成了顯熱回收利用的方案研究和中試試驗［10］，具備進一步工程示范的條件。
2.2 工藝系統(tǒng)介紹
系統(tǒng)包括除氧器、除氧水箱、給水泵、循環(huán)泵、汽包、加藥和取樣裝置等相關設施，其中汽水工藝流程如圖2所示。從圖2中可以看出，純水經(jīng)過管道先進入除氧器進行除氧，然后將其通入汽包，液體水進入荒煤氣顯熱回收裝置進行荒煤氣顯熱的回收，其產(chǎn)生汽水混合物進入汽包進行汽水分離，產(chǎn)生蒸汽送入蒸汽管網(wǎng)，具體如下：純水→純水箱→除氧器→汽包→上升管換熱器→汽包→汽水分離器→送管網(wǎng)。
2.3 關鍵技術
焦爐荒煤氣顯熱回收一直是焦化行業(yè)節(jié)能減排的研究熱點，其需要解決的主要問題或關鍵技術如下：（1）復雜工況條件下荒煤氣換熱計算模型與方法；（2）防腐蝕抗結焦耐高溫復合材料技術；（3）狹小空間內(nèi)上升管換熱器強化換熱與整體式多重防泄漏結構設計技術；（4）組合式焦爐荒煤氣余熱回收蒸汽的系統(tǒng)及方法；（5）焦爐上升管換熱器在線快速更換技術；（6）下降管換熱器顯熱回收利用關鍵技術的研究；（7）焦化區(qū)域紅焦顯熱、荒煤氣顯熱以及煙氣余熱等能量系統(tǒng)耦合優(yōu)化節(jié)能。
2.4 預期效果
寶鋼焦爐荒煤氣顯熱回收中試試驗研究表明，噸焦回收余熱為6.8kg標準煤以上，示范工程預計年可回收約8萬t蒸汽，年經(jīng)濟效益為1100萬元；扣除自用能耗，年可節(jié)約能源約7000t標準煤。按2013年中國焦炭產(chǎn)量為4.76億ｔ計算，全部采用上升管高效換熱器技術，年可節(jié)約能源為320萬t標準煤左右，年節(jié)能效益約48億元，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
3 高爐熔渣余熱回收和資源化利用技術
3.1 技術發(fā)展現(xiàn)狀
針對高爐熔渣余熱回收和資源化利用技術，國內(nèi)外開展了大量研究，高爐渣水淬－沖渣水余熱利用［11-12］，高爐渣干式?；酂岚l(fā)電［13］，高爐渣制備水泥填料［14］、礦渣棉［15］及微晶玻璃工藝［16］等成為高爐渣綜合利用的主流技術路線。干式?；c水淬工藝相比有水資源消耗少、污染物排放少、工藝設備相對簡單以及熱量可回收等顯而易見的優(yōu)點，因此，在20世紀70年代國內(nèi)外開展了關于干式?；郀t渣的研究，其中風淬技術最為深入。日本三菱重工和NKK公司于1977年開始聯(lián)合研發(fā)風淬法熔渣?；酂峄厥占夹g，90年代初期，在NKK富山廠建造了半工業(yè)化的風淬?；撛到y(tǒng)；日本鋼管公司1981年建成風淬技術生產(chǎn)線，但該生產(chǎn)線壓縮空氣消耗量太大，控制設備復雜，難以推廣應用。
中國引進學習國外技術在此基礎上揚棄和創(chuàng)新。馬鋼于20世紀70年代進行鋼渣風淬?；嚓P技術的研究，1995年馬鋼在第三煉鋼廠50t轉(zhuǎn)爐煉鋼車間建成當時國內(nèi)最大規(guī)模的鋼渣風淬粒化生產(chǎn)線，2007年6月馬鋼又在新區(qū)300t轉(zhuǎn)爐煉鋼廠建成了目前國內(nèi)最大的熔渣風淬?；a(chǎn)線［17］，風淬渣產(chǎn)品直接投料用于混凝土細集料、鋼渣復合水泥混合材等；重慶大學在馬鋼研究成果的基礎上，對風淬熔渣工藝技術和工藝參數(shù)進行系統(tǒng)和深入的研究，提出優(yōu)化氣淬的新工藝，應用了近十家鋼廠。
“十一五”期間，華北理工大學、唐鋼和北京科技大學等單位聯(lián)合開發(fā)了鋼渣氮氣氣淬?；a(chǎn)工藝，建成了液態(tài)鋼渣改性及氣淬處理示范工程［18］。盡管國內(nèi)外對鋼渣和高爐渣進行了大量研究，但迄今為止，高爐熔渣熱量回收和氣淬成珠技術尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用。
3.2 工藝系統(tǒng)介紹
熔渣余熱高效回收與生產(chǎn)玻璃微珠工藝流程圖如圖3所示，具體流程如下：（1）高爐熔渣經(jīng)渣罐倒入中間渣槽，通過特制氣淬噴嘴粒化成珠，高溫渣珠在氣淬成珠室與空氣完成初步換熱后進入高效換熱器；（2）換熱后的高溫氣體經(jīng)管道進入高效換熱器，同時渣珠在高效換熱器中進行二次換熱后進入微珠儲倉，熱氣體和渣珠與鍋爐管中的換熱工質(zhì)換熱后進入管道再次循環(huán)。
上述工藝針對高爐煉鐵流程特點，實現(xiàn)高爐熔渣余熱的梯級利用，同時生產(chǎn)高附加值的玻璃微珠產(chǎn)品，高爐熔渣余熱高效回收與生產(chǎn)玻璃微珠技術具有如下優(yōu)勢：（1）提高余熱回收能力：基于熔渣微珠溫度分布特點，換熱設備設計為無轉(zhuǎn)動部件，并采用輻射段與對流段相結合的換熱形式，同時換熱工質(zhì)參數(shù)與微珠參數(shù)相匹配，在保障低成本、低動力消耗，高換熱效率和可靠性的同時可實現(xiàn)余熱梯級高效回收。（2）提高玻璃微珠成珠率：基于高爐熔渣成分特點，針對高爐熔渣成分調(diào)整對氣淬成珠過程的影響規(guī)律，形成高爐熔渣成分調(diào)整與高效生產(chǎn)高質(zhì)量微珠關鍵技術，實時保證玻璃微珠高成珠率。（3）氣淬過程與余熱提取過程良好協(xié)同：基于爐熔渣溫度、噴嘴結構型式、氣淬工藝參數(shù)以及環(huán)境溫度條件等多因素耦合作用下傳熱及成珠規(guī)律，解決當前高爐熔渣余熱回收難和熔渣冷卻產(chǎn)物附加值低的行業(yè)難題。
3.3 關鍵技術
高爐熔渣余熱高效回收與生產(chǎn)玻璃微珠技術實現(xiàn)了高爐熔渣的能源化與資源化深度利用，具有良好的發(fā)展前景，但就目前來說，仍存在關鍵技術問題亟需突破，主要問題如下：（1）對高爐熔渣氣淬成珠過程換熱機制與關鍵技術進行研究，研究高爐熔渣氣淬成珠過程中的傳熱規(guī)律，基于氣淬過程與余熱提取過程科學協(xié)同建立高爐熔渣氣淬工藝參數(shù)優(yōu)化模型，形成氣淬過程高溫余熱提取關鍵技術。（2）研發(fā)高爐熔渣余熱高效回收工藝，開發(fā)出高效顆粒換熱設備，對高爐熔渣余熱高效回收工藝參數(shù)進行優(yōu)化，形成高余熱回收率的同時生產(chǎn)玻璃微珠等建材的新工藝設計方法。（3）建設高爐熔渣余熱高效回收關鍵設備研發(fā)與中試生產(chǎn)線，完成氣淬系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、氣體循環(huán)系統(tǒng)及除塵系統(tǒng)的制造、安裝，進行中試試驗。
3.4 預期效果
如果上述關鍵技術難題得到解決，那么將能夠形成高爐熔渣氣淬成珠與余熱回收關鍵技術和裝備，為高爐渣熱量回收與高附加值利用提供技術支撐。按2015年全國年產(chǎn)高爐渣約2.4億t計算，若20％高爐渣利用本課題研究成果，高爐渣熱能回收效率按50％計，每年回收高爐渣余熱折合標準煤約120萬ｔ，預期效益折合人民幣約9億元。同時，制備玻璃微珠約0.28億ｔ（成珠率按60％計算），高爐渣高值資源化利用凈增利潤按100元／ｔ計，預計每年可為國家多創(chuàng)造利潤28億元人民幣。項目實施后，每年可節(jié)約沖渣新水耗量為0.28億ｔ左右。
4 結語
鋼鐵工業(yè)作為中國能源消耗大戶，節(jié)能減排取得了長足的進步，但仍有較大的節(jié)能潛力，特別是燒結、焦化和煉鐵等鐵前三大工序。通過對流程工業(yè)系統(tǒng)的關鍵工藝重構、流程再造、系統(tǒng)耦合及參數(shù)優(yōu)化、關鍵設備研發(fā)，突破存在的關鍵技術和設備問題，形成流程工業(yè)節(jié)能減排整體解決方案，從而可進一步提高鋼鐵工業(yè)的能源利用效率，降低污染物排放，為鋼鐵流程工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學保障。
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