烧结及球团环冷机高温废气余热回收应用研究

靳华东 刘相伯

摘  要：通過介绍烧结、球团环冷机高温废气余热回收的应用，利用环冷机排放高温废气对螺旋翅片管式余热回收锅炉进行研究与设计，针对当前余热回收锅炉等回收装置存在的问题进行改进，使余热锅炉供暖能够达到良好的效果，既确保高温废气余热能够得到二次利用，对取暖燃煤锅进行替代，降低排放同时带来显著的效益，可在大范围内进行推广应用。

关键词：烧结球团环冷机   高温废气   余热回收   二次利用

中图分类号：TF046                         文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）08（c）-0030-04

Study on the Application of Waste Heat Recovery from High Temperature Waste Gas of Sintering and Pelletizing

Environment-friendly Cooler

JIN Huadong   LIU Xiangbo

（Northern （Dalian） Engineering & Technology Corporation， MCC， Dalian， Liaoning Province， 116000 China）

Abstract： By introducing the application of high temperature waste heat recovery from sintering and pelletizing environment-friendly cooler， the spiral finned tube type waste heat recovery boiler is studied and designed by using the high temperature waste gas discharged from the cooler. In view of the problems existing in waste heat recovery boilers and other recovery devices， improvements are made to enable the waste heat boiler heating to achieve good results， not only ensuring that the waste heat of high-temperature waste gas can be reused， but also replacing the coal-fired boiler for heating， at the same time， the emission reduction brings significant benefits， which can be popularized and applied in a large scale.

Key Words： Sinter pellet environment-friendly cooler; High temperature waste gas; Waste heat recovery; Secondary utilization

针对当前已有的烧结、球团厂调查分析可得，大部分烧结、球团厂通常采用20T燃煤锅炉，为周边工业园以及生活区进行供暖。考虑到烧结、球团的燃烧与使用对周边空气带来较大的污染，造成环境质量的下降，因此，在社会发展以及科技进步背景下，国家提倡对环境的保护，出台环境保护法促进资源绿色使用，对环境严加保护，同时对烧结球团厂的生产工作提出了更高的要求以及标准。当前，烧结球团企业纷纷开展高温污染尾气的收集与二次利用，对取暖燃煤锅进行替代，从而实现成本的节约以及污染的减少，发展符合国家要求的、具备经济效益以及社会效益的废弃回收体系。

1  国内外关于烧结余热的现状

1.1 关于国内对烧结余热的回收现状

在我国的很多地区，烧结厂都改变了已有的工作模式，在完成烧结的工序以后，将冷却废气余热更加科学合理地进行回收利用，目前的发展情况较为乐观。主要体现在以下几个方面。

1.1.1 利用余热生产蒸汽

国内烧结厂将冷却废气余热进行蒸汽生产。宝钢二期烧结厂的烧结机质量较好、功能较为齐备，与它一起的工作的鼓风环式冷却机可最大限度地将烧结余热宝钢二期与国外相关厂家进行合作，利用冷却机废气和主排气余热回收两套装置来生产蒸汽，这也是我国现有的规模较大的现代化烧结余热回收装置。受限于以往的科技水平和对烧结余技术的现有技术情况，烧结余热技术应用前，绝大多数的废气与灰尘直接排放在空气中，造成严重的能源浪费以及环境污染。依靠先进的技术力量，宝钢既按照国家要求进行废气排放，同时带来了比较可观的收入。南京某化工学院探索热管技术，经过反复研究发现，此项技术可以充分利用气体与液体间相互转化的技术来回收余热，这种技术不仅能保证回收率高、又能节约成本、效益高。该学院将该技术与武钢进行合作。用蒸汽式机器代替原有热力发电机器，蒸汽式机器充分利用烧结余热技术，烧结余热能保证充足的供应需要，技术的不断改良，更是让烧结的产量稳步增长，现阶段此技术的应用达到了令人满意的效果，实现巨大的效益[1]。

1.1.2 余热可以应用到供电方面

越来越多的科技研究者致力于烧结余热探索研究，有一部分学者在蒸汽、发电领域尝试探索，不少企业投身之热发电进程中。例如：马钢第一炼铁总厂首次使用了余热发电系统，在系统应用两年内收获了巨大的经济效益。济钢第二烧结厂也把烧结机余热发电工程当作重要的突破口，经过一段时间应用，系统运转稳定且带来了良好的效益。该工厂主要采用了热风循环技术及双压补气技术，解决烧秸秆近一半的用电量[2]。

1.1.3 余热可以应用到提取热水方面

在20世纪80年代的时候，水城钢铁厂采用了较为先进的余热回收方法—— 安装热交换管，因为其安装的位置在降尘管内，所以具有成本低且见效快的特点。同时，该厂的余热回收装置性能达到相应的标准及要求，能够取得一定良好的经济效益。该方法比较适用于小型烧结厂。

1.2 国外烧结余热回收利用情况

国外对烧结废气的二次利用体现在以下几个方面。

1.2.1 余热可以应用到提取蒸汽方面

日本的科研人员在20世纪就已经开始逐步探索将烧结机冷却机器应用到废气回收领域，对废热进行蒸汽的回收。在应用过程中有大批的企业引进该技术，取得良好效益。

1.2.2 利用烧结余热进行热风烧结

烧结料层离开点火器后将向外发热，在一定范围内烧结两层表面温度可实现迅速下降，因此可在点火器安装三段式换热器，有效地进行热量的搜集。将烧结余热锅炉的排气输送到烧结机料面之上，这样做的目的是进行热风烧结，让废气量处于可控的范围之内，降低对废气的处理设备投入资金[3]。国外现部分钢铁企业利用烟气循环技术实现了热风烧结，并取得良好效果：烧结废气经过余热回收之后，其回收量有大幅度提升;排放到大气当中的废气量减少24%左右，废气中的粉尘量减少60%;燃料消耗降低4%;电耗降低5%～10%;二氧化硫、二氧化氮排放量减少3%～10%。

1.2.3 利用余热预热烧结点火助燃空气

德国第三钢铁公司在这一方面可以称得上是行家里手，预热工作的完成凭借着冷却机废水余热，通过在3号烧结机的卸矿处和冷却剂排气罩上装置三级循环冷却器，并通过分管进入到2、3、4号烧结机点火器，助燃空气。在4号烧结机上将废气脱硫装置进行连接，这样能够确保烧结矿节省部分热量，对烧结机输入总热量达到相应节省效果[4]。

2  环冷机高温废气余热排放存在问题

以往的环冷机废气是完全处于无组织排放状态，环冷鼓风机从大气中吸入冷空气，然后以一定压力吹入环冷机料层底部，冷空气在穿透料层的过程中，带走烧结矿中的热量，变成热空气，最后经过环冷机烟囱排入大气，从而达到冷却目的。

這种废气直排方案带来两个问题：一是高品位热量作为废热散入大气，造成浪费。烧结物料在经过烧结工艺之后，大量的热量储存在环冷机料层中，可以将环冷机的前两段排气换热到400 ℃和300 ℃左右，这部分热废气流量庞大，能量品高，完全可以用来转换为蒸汽或者电能的形式加以回收，从而降低烧结单位能耗量。二是环冷机高温段距离受料口近，在受料过程中会产生大量粉尘，如果直接经烟囱外排，会对环冷机区域造成粉尘污染。

3  烧结余热回收技术不足之处

温度一直是烧结厂最关注的焦点之一，温度的高低直接影响冷却器利用率，掌握这一个原理之后，就会着重研究控制合理温度的问题。在生产过程中，积聚到可以回收再利用的热量通常来自两部分：一部分是烧结过程中烟气挥发中蒸发出来的热量，经管道收集到的最后水温能保证在150 ℃左右，能释放出来的热量是整体收集到的热量的1/4左右;另一部分是冷却机在废气提取过程中显热，通过结余途径收集到的水温一般会在三四百摄氏度之间，经冷却机处理后，温度可达到100 ℃～500 ℃不等。通过上述途径收集到的热源具有几个特点：第一，经烧结余热程序后的热源利用率较低。常规情况下，烧结机在做工作时只有头部及尾部为高温段废气，温度占总温度的1/3，通常低温废气数量较大，在冷却过程中冷却机排出的废气温度降低，温度达不到300 ℃的废气占所有废气量的一半以上。这么大的占比，导致从整个层面看，烧结余热过程中产生的热源绝大多数是劣质品，不符合再利用的标准[5]。第二，废气利用过程中温度波动较大。在整个烧结过程中，影响温度的客观条件有很多，比如：外界环境温度、管道材质情况、运输的时长等多方面因素，这些不确定因素极易引发温度区间变动，温度的波动直接导致废气热源品质问题。第三，提取到的热源存在不稳定因素。热源很提取和保存，能够源源不断提供热源固然好，一旦出现中断情况，会导致整个余热回收的中断。第四，从保护生态环境，减少污染排放方面，也是烧结厂发展过程中不可回避、必须克服和急需解决的难题。

4  探索高温废气余热回收技术应用研究及相应改进

根据当前已有的球团厂生产实际，通过对环冷机高温废气相应数据的采集与分析可知，需要开展相应的高温废气余热回收利用，通过进行参数设计以及环冷机高温废气利用翅片管余热回收锅炉技术改造，能够在一定程度上减少燃煤量以及二氧化硫、二氧化碳等有害物质的排放量，降低对环境的污染程度，主要通过以下几个方面进行高温废气余热的回收设计[6]。

4.1 开展环冷机高温废气应用与研究

一般烧结球团环冷机通常采用热管锅炉，对此可利用翅片管式锅炉进行替代，翅片管能够极大地减少二氧化硫、二氧化碳的排放量，从而减少空气当中的废气污染量。翅片管式锅炉能够专门解决烧结球团环冷机排放的高温废气，该环冷机余热回收锅炉工艺设计图见图1。

该系统主要通过翅片管式废气余热回收锅炉连接管路、废气自动调节阀等组建构成。使用专门的螺旋翅片管能够极大的进行传热，同时对产生的废气降低其环境污染。该系统具备传热效率高、操作简便、寿命长且绿色环保等特点。通过使用余热回收锅炉所产生的蒸汽，可以用在生活当中进行取暖、公共洗浴用气，在夏季也可用于发电。

4.2 环冷机余热回收锅炉软化水系统设计

新水经过软化系统软化之后可经过除氧器进入到锅炉锅筒内，一般锅筒内的软化水经下降炉管流入至蒸发器中，蒸发器由环冷机高温废气对炉管内的软化水进行加热，从而产生相应的气汽水混合物到达锅筒。为得到更为纯净的蒸汽，进水该系统可进行二次汽水分离，在经过二次分离后的饱和蒸汽输送至球团工业园进行供暖使用。锅炉锅筒由给水泵进行补水，蒸发器则由下降炉管从锅筒内进行补水，从而可以形成蒸发器与锅筒之间的自然循环系统。经过多次热力循环应用，该系统为自然循环锅炉，自身的水动力能够克服系统阻力，从而将蒸汽输送至分气缸中，满足各个用户的需求。

4.3 环冷机余热回收锅炉高温废气回收系统设计

在环冷机与链篦机边的烟道中可设置余热回收锅炉，通过主烟道和旁通烟道的高温烟气通过调节阀进行自动调整，从而保证余热回收锅炉废气入口温度能达到400 ℃左右，于是回收锅炉热利用的出口温度为250 ℃左右，次高温烟气250 ℃左右。再次进行余热回收利用，预热链篦机上面输送的生球，所以链篦机鼓干风机废气温度出口能达到250 ℃左右，满足基本的预热温度标准。生球预热所需烟气温度，可根据电脑进行调节。废气经过再一次的余温利用，低温废气同时经过脱硫与脱硝环保处理后，可直接进行废气排放，此时排放气体当中二氧化硫浓度以及排放温度低于国家环保标准，实现了绿色排放。

4.4 自动化控制设计

高温废气余热回收系统设计中可增加对于热锅炉水位、温度、压力等参数的收集，从而能够实现对系统的监控。一旦出现异常情况，系统自动报警，如果系统预警为采取相应解决措施，并且达到对系统设置的极限，则整个系统将切换至原生产系统，停止运行余热锅炉，关闭相应管道。等待系统自行恢复、故障排除后可进行正常生产。与此同时，在进行设计时可考虑鼓干风机入口温度的要求，对温度进行相应参数设置，当主烟道阀门和换热器、烟道阀自动调节，从而降低系统换热能力，达到鼓干段风温的要求。

5  高温废气余热回收技术特点

5.1 提高综合传热效率研究

余热回收锅炉翅片管式蒸发器的传热是高温废气通过管壁进行传导，将热量直接传递给软化水进行换热过程，同时，考虑到炉管内是水汽混合物而管外则是高温废气管理的换热系数较大，因此总传热系数要以管外换热系数为主。在炉管外表面焊接翅片，从而增加炉管外表面积，强化管外换热条件，进而实现强化传热，提高热效率的目的[7]。

5.2 稳定水动力循环研究

余热回收锅炉翅片管式蒸发器由多个联箱组构成，每个联箱组能够单独进出锅筒，从而形成若干简单自然的循环回路，使水动力循环系统更加稳定，热度偏差小且安全性高。

5.3 提高受热面耐磨性研究

考虑到环冷机高温尾气当中携带大量的烟尘，所以在进行余热回收装置设计时，需要通过加强螺旋焊接翅片管来起到受热面的耐磨性提高的作用。一方面，高温尾气当中含有的颗粒会与肋片进行撞击，失去一部分动能;另一方面，废气斜向冲刷废气，经赤片后在管内进行纵向与横向的绕流运动，灰尘颗粒速度受到分解，部分功能遭受损失，从而减弱对换热管的磨损力度，增强了受热面的耐磨性性，延长换热管的寿命。

5.4 优化余热回收系统研究

余热回收系统在进行设计过程中，可通过借鉴炼铁厂烧结矿余热回收应用锅炉经验，并对其进行相应优化，减小设备存在的阻力，克服螺旋焊接翅片管存在的系统阻力增大的缺陷，利用螺旋输送优点来增强汽水循环动力，从而使设备结构更加紧凑，外形更加合理美观。

6  结语

总而言之，从烧结球团场环冷机高温废水余热回收利用实施整体情况上来看效果良好，通过利用环冷机三段高温度余热应用翅片管式锅炉蒸发器，采用螺旋翅片管能够极大的发挥传热以及效率高环保等特点，其工作稳定性强且寿命长、外形美观，在此帮助下能够得达到国家相应排放标准以及相关行业标准，既能够取得良好的经济效益同时还能够获得社会效益与环保效益，具有很强的实用性与操作性。但就當前国内外发展现状来看，仍需相关人员进行总结与反思，不断创新，实现进一步的发展。

参考文献

[1] 汤乐云，赵改革，甘敏，等.烧结过程强化结晶的技术探讨及应用[J].烧结球团，2021，46（4）：1-6.

[2] 张朝晖，徐凯强，邢相栋，等.烧结矿低温还原粉化影响因素研究进展[J].钢铁研究学报，2021，33（6）：453-460.

[3] 张翀.钢铁工业实施超低排放改造技术要点分析[J].山西化工，2021，41（4）：222-224.

[4] 尹凯.余热利用锅炉在烧结球团环冷机的应用分析[J].造纸装备及材料，2020，49（3）：130.

[5] 刘征建，黄建强，张建良，等.高炉高比例球团冶炼技术发展和实践[J].辽宁科技大学学报，2021，44（2）：85-91.

[6] 翟新颖.高炉高比例球团矿冶炼操作实践[J].天津冶金，2021（1）：7-9，16.

[7] 洪勋，于连涛.2×500m2烧结系统余热回收技术的应用[J].山东冶金，2020，42（2）：49-50.

作者简介：靳华东（1982—），男，硕士，高级工程师，研究方向为烧结球团非标设备。