河钢乐钢有限公司项目烧结烟气循环系统的应用

2022-09-24方堃

现代工业经济和信息化 2022年8期

方堃

（唐钢国际工程技术有限公司，河北唐山 063000）

引言

烧结工序在钢铁生产过程中起着至关重要的作用，而传统烧结工艺存在着高耗能、高污染的特点。自“十三五”以来，钢铁行业的清洁生产已成为主流发展趋势。烧结烟气循环作为能源梯阶利用、污染物过程控制技术中的一部分，已成为推动烧结工序实现节能减排、绿色生产的有效措施。

1 烟气循环概述

烧结烟气循环工艺是根据烧结风箱或风箱段内烟气特征（温度、含氧量、烟气量、污染物浓度等）的差异，在不影响烧结矿质量和产量的前提下，选择特定风箱段烟气循环返回烧结台车表面，用于热风点火、热风烧结。循环烟气由烧结机风箱引出，经除尘系统、循环主抽风机、烟气混合器后，通过密封罩引入烧结料层，重新参与烧结过程[1]。最终实现节能、减排、提产、降低烟气处理量及烟气治理设施的投资。

当前，比较典型的烟气循环工艺有5 种，即日本新日铁开发的区域性烟气循环工艺、德国Lurgi 公司开发的EOS（Emission Optimized Sintering）工艺、德国HKM 开发的LEEP（Low Emission and Energy Optimized Sinter Process）工艺、德国西门子奥钢联与奥地利林茨的Voestalpine 公司联合开发的EPOSINT（Environment Process Optimized Sintering）工艺，以及我国宝钢自主开发的BSFGR（Bao-Steel Flue Gas Recirculation）工艺[2]。

我国烟气循环技术起步较晚，目前在宝钢、宁钢、邯钢、日照、永钢、唐钢等一些企业已有所应用。河钢集团乐亭钢铁有限公司共配置2 台360 m2烧结机，结合对多家烧结厂烟气循环使用情况的实际考察，并针对乐钢烧结机的具体结构型式，对该烧结的烟气循环系统与烧结本体工艺同步开展设计。

2 烧结烟气循环的基础研究

2.1 循环形式的选择

从循环烟气来源看，可分为内循环、外循环两种模式。内循环在风箱处直接取风，操作灵活；外循环从主抽风机后分流部分烟气，改造简便易行。两种工艺模式在设计理念上有所差异，在烟气循环率、污染物减排、节能等方面侧重有所不同。但总体而言，内循环工艺可选择性的选取高温、富氧或污染物浓度高等不同特点的废气进行循环，是目前主流的烧结烟气循环技术[3]。故乐钢烧结采用内循环方式，并同烧结工艺同步开展设计工作。

2.2 烧结烟气特性

李超群等人对烧结过程中典型污染物及烟气工况条件的测定及总结，烧结机长度方向烟气温度和污染物浓度分布特点见图1[4]。

若将烧结机长度方向上归纳为5 个阶段，则各阶段的废气分布特点见下页表1[5]。

表1 烧结机长度方向烟气参数

可见SO2浓度（体积分数，下同）存在峰值，且峰值出现在后部风箱，COx与O2变化趋势相反，烟气温度在后部较高。推测乐钢360 m2新建烧结机SO2浓度最高值在15～17 号风箱左右，NOx浓度最高值在4～6号风箱左右，烟气温度峰值大概在19～21 号风箱处左右出现，O2浓度最高值在首尾风箱处。从而可决策初步用于烟气循环的取风风箱位置。

2.3 循环烟气关键指标

烟气循环后氧含量减少，会直接影响到料层料面燃烧，导致烧结矿成矿反应温度降低，从而影响产量。同时氧气含量减少会抑制FeO 的氧化，从而影响烧结矿质量。根据试验研究，烧结烟气循环技术烟气中适宜的氧气含量应该在18%以上，从而避免对烧结矿产量和质量的影响[6]。

返回至料面的循环烟气温度提高至200 ℃时，对表层烧结矿质量和降低燃耗有正面意义。当温度提高至250 ℃时，烧结成品率、垂直烧结速度、利用系数均有下降。且考虑对后续烟气治理工序中温度的限制，应考虑将头部、尾部风箱的烟气进行调和[7]。

3 工艺方案及设备选型

根据烧结机本体参数，确定烧结烟气循环风箱选取的三个基本原则：进入密封罩内烟气含氧量（体积分数，下同）大于18%、取气后大烟道烟气温度130 ℃±10 ℃、烟气循环率不低于25%。从最终使用效果上，通过烟气循环系统达到污染物减排、节能、烟气量减排的目的。由于烟气中NOx对于后续烟气处理初期投资及运行成本的影响要高于SO2，故该项目优先考虑减少NOx的排放，结合烧结过程中污染物分布特点，最终确定选取中前段高NOx的风箱作为循环风来源；从工艺节能的角度考虑，应充分回收烟气中的热量及氧气，故选取尾部的高温高氧风箱作为循环风来源；为最大程度减少烟气量排放，保证以上要求的前提下，考虑将头部的高氧风箱烟气一并进行循环。

该烧结机共有2×22 个风箱，根据上述原则并结合测试数据及理论计算，保证取出的风箱烟气在温度、含氧量和污染物浓度方面进行合理匹配，最终选取5、6、7、21、22 号共5 个风箱进行循环。并额外增加4、20 号2 个风箱烟气根据烧结运行工况及检修需求进行调配使用，保证系统正常运行。由于选取循环风箱的烟气含氧量一般不能达到18%以上，根据热量平衡、风氧平衡可计算确定需要兑入环冷烟气量，混合后的烟气含氧量满足烧结机生产需求。5 个风箱烟气汇聚至主烟道进入多管旋风除尘器进行降尘处理。通过循环风机后与环冷第三段热烟气进行混合，混合后的烟气经烟道引入至密封罩内，进行热风烧结。

依据烧结机总烟气量、漏风率等参数，可依次计算出烧结机有效进风量、烧结机单位面积有效进风量，可以得出进入密封罩内的循环烟气能够覆盖台车面积，进而确定密封罩覆盖台车的长度及覆盖风箱的数量。

综合考虑烧结机实际工况波动等其他因素，循环烟气设计含氧量为16.4%，兑入环冷烟气含氧量以21%计，通过烟气量匹配，实现单侧总循环烟气含氧量不低于18%。密封罩覆盖在8～19 号风箱，覆盖风箱数量共计12 个，大烟道烟气温度130 ℃±10℃，循环烟气温度根据实际生产过程而定。烟气循环的工艺流程图见图2，从选定的5 个风箱中取风至循环烟气主烟道，经多管旋风除尘器净化后进入循环烟气主抽风机，与环冷三段烟气混合后，进入密封罩内并返回至烧结料面。

针对上述工艺方案，结合国内多家烧结厂烟气循环实例的考察经验，此次设计对乐钢的烟气循环设计及设备选型进行了优化：

1）多管除尘器其旋风子和导向叶片采用耐磨合金，导气管采用无缝钢管，整体采用组合形式组装，旋风子的固定不需要灌注填充料，可进行单体更换；

2）理论取风是5 个风箱，为了使取出的风箱烟气在温度、含氧量和污染物浓度方面进行匹配，多选取了2 个风箱作为备用，便于系统调节；

3）密封罩双侧加导流管，导流管加电动阀，可通过程序控制实现出现正压时自动打开，保证烟气不外溢；

4）循环烟气烟道灰斗直接通过溜槽进入烧结机室散灰皮带，省去了短皮带及埋刮板机等设备，降低了设备投资及维修费用；

5）在循环风机和管道上设置了消音器及隔音设施，有效地将噪音控制在国家规定范围内；

6）在风箱取风处、环冷取风处、多管除尘器前后、密封罩内设置多点风量、压力、氧浓度、热电阻监测仪表，并合理布置，确保监测数据准确，并于工艺阀门、风机电机进行连锁控制；

7）在烧结台车两侧设置CO 泄露报警器，确保工艺生产环境安全可靠。

4 性能控制方案及实施效果

烟气循环系统需达到以下性能效果：保证烟气循环率25%～30%；保证循环烟气含氧量不低于18%；保证密封罩内为微负压。

为达到以上性能效果，需对烟气循环系统采取控制措施：

1）大烟道温度波动：当大烟道温度低于120 ℃时，启用4 号备用风箱循环阀门，增大低温烟气循环量，降低循环烟气温度，使大烟道温度提高；当大烟道温度高于140 ℃时，首先启用20 号备用风箱循环阀门，增大高温烟气循环量，提高循环烟气温度，使大烟道温度降低。开启备用风箱后循环烟气氧含量会有改变，相应调整环冷废气的补充量。风机选型考虑备用风箱风量。但是利用风箱切换只能小幅度调整大烟道烟气温度，若烟气温度变化过大仍需从烧结工艺或其他途径进行调节。

2）密封罩内氧含量波动：当密封罩内氧含量低于18%时，首先应调节环冷废气的兑入量，通过提高高含氧量的环冷烟气量提高密封罩内含氧量，其次调节密封罩上方冷风阀兑入冷风进行调节，以保证烧结生产的正常进行；含氧量高于18%时，有利于烧结工艺，保证正常运行的情况下不做调整。

3）烟气循环量的保证：循环烟气量的保证主要通过备用风箱循环阀门的开闭实现，正常运行状况下循环5、6、7 和21、22 风箱烟气可以保证28%循环烟气量。风箱切换调节其他参数时保证至少5 个风箱同时循环，使循环率不低于25%。

4）密封罩内负压保证：正常运行状态下密封罩内应为微负压状态，环冷风量兑入过多或者料层透气性较差情况下可能导致密封罩内烟气外溢，条件允许情况下首先考虑降低环冷烟气量进行负压调节。

据统计，烟气循环可减少烧结工序所需能耗，约降低3.1 kg 固体燃耗/t 烧结矿，实现经济效益约1 340 万元；烧结烟气最小减排量25%；烧结烟气排放CO 降低9.7%、NOx降低18.4%；根据后续烟气末端脱硫脱硝工艺的不同，可减少烟气脱硫脱硝系统的一次性投资约18%～20%；减少固体燃耗所排放污染物12 300 t/年，NOx减排212 t/年，SO2减排172 t/年，减少排污费183 万元/年（固体燃耗以降低3.1 kg/t 烧结矿计）；烟气循环系统投运后，烧结机可提产7%左右，具有较高的经济效益及社会效益。