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节能详情

中国钢铁企业烧结工序节能减排技术回顾

作者:
刘成 李杰
来源:
冶金安全环保
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钢铁是全球经济的基础产品。作为国民经济的支柱,钢铁工业为中国的快速增长做出了积极的贡献。自2000年以来,中国的铁产量增长了408%,2016年已达7亿吨。全球钢铁产量自二十一世纪以来也有所增加,但国外钢铁总产量仍维持在4.5亿吨左右。中国钢铁产量的增长速率在2005年达到最高,2008年以后钢铁产量占全球产量的一半以上。在钢铁行业淘汰落后产能以及价格因素的背景下,2014年中国的钢铁产量开始下降,2015年钢铁产量年增长率为负。

钢产量增长的同时,含铁炉料的产量和质量得到了快速发展。2015年烧结矿产量达到10.08亿吨。铁矿石烧结是一种典型的高耗能、高耗材且高污染的工业过程。据报道,铁矿石烧结的能耗约占钢铁企业总能耗的6~10%。烧结矿是高炉主要的含铁炉料之一,占高炉炉料结构的75%左右。烧结工序总能耗的75~80%是矿物燃料,如焦粉和无烟煤。矿物燃料的使用会产生大量温室气体,如CO2,SOx,NOx和二噁英,它们是钢铁工业主要的空气污染源。因此,降低烧结能耗、减少环境污染、缓解能源短缺的问题变得突出。

图1二十一世纪全球和中国的铁和烧结矿产量:

(a)全球和中国铁产量的变化;

(b)中国在世界铁产量中的份额演变和中国铁产量的增长率;

(c)中国烧结矿产量;(d)中国烧结工艺能耗。

图2中国烧结工艺能源结构

长期以来,专家们一直致力于烧结工艺节能减排技术的研发并积累了大量的研究成果。在过去的十年里,中国在烧结工序节能减排方面取得了实质性进展。烧结过程的能耗从70 kgce/吨降至50 kgce/吨。根据以往的研究成果,烧结工艺的节能技术主要集中在以下几个方面。

首先,使用更清洁和更高效的能源(例如半焦,生物质和天然气)来代替焦粉和煤,以此优化烧结燃料结构。

第二,在烧结过程中回收利用余热。据统计,烧结过程的余热总量达50%,理论二次发电量为1.62 GJ/吨。可以看出,烧结烟气余热和烧结矿显热的二次能源利用是烧结过程节能减排的重要方向。

第三,烧结过程中燃料的高效燃烧。例如,厚料层烧结可以充分利用自蓄热功能并降低能耗,或采用支架支撑烧结技术以提高烧结层的透气性,促使燃料充分燃烧并提高效率。

第四,在设备改造中采用大型烧结机和烧结机系统漏风综合治理技术。

我们将详细介绍几项先进节能技术,包括复合造块工艺、高比例烟气再循环烧结、烧结矿冷却显热回收、均质厚料层烧结技术、烧结机系统漏风综合治理技术的开发和应用。

1复合造块技术

复合造块技术的开发是为了平衡中国高炉的酸性和碱性炉料。细粒铁精矿经造球机被制成酸性球团。较粗的粉矿、熔剂、燃料和返矿混合料等高碱性粗粒原料与造好的球团经过充分混合后被送入烧结机中。在点火、焙烧和烧结之后,制成了嵌有超高碱度烧结矿中的酸性球团。就成矿机理而言,复合炉料中的酸性球团通过固相反应被固化,而碱性基质与液相粘结。复合造块技术具有以下优点:

(1)可解决高炉酸碱炉料偏析的问题;

(2)可用于回收超细铁精粉、灰分和其他难加工和利用的矿石资源;

(3)可将生产率提高20%以上,并节省10%以上的固体燃耗。

复合造块技术已于2008年在包钢投入使用,并达到了烧结层透气性更好以及能耗更低的预期效果。具有燃耗更低的优点,且在相同超细铁精矿配比条件下,产量更高。

2高比例烟气再循环烧结

烟气的热量占烧结工艺总热量的20%,烧结烟气中含有30%以上的SO2、NOx、二噁英、重金属和其他有害物质。烟气再循环可充分利用物理热和化学能,并减少烧结过程中的燃耗。针对高比例烟气再循环烧结技术,日本、德国、荷兰、奥地利等国家已开发出多种技术。高比例烟气再循环烧结技术在中国钢铁企业得到了快速发展。根据循环烟气分为两类:内循环技术和外循环技术。内循环中的烟气来自烧结机主烟道,经过简单的除尘后将气体送入烧结机,重新参与烧结过程。反之,外循环中的烟气来自烧结环冷机,无需除尘便可使用。

气体温度、氧气体积分数和烟气压力是整个工艺技术的关键参数。针对这些参数,研究人员通过实验室研究、数值模拟和工业测试,开展了大量的研究工作。在实验室条件下,研究了氧含量和气体温度对烧结矿冶金性能的影响。结果显示,外循环延长了高温维持时间。此外,当循环烟气的氧含量控制在18%或更高时,便可获得优质烧结矿。通过模拟氧含量和气体温度对烧结矿燃烧区的影响。结果表明,烟气外循环可显著提高燃料效率,优化热量分布,并改善烧结矿质量。烧结机前段和后段的烟气具有低硫、高氧和高温的特点,可用作循环烟气。目前,已有超过17家钢铁企业采用了该项技术,并取得了良好的节能效果。

3烧结矿显热回收

烧结工艺能耗有效利用率仅为28~29%。低效余热资源主要包括烧结矿和废气显热。烧结机尾部的烧结矿温度约为800~950℃。废气显热是指烧结机下风箱烟气所携带的物理热。它们分别占烧结工艺总热量的40%和20%左右。烧结显热的有效利用是烧结热回收的核心。目前,余热回收主要是通过传统的鼓风式环冷机完成。该方法的缺点是漏风率高(25~60%),余热利用率低。干熄焦技术的竖罐式冷却系统能克服环冷系统的一些缺点。该工艺流程如图3所示。

图3烧结矿余热回收用竖罐式冷却系统示意图

竖罐式烧结冷却系统起源于2009年。它的实施涉及两个关键问题:(1)气固传热特性决定烧结矿的冷却效率、热载体质量和余热回收;(2)流阻特性决定气体流经料层时的阻力大小和回收利用的经济性。为了研究烧结矿竖罐式冷却系统的气固传热,开发了一个气固传热数值模型,用该模型确定了气固比和料层高度、研究了气固传热过程的基本规律及其影响因素。了解热烧结矿颗粒填充层/床上的压降对于烧结矿冷却机的分析和优化至关重要,因为它不仅与鼓风成本直接相关,而且对整体传热性能也有着显著影响。竖罐式烧结冷却系统采用全封闭式换热器,优化了气体比例,延长了冷却时间,并采用了其他方法提高换热效率。通过使用这项技术,天津天丰钢铁公司的吨矿发电量为27 kWh,年发电量达6600 kWh。该技术已引起广泛关注,中国得到了普及。

4均质厚料层烧结技术

厚料层烧结技术的开发于20世纪70年代,并在中国经历了快速发展。早期中国,烧结矿料层的厚度仅为300厘米左右。通过强力混合制粒、优化熔剂和燃料颗粒尺寸,并采用其他措施提高烧结过程中的透气性后,当前,料层的平均厚度已达700-1000mm。马钢的料层厚度已超过900厘米。料层厚度的增加可以提高烧结生产率和烧结矿质量。更重要的是,料层厚度增加后,可通过自蓄热效应,有效降低能耗。值得注意的是,料层厚度每增加100厘米便可使能耗降低10kgce/吨。

图4中国平均料层厚度的变化

(纵坐标为料层厚度)

料层厚度的增加也会给烧结带来一系列问题。根据图像分析描述的烧结块内孔隙三维结构特征。可以观察到由重力引起的压缩力对烧结块的结构形成(尤其是在下层)有很大影响。通过高能X射线扫描成像技术,以三维方式证实了烧结块的透气性变化情况。烧结过程中存在自蓄热功能,燃烧区的温度随火焰减少而提高。熔融带的透气性很大程度上取决于烧结过程中燃烧。

如何通过减少燃烧区上部的荷重来改善料层透气性的研究很少。支架支撑烧结法是将烧结块由安装在烧结台车上的棒或板支撑。通过试验发现支架支撑烧结大大缩短了烧结时间,且产量也提高了近20%。这项技术已被新日铁旗下的多座烧结机所采用,生产率得到了提高了,烧结矿质量的影响也极其微。

图5支架支撑烧结技术安装图:

(a)支架支撑烧结示意图;

(b)减载烧结工艺机理图;

(c)生产中的支架支撑烧结。

5支架支撑烧结技术

支架支撑烧结技术的研究始于2005年。通过烧结杯试验进一步研究了烧结混合料中的水分、支架高度和支撑面积对生产率和转鼓指数的影响。在台车上安装支架后,烧结过程的燃耗平均降低了1.32%,烧结机生产率提高了6.34%,烧结矿的转鼓指数下降了0.07%,烧结矿的筛分和耐磨指数也得到了改善。短时间内复杂的气氛和温度变化使支撑板在烧结期间经受快速的冷却和加热,致使其严重受损。对不同构造(一体式、两体式和三体式)的支撑板进行了热应力分析,提出了最合理的支撑板构造。支撑烧结已被开发用于改善重力影响下的烧结料层的透气性。这种技术使下部料层获得了更好的透气性。理论分析和实验表明,支架支撑烧结工艺对烧结料层透气性有积极影响,由此可降低燃耗并提高烧结矿质量。

图6支撑板的损坏与热疲劳:

(a)实际应用中损坏的架子;

(b)疲劳试验后超耐热钢的SEM扫描电镜图像;

(c)烧结过程中支架的热应力分布。

6烧结机系统漏风综合治理技术

烧结期间料层阻力和风箱负压随料层高度增加而增加,从而导致台车侧壁漏气。风扇的功耗占烧结过程总功率的65~75%。较高的漏风率将大大降低风扇的有效功率并增加烧结过程的功耗。更重要的是,高漏风率会降低烧结矿产量并最终增加烧结能耗。漏风率降低10%便可使烧结矿产量增加6%,能耗降低2kWh,煤粉量减少1kg/吨,烧成率提高1.5~2.0%。烧结机漏风率每降低10%,就代表产量增加6%,功耗减少2kWh,燃耗减少1千克/吨。由此可见,降低漏风率是增加烧结矿产量和降低能耗的最有效方法之一。烧结漏风主要反映在弹性密封板的弹性降低、台车栏板变形、篦条与小车之间配合松动以及台车间缝隙增大。经过长时间的努力,开发出了一种综合治理技术。用金属柔磁性密封装置替换弹簧式密封结构。台车栏板换成复合栏板以确保栏板翘曲不会导致间隙产生。在台车端部预埋一块钢销,另一端嵌入钢板,使该部分不会漏风。中国已完全掌握了低漏风率烧结机的设计和制造技术。中国设计的新型烧结机的漏风率可控制在30%。

通过回顾中国铁矿石烧结节能减排方面的最新进展和研究现状。虽然这些技术的应用大大降低了烧结工序的能耗,但仍存在一些缺陷需要进一步研究改进:

高比例烟气再循环烧结:(1)需进一步研究循环烟气对烧结过程中的燃料燃烧和烧结矿物质演变的影响;(2)目前的烟气再循环技术未能将“污染物减排”和“余热利用”结合起来。也就是说,为了“污染物减排”,烟气的循环比会达到30~50%。但烟气中的氧含量很低,且烧结各项指标明显劣化。当利用烟气余热时,烟气的循环比不超过20%。因此,迫切需要开发出能同时实现上述两个目标的技术。

理论分析和实验表明,支架支撑烧结工艺对烧结矿料层的透气性有积极影响,它可有效降低燃耗,并提高烧结矿质量。由普通材料制成的支撑板可使用5~6个月,这会对生产带来诸多不便。因此需要继续研究开发出耐高温和耐腐蚀的支撑板。支撑板的使用显著提高了料层的透气性,增强了烧结过程中的还原气氛,燃料的燃烧性也得到了提高。然而,SO2和NOx的排放机制还不明晰,尚待进一步研究。