一、研究的背景與問(wèn)題

燒結(jié)是我國(guó)鋼鐵原料加工的主流程，2020年燒結(jié)礦產(chǎn)量達(dá)13億噸。燒結(jié)工序復(fù)雜，物料轉(zhuǎn)運(yùn)路由長(zhǎng)，處理對(duì)象以粉料為主，產(chǎn)塵點(diǎn)多面廣，治理難度大，是鋼鐵工業(yè)粉塵無(wú)組織排放最為嚴(yán)重的環(huán)節(jié)。隨著環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，除塵技術(shù)在燒結(jié)行業(yè)得以廣泛應(yīng)用和革新?lián)Q代，但由于燒結(jié)主要處理粉料、且工序復(fù)雜，揚(yáng)塵點(diǎn)多面廣，本項(xiàng)目實(shí)施前的燒結(jié)除塵在穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、高效性、環(huán)保性方面仍有待提升，主要體現(xiàn)在：

1、焙燒冷卻過(guò)程含塵廢氣排放量大，工序間耦合循環(huán)利用率低，除塵治理成本高，作業(yè)環(huán)境差：焙燒冷卻過(guò)程，噸燒結(jié)礦生產(chǎn)需風(fēng)量達(dá)4600m3以上，燒結(jié)需要風(fēng)量，而冷卻含塵熱廢氣又直接外排，不僅浪費(fèi)了能源，還導(dǎo)致無(wú)組織排放，大量細(xì)顆粒粉塵散落在環(huán)冷機(jī)作業(yè)區(qū)，以一臺(tái)600m2燒結(jié)機(jī)為例，對(duì)環(huán)冷機(jī)含塵廢氣全部收集后通過(guò)布袋除塵治理，需增加投資5000萬(wàn)元，成本高。

2、混勻制粒過(guò)程易產(chǎn)生高濕高黏含塵廢氣，治理難度大，屬世界性難題：燒結(jié)工序中添加生石灰可以改善混合料制粒效果，而生石灰消化會(huì)形成大量的含礦粉、石灰顆粒和蒸氣的高濕高黏含塵廢氣，除塵過(guò)程極易結(jié)硬并堵塞管道，作業(yè)率低，管理要求高，檢修工作量大，很難長(zhǎng)期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。

3、原料輸送過(guò)程轉(zhuǎn)運(yùn)距離長(zhǎng)、落差高，易揚(yáng)塵，運(yùn)輸皮帶黏料嚴(yán)重，易散落：燒結(jié)系統(tǒng)皮帶運(yùn)輸距離達(dá)3000m以上，粉料處理量達(dá)千萬(wàn)噸，轉(zhuǎn)運(yùn)落差達(dá)4-8m，下落沖擊過(guò)程易產(chǎn)生碎裂和揚(yáng)塵，且多為含水細(xì)顆粒物料，容易黏結(jié)在皮帶表面上造成卸料不徹底，在皮帶回程時(shí)跌落至各個(gè)不確定地點(diǎn)后形成揚(yáng)塵。

4、散落粉塵磨琢性強(qiáng)，點(diǎn)源多，清掃工作量大，負(fù)壓清掃與輸送技術(shù)應(yīng)用受限：廠區(qū)多點(diǎn)散料清掃與潔凈作業(yè)是維護(hù)環(huán)境的重要工作，冶金粉塵磨琢性強(qiáng)，高負(fù)壓氣力清掃與輸送過(guò)程中容易磨穿除塵裝置，除塵點(diǎn)多，各支路工況變化對(duì)風(fēng)速匹配度要求高。

因此，本項(xiàng)目圍繞燒結(jié)工序不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)粉塵減排的難題，針對(duì)性地開(kāi)發(fā)燒結(jié)粉塵無(wú)組織排放控制技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)燒結(jié)清潔化生產(chǎn)。

二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案

本項(xiàng)目總體思路如圖1所示。針對(duì)焙燒冷卻過(guò)程含塵廢氣排放量大，工序間耦合循環(huán)利用率低，除塵治理成本高，作業(yè)環(huán)境差的難題，開(kāi)展焙燒與冷卻環(huán)節(jié)對(duì)風(fēng)量和能源需求形態(tài)規(guī)律的基礎(chǔ)研究，開(kāi)發(fā)環(huán)冷機(jī)含塵廢氣耦合循環(huán)利用技術(shù)，通過(guò)強(qiáng)化工序內(nèi)和工序間廢氣的循環(huán)利用減少空氣消耗量，實(shí)現(xiàn)冷卻含塵廢氣近“零”排放。針對(duì)混勻制粒過(guò)程易產(chǎn)生高濕高黏含塵廢氣，治理難度大的難題，開(kāi)展生石灰消化與粉塵板結(jié)機(jī)理基礎(chǔ)研究，開(kāi)發(fā)混合機(jī)廢氣混流伴熱式布袋除塵技術(shù)，通過(guò)防止除塵系統(tǒng)粉塵板結(jié)，提高除塵效率。針對(duì)原料輸送過(guò)程轉(zhuǎn)運(yùn)距離長(zhǎng)、落差大，易揚(yáng)塵，運(yùn)輸皮帶黏料嚴(yán)重，易散落的難題，分析粉料轉(zhuǎn)運(yùn)逸散特性和皮帶固結(jié)層成因，開(kāi)發(fā)環(huán)保型溜槽和多效耦合皮帶清掃裝置，從源頭上減少粉塵無(wú)組織排放。針對(duì)散落粉塵磨琢性強(qiáng)，點(diǎn)源多，清掃工作量大，負(fù)壓清掃與輸送技術(shù)應(yīng)用受限的難題，開(kāi)展組合式氣固分離防磨特性和多點(diǎn)阻力平衡控制原理研究，開(kāi)發(fā)多點(diǎn)粉塵高負(fù)壓氣力清掃與輸送技術(shù)通過(guò)除塵裝置優(yōu)化、多支路阻力平衡控制，強(qiáng)化粉塵末端收集。

圖1總體思路

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

1、首次提出了環(huán)冷-燒結(jié)廢氣耦合循環(huán)利用理念，開(kāi)發(fā)了廢氣循環(huán)流場(chǎng)模型，研制了均勻送風(fēng)煙氣分配器和零逃逸煙氣循環(huán)罩，實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)作業(yè)平臺(tái)和環(huán)冷區(qū)域含塵廢氣近“零”排放。

（1）分析了燒結(jié)焙燒過(guò)程對(duì)風(fēng)的需求形態(tài)，有效需風(fēng)量主要由傳熱所決定。燒結(jié)點(diǎn)火過(guò)程，提高空氣溫度有助于降低點(diǎn)火煤氣消耗，燒結(jié)過(guò)程，提高氣流介質(zhì)溫度有助于提質(zhì)增產(chǎn)，但受熱體積膨脹的影響，熱風(fēng)溫度不宜過(guò)高。研究了風(fēng)溫和風(fēng)速對(duì)環(huán)冷機(jī)氣固換熱的影響及余熱煙氣分布規(guī)律，高溫段氣固溫差大，換熱效率高，宜采用大風(fēng)量高風(fēng)溫的冷卻方式，而低溫段氣固溫差小，宜采用低風(fēng)溫小風(fēng)量慢冷的方式。開(kāi)發(fā)了環(huán)冷-燒結(jié)廢氣耦合梯級(jí)循環(huán)利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了冷卻含塵廢氣近“零”排放。率先采用基于有機(jī)朗肯循環(huán)的ORC低溫余熱發(fā)電技術(shù)，中溫段廢氣降溫后再循環(huán)至燒結(jié)料面進(jìn)行熱風(fēng)燒結(jié)。加強(qiáng)燒結(jié)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間風(fēng)的匹配，新鮮空氣消耗量減少45%；減少能源轉(zhuǎn)換次數(shù)，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)系統(tǒng)余熱高效循環(huán)利用，噸燒結(jié)礦工序能耗降低2kgce以上。

（2）采用有限元分析法，考慮氣固強(qiáng)制對(duì)流換熱過(guò)程和固體內(nèi)部徑向非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程，構(gòu)建環(huán)冷機(jī)熱工數(shù)值模型，動(dòng)態(tài)劃分單元格，依次計(jì)算所有氣體單元格通過(guò)燒結(jié)礦“計(jì)算單元”的換熱過(guò)程。采用相對(duì)比較法，分析設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的敏感性，結(jié)合生產(chǎn)數(shù)據(jù)修正模型的計(jì)算參數(shù)，提高模型的命中率。改變輸入條件，模擬梯級(jí)給風(fēng)、熱風(fēng)疊加、串級(jí)利用、熱風(fēng)循環(huán)等不同工況條件下燒結(jié)礦的冷卻效果和熱廢氣排放規(guī)律，為燒冷系統(tǒng)風(fēng)平衡計(jì)算提供理論依據(jù)。

（3）研制了零逃逸均勻風(fēng)裝置，解決料面煙氣分布不均和外溢的難題。建立了廢氣循環(huán)系統(tǒng)流場(chǎng)，開(kāi)發(fā)錐形立式混氣裝置，使兩股氣流在圓筒側(cè)板內(nèi)壁與錐形導(dǎo)流筒之間高速旋轉(zhuǎn)，形成旋流，在螺旋上升過(guò)程中充分混勻；開(kāi)發(fā)多級(jí)導(dǎo)流煙氣分配器，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)機(jī)長(zhǎng)度方向按需供風(fēng)；開(kāi)發(fā)帶有雙向?qū)Я鞯目梢苿?dòng)分段弧形煙氣循環(huán)罩，可根據(jù)燒結(jié)需要調(diào)整煙氣罩覆蓋位置和長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)機(jī)寬度方向按需供風(fēng)；發(fā)明了迷宮式側(cè)部密封技術(shù)和鵝頸管微負(fù)壓調(diào)控技術(shù)，當(dāng)循環(huán)罩內(nèi)壓力過(guò)大，壓差閥自動(dòng)開(kāi)啟，將煙氣罩與抽風(fēng)煙道連通，從而避免煙氣外溢。

2、首創(chuàng)了基于環(huán)冷機(jī)熱風(fēng)混流伴熱的混合機(jī)含塵廢氣布袋除塵技術(shù)，突破了布袋除塵技術(shù)在高濕高黏廢氣治理領(lǐng)域的應(yīng)用“禁區(qū)”，實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)混合機(jī)含塵廢氣穩(wěn)定超低排放。

（1）基于生石灰消化原理，研究消化時(shí)間、水灰比、消化水溫、生石灰粒徑等對(duì)生石灰消化過(guò)程的影響，提升混合機(jī)內(nèi)生石灰的消化率。分析除塵管道板結(jié)物的物質(zhì)組成，消石灰碳酸化固結(jié)是除塵管結(jié)垢的主要誘因，減少?gòu)U氣中未消化的CaO顆粒和消化后的Ca(OH)2顆粒在管道的黏附、以及減少水蒸氣的冷凝是防止除塵系統(tǒng)堵塞的主要措施。

（2）針對(duì)水蒸氣冷凝導(dǎo)致的結(jié)垢問(wèn)題，將200~250℃的環(huán)冷機(jī)部分冷卻廢氣與高濕高黏含塵廢氣采用混流裝置進(jìn)行混合，使混合廢氣溫度提高至水露點(diǎn)之上，從而阻斷管壁結(jié)垢，混合廢氣采用袋式除塵器除塵，實(shí)現(xiàn)超低排放。針對(duì)環(huán)冷機(jī)熱風(fēng)接口路徑遠(yuǎn)大于圓筒混合機(jī)含塵廢氣接口路徑引起的兩股氣流壓力不均問(wèn)題，開(kāi)發(fā)套筒式調(diào)壓混流器，高濕高黏廢氣由內(nèi)層管道下部進(jìn)入混流器，到達(dá)內(nèi)層管道上端后，經(jīng)多組調(diào)壓板整流轉(zhuǎn)入外層管道，與外層管道自下而上螺旋上升的環(huán)冷熱風(fēng)在混流器上部空腔相遇，在擾流板的作用下進(jìn)行充分混勻，從而保證混合廢氣溫度大于露點(diǎn)溫度。考慮燒結(jié)系統(tǒng)開(kāi)啟或其它特殊情況，環(huán)冷廢氣供給不足，無(wú)法對(duì)混合機(jī)廢氣伴熱，在混流裝置內(nèi)筒增設(shè)電伴熱裝置。此外，在內(nèi)筒上部向下噴射壓縮空氣，對(duì)粗顆粒粉塵進(jìn)行預(yù)攔截和沉降。開(kāi)發(fā)了智能監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，以混合廢氣溫度為約束條件，實(shí)時(shí)調(diào)控環(huán)冷熱風(fēng)閥門開(kāi)度和調(diào)壓板孔徑開(kāi)度，使混合含塵廢氣在布袋除塵器內(nèi)既不糊堵又不燒穿，確保除塵系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3、發(fā)明了多效耦合皮帶清掃裝置，抑制了回程皮帶散料引起的揚(yáng)塵；開(kāi)發(fā)了粉料輸送轉(zhuǎn)運(yùn)抑塵技術(shù)，從源頭上減少了粉塵無(wú)組織排放。

（1）構(gòu)建了物料轉(zhuǎn)載過(guò)程CFD-DEM模型，仿真模擬物料下落后產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流速度分布及變化規(guī)律，分析了落料高度對(duì)溢出氣流速度和粉塵逸散的影響，開(kāi)發(fā)弧形環(huán)保溜槽，延長(zhǎng)物料下落距離，改垂直降落未斜面溜料的方式，降低物料下落加速度，一方面避免對(duì)下方受料設(shè)備的過(guò)度沖擊，減輕設(shè)備磨損，另一方面降低溜槽內(nèi)誘導(dǎo)氣流速度，減少粉塵的產(chǎn)生量和溢出量。

（2）針對(duì)燒結(jié)物料運(yùn)輸皮帶表面的潤(rùn)濕層易吸附原料中的超細(xì)粉末形成漿狀層，而漿狀層失水干燥后發(fā)展成的固結(jié)層進(jìn)一步增加皮帶黏料，并沿途散落的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)集“松散料刷除-固結(jié)層剝離-殘留顆粒清理”為一體的多效耦合皮帶清掃裝置及智能控制系統(tǒng)。首先采用輥刷將皮帶上的浮層粘料清除；其次，研發(fā)剝離鞭裝置，采用抽擊剝離的方法，將皮帶表面的固結(jié)層擊碎剝離，降低皮帶表面與原料之間的親合力，防止皮帶粘料；而后研發(fā)了窄縫高壓氣刀，利用氣刀產(chǎn)生的高壓窄縫射流將黏附再皮帶表面的松散物料吹掃清潔；最后清理下來(lái)的物料通過(guò)刮板輸送機(jī)收集至漏斗內(nèi)，實(shí)現(xiàn)散料的回收利用。

4、開(kāi)發(fā)了多點(diǎn)強(qiáng)磨琢性散料智能高負(fù)壓清掃與輸送技術(shù)，減輕了人工清掃強(qiáng)度，提高了清掃和收集效果，改善了環(huán)境。

（1）針對(duì)燒結(jié)粉塵磨琢性強(qiáng)，除塵系統(tǒng)易磨穿，更環(huán)保的高負(fù)壓清掃與輸送技術(shù)難以應(yīng)用的難題，研究不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)下布袋內(nèi)流場(chǎng)的分布規(guī)律，開(kāi)發(fā)了帶有防磨氣流分布板的組合式氣固分離裝置，攻克冶金強(qiáng)磨琢性散料的高負(fù)壓清掃與輸送技術(shù)瓶頸。在除塵器進(jìn)風(fēng)口迎面設(shè)置傾斜防磨擋板，一方面借助防磨擋板對(duì)磨琢性強(qiáng)的粗顆粒粉塵進(jìn)行攔截，另一方面可減少倉(cāng)壁的磨損。在布袋正下方設(shè)置整流擋板，對(duì)氣流進(jìn)行調(diào)向和整流，使布袋橫截面上流場(chǎng)分布更加均勻，從而減輕粉塵對(duì)濾袋的磨損。組合式防磨氣固分離裝置的應(yīng)用為高負(fù)壓清掃與輸送提供了保障。

（2）多點(diǎn)清掃管網(wǎng)是一種多支路并聯(lián)負(fù)壓風(fēng)系統(tǒng)，阻力失衡時(shí)，其各支路風(fēng)量變化會(huì)產(chǎn)生相互影響，系統(tǒng)運(yùn)行整體失調(diào)。建立了系統(tǒng)風(fēng)量、吸送氣流速度、吸送管徑與物料特性間的關(guān)系式，以及阻力平衡計(jì)算方法，根據(jù)全系統(tǒng)動(dòng)態(tài)工況的變化確定各支路閥門開(kāi)度、風(fēng)機(jī)頻率、總吸風(fēng)量。開(kāi)發(fā)了終端控制系統(tǒng)，可記憶用戶常用信息并固化為可選的一鍵式操作模式，實(shí)現(xiàn)智能化管理。開(kāi)發(fā)了智能清灰疏堵控制技術(shù)，通過(guò)真空泵高頻率運(yùn)行和關(guān)鍵點(diǎn)壓力檢測(cè)實(shí)現(xiàn)管道自動(dòng)清堵。

四、應(yīng)用情況與效果

本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)和裝置相繼在寶鋼股份、寶鋼湛江、衢州元立鋼鐵、安陽(yáng)鋼鐵等20多家知名鋼鐵企業(yè)燒結(jié)廠取得應(yīng)用，獲得了業(yè)主們的一致好評(píng)。

1、寶鋼股份3號(hào)600m2燒結(jié)機(jī)示范工程

項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的環(huán)冷-燒結(jié)廢氣耦合梯級(jí)循環(huán)利用技術(shù)、粉料輸送轉(zhuǎn)運(yùn)抑塵技術(shù)、多點(diǎn)粉塵高負(fù)壓氣力清掃與輸送技術(shù)等被應(yīng)用于寶鋼股份3號(hào)600m2燒結(jié)機(jī)工程，至今運(yùn)行穩(wěn)定。實(shí)現(xiàn)了環(huán)冷機(jī)含塵廢氣近“零”排放，減少燒冷系統(tǒng)新鮮空氣消耗量約45%，環(huán)境粉塵濃度遠(yuǎn)低于排放限值，燒結(jié)和冷卻作業(yè)平臺(tái)幾無(wú)灰塵，人工清掃強(qiáng)度大幅下降，噸礦工序能耗降低約2.5kg，成品率提高約1個(gè)百分點(diǎn)，燒結(jié)利用系數(shù)提高約1.5%。中央第二環(huán)保督察組評(píng)價(jià)：全國(guó)的燒結(jié)機(jī)都要像寶鋼的燒結(jié)機(jī)這么環(huán)保就好了！該燒結(jié)工程已成為寶武集團(tuán)展示綠色鋼鐵的窗口。

2、衢州元立鋼鐵450m2燒結(jié)機(jī)示范工程

項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的混合機(jī)廢氣混流伴熱布袋除塵技術(shù)被應(yīng)用于衢州元立鋼鐵450m2燒結(jié)機(jī)工程。應(yīng)用該技術(shù)前混合機(jī)廢氣粉塵濃度近50mg/m3，應(yīng)用該技術(shù)后廢氣粉塵濃度低于3mg/m3，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，根本上解決了采用傳統(tǒng)濕法除塵技術(shù)所存在的除塵系統(tǒng)管道易堵塞、作業(yè)率低、難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放的難題，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)量顯著下降。該示范工程的建設(shè)對(duì)存在生石灰消化工序的行業(yè)應(yīng)用布袋除塵技術(shù)具有極好的示范意義，突破了布袋除塵技術(shù)在高濕高黏廢氣治理領(lǐng)域的應(yīng)用“禁區(qū)”。

圖7第三方檢測(cè)報(bào)告

該項(xiàng)目主要技術(shù)指標(biāo)與國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)對(duì)比情況如表所示，綜合指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平。

表項(xiàng)目成果主要技術(shù)指標(biāo)與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)對(duì)比情況