一、研究的背景與問題
燒結(jié)是我國鋼鐵原料加工的主流程，2020年燒結(jié)礦產(chǎn)量達13億噸。燒結(jié)工序復雜，物料轉(zhuǎn)運路由長，處理對象以粉料為主，產(chǎn)塵點多面廣，治理難度大，是鋼鐵工業(yè)粉塵無組織排放最為嚴重的環(huán)節(jié)。隨著環(huán)保意識的加強，除塵技術(shù)在燒結(jié)行業(yè)得以廣泛應用和革新?lián)Q代，但由于燒結(jié)主要處理粉料、且工序復雜，揚塵點多面廣，本項目實施前的燒結(jié)除塵在穩(wěn)定性、經(jīng)濟性、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：焙燒冷卻過程，噸燒結(jié)礦生產(chǎn)需風量達4600m3以上，燒結(jié)需要風量，而冷卻含塵熱廢氣又直接外排，不僅浪費了能源，還導致無組織排放，大量細顆粒粉塵散落在環(huán)冷機作業(yè)區(qū)，以一臺600m2燒結(jié)機為例，對環(huán)冷機含塵廢氣全部收集后通過布袋除塵治理，需增加投資5000萬元，成本高。
2、混勻制粒過程易產(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，很難長期穩(wěn)定達標排放。
3、原料輸送過程轉(zhuǎn)運距離長、落差高，易揚塵，運輸皮帶黏料嚴重，易散落：燒結(jié)系統(tǒng)皮帶運輸距離達3000m以上，粉料處理量達千萬噸，轉(zhuǎn)運落差達4-8m，下落沖擊過程易產(chǎn)生碎裂和揚塵，且多為含水細顆粒物料，容易黏結(jié)在皮帶表面上造成卸料不徹底，在皮帶回程時跌落至各個不確定地點后形成揚塵。
4、散落粉塵磨琢性強，點源多，清掃工作量大，負壓清掃與輸送技術(shù)應用受限：廠區(qū)多點散料清掃與潔凈作業(yè)是維護環(huán)境的重要工作，冶金粉塵磨琢性強，高負壓氣力清掃與輸送過程中容易磨穿除塵裝置，除塵點多，各支路工況變化對風速匹配度要求高。
因此，本項目圍繞燒結(jié)工序不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)粉塵減排的難題，針對性地開發(fā)燒結(jié)粉塵無組織排放控制技術(shù)，以期實現(xiàn)燒結(jié)清潔化生產(chǎn)。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
本項目總體思路如圖1所示。針對焙燒冷卻過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，開展焙燒與冷卻環(huán)節(jié)對風量和能源需求形態(tài)規(guī)律的基礎(chǔ)研究，開發(fā)環(huán)冷機含塵廢氣耦合循環(huán)利用技術(shù)，通過強化工序內(nèi)和工序間廢氣的循環(huán)利用減少空氣消耗量，實現(xiàn)冷卻含塵廢氣近“零”排放。針對混勻制粒過程易產(chǎn)生高濕高黏含塵廢氣，治理難度大的難題，開展生石灰消化與粉塵板結(jié)機理基礎(chǔ)研究，開發(fā)混合機廢氣混流伴熱式布袋除塵技術(shù)，通過防止除塵系統(tǒng)粉塵板結(jié)，提高除塵效率。針對原料輸送過程轉(zhuǎn)運距離長、落差大，易揚塵，運輸皮帶黏料嚴重，易散落的難題，分析粉料轉(zhuǎn)運逸散特性和皮帶固結(jié)層成因，開發(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組織排放。針對散落粉塵磨琢性強，點源多，清掃工作量大，負壓清掃與輸送技術(shù)應用受限的難題，開展組合式氣固分離防磨特性和多點阻力平衡控制原理研究，開發(fā)多點粉塵高負壓氣力清掃與輸送技術(shù)通過除塵裝置優(yōu)化、多支路阻力平衡控制，強化粉塵末端收集。
圖1 總體思路
三、主要創(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，開發(fā)了廢氣循環(huán)流場模型，研制了均勻送風煙氣分配器和零逃逸煙氣循環(huán)罩，實現(xiàn)了燒結(jié)作業(yè)平臺和環(huán)冷區(qū)域含塵廢氣近“零”排放。
（1）分析了燒結(jié)焙燒過程對風的需求形態(tài)，有效需風量主要由傳熱所決定。燒結(jié)點火過程，提高空氣溫度有助于降低點火煤氣消耗，燒結(jié)過程，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，熱風溫度不宜過高。研究了風溫和風速對環(huán)冷機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，宜采用大風量高風溫的冷卻方式，而低溫段氣固溫差小，宜采用低風溫小風量慢冷的方式。開發(fā)了環(huán)冷-燒結(jié)廢氣耦合梯級循環(huán)利用技術(shù)，實現(xiàn)了冷卻含塵廢氣近“零”排放。率先采用基于有機朗肯循環(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)料面進行熱風燒結(jié)。加強燒結(jié)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間風的匹配，新鮮空氣消耗量減少45%；減少能源轉(zhuǎn)換次數(shù)，實現(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，考慮氣固強制對流換熱過程和固體內(nèi)部徑向非穩(wěn)態(tài)導熱過程，構(gòu)建環(huán)冷機熱工數(shù)值模型，動態(tài)劃分單元格，依次計算所有氣體單元格通過燒結(jié)礦“計算單元”的換熱過程。采用相對比較法，分析設(shè)計參數(shù)對模擬結(jié)果的敏感性，結(jié)合生產(chǎn)數(shù)據(jù)修正模型的計算參數(shù)，提高模型的命中率。改變輸入條件，模擬梯級給風、熱風疊加、串級利用、熱風循環(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)風平衡計算提供理論依據(jù)。
（3）研制了零逃逸均勻風裝置，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，開發(fā)錐形立式混氣裝置，使兩股氣流在圓筒側(cè)板內(nèi)壁與錐形導流筒之間高速旋轉(zhuǎn)，形成旋流，在螺旋上升過程中充分混勻；開發(fā)多級導流煙氣分配器，實現(xiàn)燒結(jié)機長度方向按需供風；開發(fā)帶有雙向?qū)Я鞯目梢苿臃侄位⌒螣煔庋h(huán)罩，可根據(jù)燒結(jié)需要調(diào)整煙氣罩覆蓋位置和長度，實現(xiàn)燒結(jié)機寬度方向按需供風；發(fā)明了迷宮式側(cè)部密封技術(shù)和鵝頸管微負壓調(diào)控技術(shù)，當循環(huán)罩內(nèi)壓力過大，壓差閥自動開啟，將煙氣罩與抽風煙道連通，從而避免煙氣外溢。
2、首創(chuàng)了基于環(huán)冷機熱風混流伴熱的混合機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)域的應用“禁區(qū)”，實現(xiàn)了燒結(jié)混合機含塵廢氣穩(wěn)定超低排放。
（1）基于生石灰消化原理，研究消化時間、水灰比、消化水溫、生石灰粒徑等對生石灰消化過程的影響，提升混合機內(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，減少廢氣中未消化的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）針對水蒸氣冷凝導致的結(jié)垢問題，將200~250℃的環(huán)冷機部分冷卻廢氣與高濕高黏含塵廢氣采用混流裝置進行混合，使混合廢氣溫度提高至水露點之上，從而阻斷管壁結(jié)垢，混合廢氣采用袋式除塵器除塵，實現(xiàn)超低排放。針對環(huán)冷機熱風接口路徑遠大于圓筒混合機含塵廢氣接口路徑引起的兩股氣流壓力不均問題，開發(fā)套筒式調(diào)壓混流器，高濕高黏廢氣由內(nèi)層管道下部進入混流器，到達內(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)冷熱風在混流器上部空腔相遇，在擾流板的作用下進行充分混勻，從而保證混合廢氣溫度大于露點溫度?？紤]燒結(jié)系統(tǒng)開啟或其它特殊情況，環(huán)冷廢氣供給不足，無法對混合機廢氣伴熱，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，對粗顆粒粉塵進行預攔截和沉降。開發(fā)了智能監(jiān)測和遠程控制系統(tǒng)，以混合廢氣溫度為約束條件，實時調(diào)控環(huán)冷熱風閥門開度和調(diào)壓板孔徑開度，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塵；開發(fā)了粉料輸送轉(zhuǎn)運抑塵技術(shù)，從源頭上減少了粉塵無組織排放。
（1）構(gòu)建了物料轉(zhuǎn)載過程CFD-DEM模型，仿真模擬物料下落后產(chǎn)生的誘導氣流速度分布及變化規(guī)律，分析了落料高度對溢出氣流速度和粉塵逸散的影響，開發(fā)弧形環(huán)保溜槽，延長物料下落距離，改垂直降落未斜面溜料的方式，降低物料下落加速度，一方面避免對下方受料設(shè)備的過度沖擊，減輕設(shè)備磨損，另一方面降低溜槽內(nèi)誘導氣流速度，減少粉塵的產(chǎn)生量和溢出量。
（2）針對燒結(jié)物料運輸皮帶表面的潤濕層易吸附原料中的超細粉末形成漿狀層，而漿狀層失水干燥后發(fā)展成的固結(jié)層進一步增加皮帶黏料，并沿途散落的問題，開發(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；最后清理下來的物料通過刮板輸送機收集至漏斗內(nèi)，實現(xiàn)散料的回收利用。
4、開發(fā)了多點強磨琢性散料智能高負壓清掃與輸送技術(shù)，減輕了人工清掃強度，提高了清掃和收集效果，改善了環(huán)境。
（1）針對燒結(jié)粉塵磨琢性強，除塵系統(tǒng)易磨穿，更環(huán)保的高負壓清掃與輸送技術(shù)難以應用的難題，研究不同通風結(jié)構(gòu)下布袋內(nèi)流場的分布規(guī)律，開發(fā)了帶有防磨氣流分布板的組合式氣固分離裝置，攻克冶金強磨琢性散料的高負壓清掃與輸送技術(shù)瓶頸。在除塵器進風口迎面設(shè)置傾斜防磨擋板，一方面借助防磨擋板對磨琢性強的粗顆粒粉塵進行攔截，另一方面可減少倉壁的磨損。在布袋正下方設(shè)置整流擋板，對氣流進行調(diào)向和整流，使布袋橫截面上流場分布更加均勻，從而減輕粉塵對濾袋的磨損。組合式防磨氣固分離裝置的應用為高負壓清掃與輸送提供了保障。
（2）多點清掃管網(wǎng)是一種多支路并聯(lián)負壓風系統(tǒng)，阻力失衡時，其各支路風量變化會產(chǎn)生相互影響，系統(tǒng)運行整體失調(diào)。建立了系統(tǒng)風量、吸送氣流速度、吸送管徑與物料特性間的關(guān)系式，以及阻力平衡計算方法，根據(jù)全系統(tǒng)動態(tài)工況的變化確定各支路閥門開度、風機頻率、總吸風量。開發(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，實現(xiàn)智能化管理。開發(fā)了智能清灰疏堵控制技術(shù)，通過真空泵高頻率運行和關(guān)鍵點壓力檢測實現(xiàn)管道自動清堵。
四、應用情況與效果
本項目開發(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、安陽鋼鐵等20多家知名鋼鐵企業(yè)燒結(jié)廠取得應用，獲得了業(yè)主們的一致好評。
1、寶鋼股份3號600m2燒結(jié)機示范工程
項目開發(fā)的環(huán)冷-燒結(jié)廢氣耦合梯級循環(huán)利用技術(shù)、粉料輸送轉(zhuǎn)運抑塵技術(shù)、多點粉塵高負壓氣力清掃與輸送技術(shù)等被應用于寶鋼股份3號600m2燒結(jié)機工程，至今運行穩(wěn)定。實現(xiàn)了環(huán)冷機含塵廢氣近“零”排放，減少燒冷系統(tǒng)新鮮空氣消耗量約45%，環(huán)境粉塵濃度遠低于排放限值，燒結(jié)和冷卻作業(yè)平臺幾無灰塵，人工清掃強度大幅下降，噸礦工序能耗降低約2.5kg，成品率提高約1個百分點，燒結(jié)利用系數(shù)提高約1.5%。中央第二環(huán)保督察組評價：全國的燒結(jié)機都要像寶鋼的燒結(jié)機這么環(huán)保就好了！該燒結(jié)工程已成為寶武集團展示綠色鋼鐵的窗口。
圖2-4 衢州元立鋼鐵450m2燒結(jié)機示范工程
項目開發(fā)的混合機廢氣混流伴熱布袋除塵技術(shù)被應用于衢州元立鋼鐵450m2燒結(jié)機工程。應用該技術(shù)前混合機廢氣粉塵濃度近50mg/m3，應用該技術(shù)后廢氣粉塵濃度低于3mg/m3，系統(tǒng)運行穩(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)定達標排放的難題，設(shè)備運行維護量顯著下降。該示范工程的建設(shè)對存在生石灰消化工序的行業(yè)應用布袋除塵技術(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)域的應用“禁區(qū)”。
圖7 第三方檢測報告
該項目主要技術(shù)指標與國內(nèi)外同類技術(shù)對比情況如表所示，綜合指標均優(yōu)于國內(nèi)外先進水平。
表1 項目成果主要技術(shù)指標與當前國內(nèi)外同類技術(shù)對比情況
