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我國(guó)鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排具有較大的潛力，尤其是燒結(jié)、焦化和煉鐵這三大工序，其能耗約占全流程鋼鐵能耗的70%。
彭巖 曹先常 張玉柱
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼鐵工業(yè)的節(jié)能減排日益重視，節(jié)能減排技術(shù)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，但由于鋼鐵生產(chǎn)為長(zhǎng)流程工序的特點(diǎn)，生產(chǎn)過(guò)程中存在大量的連續(xù)、半連續(xù)、非連續(xù)的物質(zhì)流和能量流，不同工序銜接、能量的智能調(diào)配等方面仍存在很大的能量?jī)?yōu)化空間。而且，一些余熱利用效率更高效的余熱利用新工藝技術(shù)及裝備尚未取得關(guān)鍵性突破，沒(méi)有得到廣泛的推廣和應(yīng)用。因此，我國(guó)鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排仍具有較大的潛力，尤其是燒結(jié)、焦化和煉鐵這三大工序，其能耗約占全流程鋼鐵能耗的70%。本文主要介紹燒結(jié)、焦化和煉鐵這三大工序的節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展方向及目前存在的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，希望為鋼鐵節(jié)能減排提供新的解決方案。
高效爐冷燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電技術(shù)
技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
雖然近年來(lái)燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電技術(shù)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，但由于各種原因，燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電裝置建成后運(yùn)行效果差，甚至不到設(shè)計(jì)指標(biāo)的50%，雖經(jīng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行單位的不斷改進(jìn)，但始終無(wú)法全面快速推廣。其主要原因是受燒結(jié)機(jī)現(xiàn)有環(huán)（帶）冷方式的限制，燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電仍存在很多關(guān)鍵性的難題無(wú)法徹底解決。余熱資源是有限的，高效利用是關(guān)鍵。改進(jìn)燒結(jié)礦環(huán)（帶）冷卻工藝，采用更為高效的豎爐式冷卻，提高燒結(jié)礦冷卻效率和質(zhì)量，提高燒結(jié)余熱回收溫度，進(jìn)而提高余熱回收效率，是燒結(jié)機(jī)余熱利用技術(shù)的發(fā)展方向。
工藝系統(tǒng)介紹
高效爐冷燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電技術(shù)主要分為3個(gè)子系統(tǒng)：燒結(jié)礦冷卻系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)，工藝流程見(jiàn)圖1。
圖1 高效爐冷燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電工藝流程圖
高效爐冷燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：一是提高燒結(jié)礦冷卻質(zhì)量。冷卻爐設(shè)計(jì)有預(yù)存室，有利于燒結(jié)礦溫度均化和殘余揮發(fā)分析出，可提高燒結(jié)礦強(qiáng)度；冷卻爐內(nèi)冷卻為等溫差冷卻過(guò)程，可避免熱燒結(jié)礦因急冷而易裂，提高燒結(jié)礦成品率。二是提高燒結(jié)礦余熱發(fā)電能力。燒結(jié)礦溫度由700℃冷卻至150℃，約有80%的燒結(jié)礦顯熱被冷卻空氣吸收，燒結(jié)礦余熱利用率提高60%；獲取的余熱煙氣溫度可達(dá)600℃左右，煙氣品質(zhì)明顯提高；余熱發(fā)電采用中溫中壓雙壓發(fā)電系統(tǒng)，朗肯循環(huán)效率可提高25%。三是降低燒結(jié)礦冷卻電耗。其解決了燒結(jié)礦冷卻過(guò)程中的漏風(fēng)問(wèn)題，而且提高了冷卻空氣溫升，冷卻風(fēng)量?jī)H為環(huán)冷方式的1/3左右，可降低燒結(jié)機(jī)冷卻系統(tǒng)自用電。四是減排效果明顯。爐冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的高效密封，設(shè)備均為負(fù)壓運(yùn)行，解決了環(huán)（帶）冷方式存在的粉塵無(wú)序排放的問(wèn)題。五是提高燒結(jié)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率和發(fā)電系統(tǒng)的安全性。新建的燒結(jié)礦爐冷系統(tǒng)與現(xiàn)有的環(huán)冷系統(tǒng)互為備用，避免了因冷卻系統(tǒng)故障而造成的燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)的停機(jī)，提高了燒結(jié)機(jī)的年運(yùn)轉(zhuǎn)率；冷卻爐設(shè)計(jì)有預(yù)存段，能夠避免因燒結(jié)機(jī)短時(shí)停機(jī)造成余熱參數(shù)波動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)停機(jī)的問(wèn)題，提高了余熱參數(shù)的穩(wěn)定性，從而提高了余熱發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)率和設(shè)備安全性。
關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題
高效爐冷燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，是未來(lái)發(fā)展的主要方向，但就目前來(lái)說(shuō)，仍存在關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題亟須突破。
在基礎(chǔ)理論方面，0~150mm寬粒徑多孔燒結(jié)礦在大空腔內(nèi)的氣固逆流移動(dòng)床流動(dòng)與阻力特性，導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射耦合作用下的氣固間換熱特性機(jī)理仍須完善；燒結(jié)礦在自重作用下的料倉(cāng)流動(dòng)特性尚未明確。
在工藝技術(shù)方面，不影響燒結(jié)機(jī)產(chǎn)量和燒結(jié)礦質(zhì)量的切實(shí)有效的爐冷工藝技術(shù)方案仍須探索，燒結(jié)礦冷卻質(zhì)量、余熱獲取參數(shù)、冷卻電耗間的匹配優(yōu)化技術(shù)尚須進(jìn)一步完善，余熱參數(shù)與發(fā)電系統(tǒng)熱力參數(shù)的匹配優(yōu)化尚未明確。
在關(guān)鍵設(shè)備方面，高負(fù)載、大傾角、高溫物料輸送裝置尚未成熟；大空腔燒結(jié)礦豎式冷卻爐仍須開(kāi)發(fā)，特別是0~150mm寬粒徑連續(xù)高溫?zé)Y(jié)礦在大空腔內(nèi)的均勻布料問(wèn)題、大空腔內(nèi)均勻布風(fēng)問(wèn)題亟須解決。
在工程實(shí)施方面，新建工程安裝、運(yùn)行不影響燒結(jié)機(jī)正常生產(chǎn)，降低工程實(shí)施費(fèi)用，提高投資回收效益，這些要求都有待滿(mǎn)足。
預(yù)期效果
如果該技術(shù)存在的關(guān)鍵技術(shù)難題取得根本突破，那么不僅可以大幅提高燒結(jié)余熱回收效率，而且能夠提高燒結(jié)礦冷卻質(zhì)量，降低污染物排放，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益明顯。以1條360㎡燒結(jié)機(jī)配套高效爐冷燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電工程為例，鋼鐵企業(yè)每年可對(duì)外供電量為12600萬(wàn)千瓦時(shí)，可基本滿(mǎn)足燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)用電量，按0.6元/千瓦時(shí)電計(jì)算，年收入約7560萬(wàn)元，扣除自用電及運(yùn)行成本約15%，電站總投資1.8億元，不足3年即可收回成本，項(xiàng)目建成后可減少燃煤電廠消耗約5萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤（電折算標(biāo)煤系數(shù)為0.404），年可減排CO2約12.6萬(wàn)噸、減排SO2約1600噸。
荒煤氣顯熱高效穩(wěn)定回收技術(shù)
技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
煉焦過(guò)程中所產(chǎn)生的顯熱資源利用，已成為提高焦?fàn)t效率的主要途徑之一。前蘇聯(lián)哈爾科夫煉焦廠最早被報(bào)道采用水夾套回收熱水作為取暖熱源；日本新日鐵在焦?fàn)t上升管中設(shè)置夾套管，采用有機(jī)工質(zhì)回收195℃的熱能。我國(guó)先后開(kāi)發(fā)了導(dǎo)熱油夾套管、熱管、鍋爐等余熱回收技術(shù)。寶鋼針對(duì)荒煤氣顯熱回收的難題進(jìn)行了深入研究，研制了新型上升管換熱器，已完成了顯熱回收利用的方案研究和中試試驗(yàn)工程，具備進(jìn)一步工程示范的條件。
工藝系統(tǒng)介紹
焦?fàn)t荒煤氣顯熱回收工藝系統(tǒng)包括除氧器、除氧水箱、給水泵、循環(huán)泵、汽包、加藥、取樣裝置等相關(guān)設(shè)施。其中汽水工藝流程如圖2所示，純水經(jīng)過(guò)管道先進(jìn)入除氧器進(jìn)行除氧，然后通入汽包，液體水進(jìn)入荒煤氣顯熱回收裝置進(jìn)行荒煤氣顯熱的回收，其產(chǎn)生的汽水混合物進(jìn)入汽包進(jìn)行汽水分離，產(chǎn)生的蒸汽被送入蒸汽管網(wǎng)。
圖2 焦?fàn)t荒煤氣顯熱回收工藝流程示意圖
關(guān)鍵技術(shù)
焦?fàn)t荒煤氣顯熱回收一直是焦化行業(yè)節(jié)能減排研究熱點(diǎn)，其須要解決的主要問(wèn)題或關(guān)鍵技術(shù)包括：復(fù)雜工況條件下荒煤氣換熱計(jì)算模型與方法，防腐蝕抗結(jié)焦耐高溫復(fù)合材料技術(shù)，狹小空間內(nèi)上升管換熱器強(qiáng)化換熱與整體式多重防泄漏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，組合式焦?fàn)t荒煤氣余熱回收蒸汽的系統(tǒng)及方法，焦?fàn)t上升管換熱器在線(xiàn)快速更換技術(shù)，下降管換熱器顯熱回收利用關(guān)鍵技術(shù)的研究，焦化區(qū)域紅焦顯熱、荒煤氣顯熱、煙氣余熱等能量系統(tǒng)耦合優(yōu)化節(jié)能。
預(yù)期效果
寶鋼焦?fàn)t荒煤氣顯熱回收中試試驗(yàn)研究表明，噸焦回收余熱6.8千克標(biāo)準(zhǔn)煤以上，示范工程預(yù)計(jì)年可回收約8萬(wàn)噸蒸汽，年經(jīng)濟(jì)效益為1100萬(wàn)元；扣除自用能耗，年可節(jié)約能源約7000噸標(biāo)準(zhǔn)煤。按2013年我國(guó)焦炭產(chǎn)量4.76億噸計(jì)算，全部采用上升管高效換熱器技術(shù)，我國(guó)年可節(jié)約能源320萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右，年節(jié)能效益約48億元，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
高爐熔渣余熱回收和資源化利用技術(shù)
技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)外對(duì)高爐熔渣余熱回收和資源化利用技術(shù)開(kāi)展了大量研究，高爐渣水淬—沖渣水余熱利用，高爐渣干式?；酂岚l(fā)電，高爐渣制備水泥填料、礦渣棉及微晶玻璃工藝等成為高爐渣綜合利用的主流技術(shù)路線(xiàn)。但迄今為止，高爐熔渣熱量回收和氣淬成珠技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
工藝系統(tǒng)介紹
熔渣余熱高效回收與生產(chǎn)玻璃微珠工藝流程圖如圖3所示。
圖3 高爐熔渣余熱高效回收與生產(chǎn)玻璃微珠工藝流程圖
具體流程如下：高爐熔渣經(jīng)渣罐倒入中間渣槽，通過(guò)特制氣淬噴嘴粒化成珠，高溫渣珠在氣淬成珠室與空氣完成初步換熱后進(jìn)入高效換熱器。換熱后的高溫氣體經(jīng)管道進(jìn)入高效換熱器，同時(shí)渣珠在高效換熱器中進(jìn)行二次換熱后進(jìn)入微珠儲(chǔ)倉(cāng)，熱氣體和渣珠與鍋爐管中的換熱工質(zhì)換熱后進(jìn)入管道再次循環(huán)。上述工藝針對(duì)高爐煉鐵流程特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高爐熔渣余熱的梯級(jí)利用，同時(shí)生產(chǎn)高附加值的玻璃微珠產(chǎn)品。
高爐熔渣余熱高效回收與生產(chǎn)玻璃微珠技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：
一是提高余熱回收能力。基于熔渣微珠溫度分布特點(diǎn)，換熱設(shè)備設(shè)計(jì)為無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，并采用輻射段與對(duì)流段相結(jié)合的換熱形式，同時(shí)換熱工質(zhì)參數(shù)與微珠參數(shù)相匹配，在保障低成本、低動(dòng)力消耗、高換熱效率和可靠性的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)余熱梯級(jí)高效回收。
二是提高玻璃微珠成珠率。該技術(shù)基于高爐熔渣成分特點(diǎn)，針對(duì)高爐熔渣成分調(diào)整對(duì)氣淬成珠過(guò)程的影響規(guī)律，形成高爐熔渣成分調(diào)整與高效生產(chǎn)高質(zhì)量微珠關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)時(shí)保證玻璃微珠高成珠率。
三是氣淬過(guò)程與余熱提取過(guò)程良好協(xié)同?；跔t熔渣溫度、噴嘴結(jié)構(gòu)型式、氣淬工藝參數(shù)、環(huán)境溫度條件等多因素耦合作用下傳熱及成珠規(guī)律，該技術(shù)解決了當(dāng)前高爐熔渣余熱回收難和熔渣冷卻產(chǎn)物附加值低的行業(yè)難題。
關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題
高爐熔渣余熱高效回收與生產(chǎn)玻璃微珠技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高爐熔渣的能源化與資源化深度利用，具有良好的發(fā)展前景，但就目前來(lái)說(shuō)，仍存在3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題亟須突破。
一是對(duì)高爐熔渣氣淬成珠過(guò)程換熱機(jī)制與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，探索高爐熔渣氣淬成珠過(guò)程的傳熱規(guī)律，基于氣淬過(guò)程與余熱提取過(guò)程，科學(xué)協(xié)同建立高爐熔渣氣淬工藝參數(shù)優(yōu)化模型，形成氣淬過(guò)程高溫余熱提取關(guān)鍵技術(shù)。
二是研發(fā)高爐熔渣余熱高效回收工藝，開(kāi)發(fā)出高效顆粒換熱設(shè)備，對(duì)高爐熔渣余熱高效回收工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，形成高余熱回收率，同時(shí)生產(chǎn)玻璃微珠等建材的新工藝設(shè)計(jì)方法。
三是建設(shè)高爐熔渣余熱高效回收關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)與中試生產(chǎn)線(xiàn)，完成氣淬系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、氣體循環(huán)系統(tǒng)及除塵系統(tǒng)的制造、安裝，進(jìn)行中試實(shí)驗(yàn)。
預(yù)期效果
如果上述關(guān)鍵技術(shù)難題得到解決，就能夠形成高爐熔渣氣淬成珠與余熱回收關(guān)鍵技術(shù)和裝備，為高爐渣熱量回收與高附加值利用提供技術(shù)支撐。按2015年全國(guó)年產(chǎn)高爐渣約2.4億噸計(jì)算，若20%高爐渣利用該課題研究成果，高爐渣熱能回收效率按50%計(jì)，則每年回收高爐渣余熱折合標(biāo)準(zhǔn)煤約120萬(wàn)噸，預(yù)期效益折合人民幣約9億元。同時(shí)，制備的玻璃微珠產(chǎn)量約0.28億噸（成珠率按60%），高爐渣高值資源化利用凈增利潤(rùn)按100元/噸渣計(jì)，預(yù)計(jì)每年可為國(guó)家多創(chuàng)造利潤(rùn)28億元人民幣。項(xiàng)目實(shí)施后，每年可節(jié)約沖渣新水耗量0.28億噸左右。
綜上所述，鋼鐵工業(yè)作為我國(guó)能源消耗大戶(hù)，節(jié)能減排取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但仍有較大的節(jié)能潛力，特別是燒結(jié)、焦化、煉鐵三大工序。通過(guò)對(duì)流程工業(yè)系統(tǒng)的關(guān)鍵工藝重構(gòu)、流程再造、系統(tǒng)耦合及參數(shù)優(yōu)化、關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)，突破存在的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備問(wèn)題，形成流程工業(yè)節(jié)能減排整體解決方案，從而可進(jìn)一步提高鋼鐵工業(yè)的能源利用效率，降低污染物排放，為鋼鐵流程工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)保障。
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