邯宝 360 m2 烧结机烟气循环节能减排改造实践
摘要: 介绍了河钢邯宝炼铁厂 360 m2 烧结机配套烟气选择性循环净化与余热利用系统设计及改造过程，通过配建烟气选择性循环系统，实现了烧结工艺污染物的源头减排和过程控制，在提产的同时实现了超低排放和节能降耗，也为钢铁行业污染物超低排放提供了新的技术路线，将促进钢铁行业烧结烟气节能减排相关技术产业的发展。
关键词: 一拖二模式; 烟气循环; 节能; 减排
于浩平; 王亮; 王岳飞; 姜林 矿业工程2021-12-02
当前大气污染治理受到高度重视，钢铁工业烟气排放标准更加严苛，废气治理力度不断加大，为满足超低排放要求，脱硫、脱硝、二噁英等废气治理设施逐渐普及[1]。烧结工序是钢铁行业的主要废气排放源，其烟气排放量占钢铁生产总排放量 40% 左右，烧结工序能耗占钢铁企业总能耗的 9% ～ 12% ，仅次于炼铁工序[2]。为削减烧结废气排放控制污染及利用烧结烟气的余热，烧结烟气循环技术逐渐兴起。
1 烟气循环利用技术设计背景
烧结烟气治理作为钢铁行业污染物控制的重要内容，河钢邯宝炼铁厂两台 360 m2 烧结机烟气原有处理方式为湿式石灰石 - 石膏法脱硫，脱硫效果不稳定且没有脱硝设施，无法达到环保超低排放要求。2016 年对烧结机烟气处理设施进行了改造，采用逆流式活性炭脱硫脱硝一体化技术，1 #360 m2 烧结机脱硫脱硝装置于 2018 年 2 月建成，投产后烟气能够稳定达到超低排放要求。2 #360 m2 烧结机烟气仍使用原有的湿法脱硫方式，为使 2#360 m2 烧结机烟气尽快达到超低排放并充分利用活性炭脱硫脱硝一体化装置富余能力，2018 年 4 月开始采取 “一拖二”运行模式，即: 一套活性炭脱硫脱硝一体化装置同时处理两台 360 m2 烧结机烟气，运行模式见图 1。在满足超低排放的要求下，受烧结机头烟气 “一拖二”模式处理烟气总量的限制，单台增压风机能处理的最大烟气量为 90 万 Nm3 /min，两台烧结机均达不到满负荷生产，而且烧结机大烟道高温段烟气余热没有利用，活性炭脱硫脱硝系统吸附塔入口烟气温度高，需兑冷风降温造成系统无效风增加。
为达到提产和节能减排要求，2018 年 6 月份开始选用烧结烟气选择性循环净化与余热利用技术，烧结机烟气循环工艺是选择性地将烧结过程排放的部分烟气返回点火炉后的台车上部密封罩中循环使用的一种热风烧结方法。废气中的有害成分再进入烧结层中被热分解或转化，二噁英和 NOx 部分消除，抑制 NOx 的生成; 粉尘和 SOx 被烧结层捕获，减少粉尘、SOx 的排放量; 烟气中的 CO 作为燃料使用，可降低固体燃耗[3]。另外，烟气选择性循环利用技术减少了烟囱排放的烟气量，降低了烟气净化系统的负荷，保证了烧结烟气超低排放达标。
2 烟气循环利用技术实施
2. 1 烧结机烟气特征及风箱取气方案制定
360 m2 烧结机为双烟道设计，主抽风机工况风量 2 × 18 000 m3 /min，共 24 个风箱。2018 年 2 月对烧结机风箱支管开孔取样检测烟气温度、压力、流量及烟气成分等参数见表 1、图 2、图 3。
依托研发单位对 360 m2 烧结机工况条件烧结过程数值模拟及实际情况，确定取风方案:
1) 头段风箱，高氧含量，但为保证微负压点火，风箱风量调节阀为微开或关闭状态，不方便取风; 2) 尾段风箱，高氧含量，低 SO2、温度高，作为主要风箱进行取气; 4# ～ 8# 风箱为低 O2，低温、低 NOx，作为对高温烟气的温度平衡; 3) 头部中段风箱对应的料面无覆盖，可观察烧结料面和点火保温情况; 尾部中段 3 个风箱对应的料面无覆盖，便于补充自然空气对 BTP 位置后的烧结料进行冷却，也便于进行台车更换作业; 尾部风箱对应的料面为机尾密封罩。
最终确定为: 1#机选取低温区头部中段 5 个、高温区尾部中段 4 个，共 9 个风箱进行循环，密封罩覆盖在中段风箱，循环风机功率为 5 000 kW，通过部分开启密封罩顶部冷风阀，可满足含氧量大于 18% 的要求，大烟道烟气温度高于 110 ℃，循环烟气温度 200 ℃ 左右。2 #机选取低温区头部中段 3 个、高温区尾部中段 5 个，共 8 个风箱进行循环，密封罩覆盖在中段风箱; 循环风机功率为 4 000 kW，通过部分开启密封罩顶部冷风阀，可满足含氧量大于 18% 的要求，大烟道烟气温度高于 110 ℃，循环烟气温度 220 ℃左右。在进入密封罩内的烟气含氧量不足 18% 时，优先考虑烟气含氧量，确保烧结工艺不受影响，其次考虑烟气温度。当密封罩内 负 压 增 大、含氧量低于 18% 时，循环系统自动开启密封罩顶部冷风阀兑冷风，直至恢复正常 工 况。利 用 控制系统和风氧平衡编写控制命令，可以实现 自动调节冷风阀的开启关闭来满足循环烟气含氧量的不足。
2. 2 烟气循环关键设备
烧结烟气选择性循环系统主要有风箱支管烟气取气及循环烟道、循环风机、多管除尘器、新风系统、烟气回气及密封烟罩和仪表电气控制系统组成，见图 4。
每个风箱支管都可以在 “循环投运”和 “循环离线”之间切换，便于各台烧结机根据其烟气特性进行生产调控。受厂房位置影响，取气烟道布置在两侧风箱支管一侧，通过翻板阀实现两侧风箱的切换，为防止积料堵翻板，设置了卸灰斗，见图 5。
循环风机: 不仅用于生产，还为烧结循环烟气提供动力，克服烟气在管道输送过程的阻力。多管除尘器: 将烟气中颗粒物控制在合适水平，减少循环风机和后续管路系统的磨损。收集的灰尘通过气力输送设备到配混除尘灰仓中。多管金属旋风除尘器: 利用气流做旋转运动，借助离心力，使烟尘分离。 F = MV2 /R ( 1) 式中: F—离心力; m—质量; V—流速; R—旋风半径。
把许多小直径的陶瓷旋风子并联组合在铁皮箱内，合用一个进风口，灰斗，进风口与出风口用斜隔板阻挡，保证每个旋风子风量均匀。循环烟气罩: 作用是将循环烟气均匀分配到料面上，循环烟气罩为负压吸附式，外观为拱形结构，通过立柱支撑烧结台车上面，比台车栏板高 60 mm，密封为烟气罩与栏板交界处，两端为钢板密封，并前后设有观察门，当烟气循环关闭后，打开观察门取风。
2. 3 烟气循环项目调试过程
工程单台计划建设周期为 180 天，1 #烧结机实际建设用时 5 个月，2 #烧结机实际建设用时 5 个月。烟气循环建成后的调试工作主要分 3 个阶段进行:
第一阶段: 单机冷态调试，烧结机停车对接循环管道，所有设备运转正常。第二阶段: 联机热调试，烧结机开机后循环系统开启，调试设备至运转正常，逐天投运 4、5、6、20、21、22、23、24 号风箱，循环系统连续稳定运行，见图 6。
第二阶段的调试重点是风机匹配，要求主烟道和循环烟道负压匹配，目标是提高循环烟气量，难点是保证烟气罩内负压。烟气罩负压影响因素有: 循环烟气量 ( 风门、转速) 、主抽风量 ( 风门、脱硫) 、床层透气性 ( 料层高度、配比) 等，通过调节这些参数，保证烟气罩内负压，为气体提供穿透床层的动力。通过一步步调试风机已基本匹配，主烟道负压在 - 13 ～ - 15 kPa，循环烟道负压略小于主烟道，且将进一步提高。循环烟道负压主要受风机转速影响，循环风机转数高于 1 240 r /min 可保证管道负压小于 - 13 kPa，具体如图 7 所示。
3 应用效果
3. 1 烟气循环运行参数
从表 2 中可以看出，循环烟气量在 17. 5 ～ 28. 1 万 m3 / h，循环风机转速在 1 256 ～ 1 308 r /min，循环烟温在 216 ～ 231 ℃，烟气罩氧含量大于 17. 3%。
3. 2 提产降耗效果
烟 气 循 环 投 用 后， 烟 气 循 环 率 平 均 为 18. 63% ，循环量为 15. 77 万 Nm3 / h; 总处理风量由 75 万 Nm3 / h 提高到 84. 66 Nm3 / h; 综合上料量从 570 t / h 提高到 606 t / h，烧结矿产量提高了 635 t / d; 烧结燃耗降低 5. 07 kg /t。
3. 3 节能减排效果
烟气循环投用后: 烧结出口污染物减排效果显著，其中烟气中 SO2 浓度减排 1. 3% ，烟气中 NOX 浓 度 减 排 7. 1% ，烟 气 中 CO 浓 度 减 排 23. 26% 。通过该技术的应用，降低了后续污染物控制设施的运行负荷和运行成本，实现节能减排，改善了环境空气质量指标，具有显著的经济、环境和社会效益。
4 技术改进及总结
投用一年后发现室外烟气总管道容易积灰卡料; 风箱支管蝶阀位置容易卡料堵灰; 烟气密封罩内部支撑复杂造成检修更换箅条困难，更换箅条之前需要转车 13 次，严重影响烧结机检修进度。改造前后对比见图 9。
1) 烧结机将水平取气支管改为倾斜向上，在取气主管上容易集料部位设置散料收集漏斗，同 时通过优化程序，设置阀门开启时序，定时轮换阀门开闭，防止阀门长期关闭状态下积料卡阻。检修过程中，定期清理阀门阀板周围积料，避免余料积累卡阻阀板。
2) 针对室外总烟气管道大面积积灰问题，在之前 5 个卸灰斗的基础上，再在管道末端 ( 高温区风箱) 每个支管对应烟道下方新增 3 个灰斗，设置卸灰阀按时序开关放料，减少管道积灰，见图 10。
3) 针对烟气密封罩内部支撑复杂，检修更换箅条困难问题，通过大修改变内支撑式烟气密封罩改为外筋板式烟气烟气密封罩结构，既简化了结构，又可方便检修作业。另外在烟气循环罩内部两侧加挂钩，通过导链拆栏板，减少转台车次数，以免影响其他检修项目，见图 11。
5 结语
当下环保要求越来越严格，烧结烟气循环利用作为一项有效治理烟气的技术，在烧结工序生产中逐步得到推广应用。邯宝炼铁厂 360 m2 烧结通过采用烟气选择性循环节能减排技术，可实现烟气循环率达到 25. 88% ，日产烧结矿提高 623 t，烧结固体燃耗降低了 5. 07 kg /t。有效利用了烧结机部分废气。烧结外排总烟气量、CO 外排总量、 NOx 外排总量明显降低，烧结吨矿固体燃料消耗降低，烧结矿转鼓系数、含硫量等理化指标稳定。同时，送入后续烟气治理工序烟气中的 SOx、NOx 等得到有效富集，也提高了烟气治理工序的脱除效率。通过该技术的应用，降低了后续污染物控制设施的运行负荷和运行成本，实现节能减排，改善了环境空气质量指标，具有显著的经济、环境和社会效益。烧结机大烟道高温段烟气余热得到充分利用，并且实现了烧结工艺污染物的源头减排和过程控制，为钢铁行业污染物超低排放提供了新的技术路线，将促进钢铁行业烧结烟气节能减排相关技术产业的发展[4]。