耿敬濤  徐俊杰  龐國朝 

(邯鄲鋼鐵集團(tuán)煉鐵部)

摘  要  為了對燒結(jié)礦熱量充分利用，對燒結(jié)礦環(huán)冷風(fēng)機(jī)的運(yùn)行或建設(shè)臺數(shù)進(jìn)行能效、設(shè)備投資、運(yùn)行成本和對生產(chǎn)影響進(jìn)行了計算和分析，得出停1臺燒結(jié)環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)，可實現(xiàn)燒結(jié)節(jié)電和高爐TRT多發(fā)電的目的。

關(guān)鍵詞  熱裝  高爐  燒結(jié)礦  節(jié)電  發(fā)電

1 前言

熱燒結(jié)礦由燒結(jié)機(jī)的臺車進(jìn)入到燒結(jié)環(huán)冷機(jī)，開始進(jìn)行冷卻。目前燒結(jié)環(huán)冷一般設(shè)5臺環(huán)冷風(fēng)機(jī)對熱燒結(jié)礦進(jìn)行冷卻，其中前兩臺1#、2#環(huán)冷風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)高溫段燒結(jié)礦冷卻，冷卻后產(chǎn)生的熱煙氣進(jìn)行余熱發(fā)電，后三臺3#、4#、5#環(huán)冷風(fēng)機(jī)對中、低溫段的燒結(jié)礦進(jìn)行冷卻，由于冷卻后煙氣溫度較低，目前尚未利用。冷卻后出環(huán)冷機(jī)的燒結(jié)礦料溫60℃，經(jīng)篩分后由皮帶運(yùn)輸至高爐料倉，再經(jīng)槽下過篩、稱量，通過皮帶輸送到高爐爐頂料罐裝入高爐?？紤]燒結(jié)礦熱量的充分利用和高效的節(jié)能，如何在不影響生產(chǎn)運(yùn)行和設(shè)備壽命，提高高爐燒結(jié)礦入爐溫度，以達(dá)到高爐TRT高效發(fā)電。如果能實現(xiàn)燒結(jié)礦的熱送熱裝，對現(xiàn)有運(yùn)行、搬遷和新建鋼鐵企業(yè)意義重大，就燒結(jié)環(huán)冷風(fēng)機(jī)的建設(shè)臺數(shù)對設(shè)備投資、高爐爐況、燒結(jié)節(jié)電、高爐TRT發(fā)電的影響進(jìn)了理論計算和論證，得出熱送熱裝的初步可行得方案，并在邯鋼老區(qū)實施。

2  存在問題

燒結(jié)礦熱送熱裝的實現(xiàn)必須考慮國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、安全性、熱礦入爐后對高爐爐況的影響，燒結(jié)礦從環(huán)冷機(jī)出料的溫度必須在一定的范圍內(nèi)才可以下的問題。

（1）國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

①鋼鐵冶金企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)（GB50414-2018），第6.5燒結(jié)和球團(tuán)章節(jié)，第6.5.1 2中“燒結(jié)礦冷卻后平均溫度應(yīng)小于120℃”[1]。

②中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)廠設(shè)計規(guī)范（GB50408-2015）第5.6燒結(jié)礦冷卻，第5.6.7中“冷卻機(jī)卸出的燒結(jié)礦平均溫度應(yīng)小于150℃”[2]。

綜上兩條規(guī)范在進(jìn)行熱裝熱送方案制定時燒結(jié)礦的出料溫度必須小于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求的120℃，同時針對鋼鐵企業(yè)大量惡性傷亡事故，國家制定了相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行多次修訂，事故率明顯下降。

（2）安全問題

近些年鋼鐵企業(yè)燒結(jié)、高爐皮帶送料系統(tǒng)的爆炸、著火等惡性事故時有發(fā)生，很多都為紅料或溫度較高的原燃料進(jìn)入皮帶送料系統(tǒng)引起的，因此采用熱送熱裝后需提高通廊密封、防火等級和更嚴(yán)格的安全管理。

（3）對高爐爐況影響

①根據(jù)相關(guān)研究和生產(chǎn)實踐，燒結(jié)礦沒有經(jīng)過有效的冷卻處理，相對于冷卻后的燒結(jié)礦其轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度大大降低，進(jìn)入高爐后低溫還原粉化率大幅度增加，惡化了高爐料柱的透氣性，增加了高爐的操作難度，不利于高爐強(qiáng)化冶煉，高爐的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下降，甚至影響高爐的順行[3]。大量資料表明，燒結(jié)礦低溫還原粉化率升高5%，燃料比增加1.5%，產(chǎn)量下降1.5%[4][5]。

②20世紀(jì)末期，我國曾經(jīng)掀起高爐料熱送、熱裝的熱潮。當(dāng)時全國小高爐的普遍狀態(tài)是能耗有所下降、穩(wěn)定性有所改善，但與現(xiàn)階段高爐比能耗高、頂溫高、頂壓低、產(chǎn)量低、高爐爐況穩(wěn)定性差，并且運(yùn)行一段時間之后，由于上部爐內(nèi)爐墻溫度僅90℃左右，爐料溫度卻很高，高爐頻繁出現(xiàn)中上部惡性結(jié)瘤，一年結(jié)瘤很多次，處理十分困難，出現(xiàn)了炸瘤、炮手等時代“產(chǎn)物”，給企業(yè)帶來巨大損失。

3  熱送熱裝方案對比

3.1  燒結(jié)終點料溫模型

為保證燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱發(fā)電，1#、2#風(fēng)機(jī)不停；3#、4#、5#風(fēng)機(jī)停機(jī)的模式，影響著環(huán)冷機(jī)燒結(jié)礦的出料溫度，因此對燒結(jié)機(jī)機(jī)尾終點燒結(jié)礦料層溫度分布進(jìn)行設(shè)定模型。

（1）假定條件：料層厚度800mm，沿料層高度方向分為七層（七個單元），每層114mm，如圖1所示；

（2）燒結(jié)機(jī)機(jī)尾終點料層料溫模型[6]（進(jìn)環(huán)冷機(jī)前溫度）。

第一單元：150℃；第二單元：200℃；第三單元：300℃；第四單元：450℃；第五單元：700℃；第六單元：1000℃；第七單元：1300℃；七個單元溫度加權(quán)平均585℃。環(huán)冷機(jī)出料溫度60℃，每臺鼓風(fēng)機(jī)平均冷卻溫度：（585-60）/5=105℃。

（3）五臺鼓風(fēng)機(jī)開停對出礦料溫的影響：正常生產(chǎn)時，環(huán)冷機(jī)出礦溫度按60℃計算；停1臺環(huán)冷風(fēng)機(jī)礦溫：100℃，鼓風(fēng)機(jī)全開時有富余量；停2臺環(huán)冷風(fēng)機(jī)礦溫：205℃；停3臺環(huán)冷風(fēng)機(jī)礦溫：310℃，見表1。

式中：

進(jìn)入高爐爐頂燒結(jié)礦溫升——燒結(jié)礦從環(huán)冷機(jī)出料時溫升減掉運(yùn)輸途中溫度損失后到高爐爐頂后溫升；

噸鐵入爐燒結(jié)礦（kg）——按燒結(jié)礦配比60%，噸鐵入爐燒結(jié)礦為1000kg；

燒結(jié)礦、高爐煤氣比熱容kJ/（kg·℃）——按燒結(jié)礦、高爐煤氣在200℃左右時比熱容0.71、1.427計算；

噸鐵爐頂煤氣量——按噸鐵高爐爐頂煤氣發(fā)生量1520m3計算。

3.2  能效對比

從環(huán)冷風(fēng)機(jī)停0臺、1臺、2臺、3臺時燒結(jié)機(jī)節(jié)電、高爐TRT發(fā)電方面對能效進(jìn)行對比，其中不考慮對設(shè)備和生產(chǎn)所造成的影響。燒結(jié)機(jī)按邯鋼老區(qū)現(xiàn)運(yùn)行燒結(jié)環(huán)冷風(fēng)機(jī)用電量進(jìn)行擬建2臺400m2級以上燒結(jié)機(jī)的節(jié)電核算、高爐按照邯鋼退城擬建兩座3200m3級高爐所產(chǎn)生的煤氣進(jìn)行TRT發(fā)電核算。

3.2.1  燒結(jié)停風(fēng)機(jī)節(jié)電對比

邯鋼現(xiàn)運(yùn)行的每臺1000kW環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)，其電機(jī)正常運(yùn)行電流在40A左右，電壓10kV。按燒結(jié)機(jī)年作業(yè)率92%，年作業(yè)時間336天進(jìn)行核算。

（1）日節(jié)電量：

停1臺風(fēng)機(jī)日節(jié)電量：10kV×40A×1.732×0.82（功率因數(shù)）×24小時=13634度；

停2臺風(fēng)機(jī)年節(jié)電量：13634度×336天×2=916萬度。

（2）年節(jié)電效益：

停1臺風(fēng)機(jī)節(jié)電創(chuàng)效：0.55元/度×916萬度=504萬元；

停2臺風(fēng)機(jī)節(jié)電創(chuàng)效：504萬元×2=1008萬元；

停3臺風(fēng)機(jī)節(jié)電創(chuàng)效：504萬元×3=1512萬元。

3.2.2  高爐TRT發(fā)電增量對比

邯鋼老區(qū)3200m3高爐配備1臺2.5萬的發(fā)電機(jī)組，TRT發(fā)電機(jī)組入口煤氣溫度升高1℃，每小時發(fā)電提高約40-80度電，按每小時穩(wěn)定達(dá)到70度電計算。

△Q=Q×t×△T

式中△Q——年增加的發(fā)電量，度；

Q——小時提高發(fā)電量，度；

t——年運(yùn)行時間350天計算，小時；

△T——TRT入口煤氣溫升，℃，按表1中考慮高爐煤氣溫升到TRT入口溫度損失后的溫度計算。

停燒結(jié)環(huán)冷風(fēng)機(jī)高爐TRT發(fā)電增加的效益，按兩座3200m3級高爐、電費0.55元/度進(jìn)行計算：

（1）停1臺環(huán)冷風(fēng)機(jī)高爐TRT發(fā)電增加的效益

2×70×350×24×8.4×0.55度/元 =985萬度×0.55度/元

=542萬元

（2）停2臺環(huán)冷風(fēng)機(jī)高爐TRT發(fā)電增加的效益

2×70×350×24×28.4×0.55度/元=3335萬度×0.55度/元

=1834萬元

（3）停3臺環(huán)冷風(fēng)機(jī)高爐TRT發(fā)電增加的效益

2×70×350×24×40.1×0.55度/元=4716萬度×0.55度/元

=2594萬元

燒結(jié)環(huán)冷風(fēng)機(jī)停機(jī)單純從節(jié)電和高爐發(fā)電考慮，停機(jī)越多節(jié)電越多，呈線性關(guān)系；高爐TRT發(fā)電效益越可觀，非線性關(guān)系。但是停2臺及以上風(fēng)機(jī)時必須考慮國標(biāo)和因溫度高爐設(shè)備改型的投資、對高爐冶煉、TRT運(yùn)行的影響。

3.3  對高爐能耗的影響分析

（1）高爐熱平衡

高爐總的熱量收入為4.96×106kJ/t，其中爐料帶入的顯熱為0.01×106kJ/t，占總的熱量收入的0.2%，對高爐總的熱平衡影響很小[8]。

（2）高爐內(nèi)熱交換

根據(jù)高爐內(nèi)溫度場分布和熱交換的基本原理[7]，高爐冶煉屬于典型的逆流反應(yīng)模式，熱交換自下而上劃分為三個階段，始終是煤氣向爐料傳熱的過程。高爐下部為高溫區(qū)，爐料的物理化學(xué)反應(yīng)大幅度吸收風(fēng)口燃燒產(chǎn)生的高溫煤氣熱量，煤氣溫度下降較快（溫度場區(qū)間2200℃→1100℃）；高爐中部為中溫區(qū)，熱交換基本停止（溫度場區(qū)間1100℃→800℃）；高爐上部低溫區(qū)，進(jìn)入低溫區(qū)的煤氣溫度最低也>800℃，并且固態(tài)爐料水當(dāng)量和煤氣水當(dāng)量的熱流比很小，煤氣可將爐料輕易的快速加熱提溫后，仍有大量富余熱量未被吸收而排出爐外（排出煤氣溫度150℃左右）。因此，燒結(jié)礦料溫升不能被高爐冶煉內(nèi)部進(jìn)程有效利用，本質(zhì)造成高爐能效利用率的降低，對高爐燃料比下降沒有積極意義。相關(guān)論文[8]顯示，高爐熱裝后高爐自身冶煉過程的綜合能耗增加、熱效率降低。

在3.2中計算爐頂煤氣溫升用于TRT發(fā)電創(chuàng)效時，即假定熱裝后物料增加的熱量100%等于煤氣流多帶出的熱量，不考慮熱損失，全部用于提高頂溫。如考慮高爐吸收部分物料熱量，則高爐頂溫升高量就會下降，造成能效重復(fù)計算。

3.4  熱送熱裝的建設(shè)和運(yùn)行對比分析

通過上述的比較和計算見表1，停1臺燒結(jié)環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)，其出料溫度可以滿足要求，設(shè)備、高爐運(yùn)行不受影響；而停2臺、3臺環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)后，燒結(jié)礦的出料溫度超過200℃，到高爐爐頂燒結(jié)礦溫度接近200℃，這對燒結(jié)輸送設(shè)備和高爐輸送、爐頂設(shè)備影響較大，導(dǎo)致設(shè)備壽命縮短，檢修周期縮短；由于國內(nèi)最好的皮帶耐受溫度175℃，短時最高250℃，皮帶由兩年換1次變?yōu)橐荒険Q2次；國內(nèi)最好的爐頂下密膠圈耐受溫度為180℃；高爐氣密箱溫度要求≤50℃，頂溫長期過高，即便通過加大水冷氮冷投入，也很難保證溫度要求，近幾年邯鋼高爐也多次出現(xiàn)因頂溫高、氣密箱運(yùn)行不正常影響布料的問題；設(shè)備原件長期高溫運(yùn)行，高爐檢修由2次/年變?yōu)?次/年。因此為盡可能的消除高溫料帶來的影響，設(shè)備選型將使用耐高溫防火等設(shè)備，同時在安全方面都必須提高等級，投資和運(yùn)行費用將會加大。

3.4.1  燒結(jié)區(qū)域建設(shè)和運(yùn)行

（1）燒結(jié)區(qū)域設(shè)備投資增加

①燒結(jié)皮帶機(jī)

成品礦、鋪底料皮帶機(jī)全部更換耐高溫皮帶（耐180℃），其價格是普通皮帶的1.6倍。投資約增加131.9萬元（篩分皮帶總長度共計約1531*2m）。

②燒結(jié)篩分設(shè)備

振動篩篩板及內(nèi)部結(jié)構(gòu)需改為耐高溫不銹鋼篩板，投資增加約825萬元。

③燒結(jié)除塵設(shè)備

成品皮帶機(jī)全密封并增設(shè)除塵罩，投資增加約310萬元。除塵器風(fēng)量增加約630000Nm3/h，還需新建一臺除塵器或原除塵器進(jìn)行擴(kuò)容，投資增加約460萬元；整粒布袋除塵需采用耐高溫布袋，耐高溫布袋價格是普通布袋價格的3.5倍。兩臺燒結(jié)機(jī)共增加投資約233.5萬元（170元/條上升至600元/條，兩臺除塵器共5432條）。

④燒結(jié)電器設(shè)備

成品系統(tǒng)電纜需使用耐高溫電纜，較普通電纜成本升高75%，成品系統(tǒng)電纜投資約158萬元，需新增加投資118萬元。

停2臺、3臺燒結(jié)環(huán)冷風(fēng)機(jī)后需要對燒結(jié)區(qū)域的設(shè)備進(jìn)行改型，增加設(shè)備投資，合計約2078.4萬元。

（2）燒結(jié)區(qū)域運(yùn)行維護(hù)費用增加

①潤滑脂由鋰基脂改為耐高溫潤滑脂，約增加成本36.2萬元/年。

②篩板4個月更換一次，篩板材質(zhì)改為耐熱耐磨不銹鋼，約增加成本90萬元/年。

③板式給礦機(jī)鏈板鏈條需換為耐熱耐磨鋼，增加成本15萬/年。

④26條皮帶滾筒每年更換一次，增加成本104萬/年。

⑤每年輸送帶更換費用增加225.5萬元。

停2臺、3臺燒結(jié)環(huán)冷風(fēng)機(jī)后燒結(jié)區(qū)域的設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)增加，合計增加約470.7萬元。

3.4.2  高爐區(qū)域建設(shè)和運(yùn)行

（1）高爐區(qū)域設(shè)備投資增加

停2臺或3臺燒結(jié)環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)后高爐區(qū)域需要使用耐高溫材質(zhì)的設(shè)備及物料，主要包括膠帶機(jī)皮帶采用耐高溫皮帶、礦石倉采用耐高溫混凝土澆筑、槽下閘門給料機(jī)、振動篩設(shè)備部分需改用不銹鋼材質(zhì)、除塵器需采用耐高溫布袋等。設(shè)備投資增加了1557萬元，見表2。

（2）高爐區(qū)域運(yùn)行費用增加

停2臺或3臺燒結(jié)環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)后高爐區(qū)域高爐檢修周期由2次/年，變?yōu)?次/年，年運(yùn)行成本變化見表3，運(yùn)行費用增加4054萬元。

綜上所述停2臺或3臺燒結(jié)環(huán)冷風(fēng)機(jī)后燒結(jié)和高爐區(qū)域設(shè)備費用和運(yùn)行成本將會大大增加，見表4，其中設(shè)備選型變化，導(dǎo)致一次投資增加了約3635.4萬元；由于設(shè)備壽命周期縮短，檢修周期縮短，年運(yùn)行成本增加約4524.7萬元。

4  結(jié)論

綜上分析，停2臺或3臺環(huán)鼓冷風(fēng)機(jī)的燒結(jié)熱送熱裝方案從能效和投資運(yùn)行成本綜合分析來看得不償失，同時也不符合國家設(shè)計規(guī)范。停一臺燒結(jié)環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)，可實現(xiàn)既不增加投資又可創(chuàng)造燒結(jié)節(jié)電和增加高爐發(fā)電效益的目的，針對現(xiàn)有鋼鐵企業(yè)運(yùn)行、新建或搬遷鋼鐵企業(yè)提供一條降本增效、節(jié)省投資的思路。

5  參考文獻(xiàn)

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