(1.四川川鍋鍋爐有限責(zé)任公司，四川 成都 610400

2.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系 ，北京 100084

3. 磐石建龍鋼鐵有限責(zé)任公司，吉林 磐石 132300 )

摘要：本文介紹了我國(guó)目前中高溫球團(tuán)顯熱余熱回收的三種方式，并通過(guò)對(duì)比三種方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及其余熱利用等情況，研發(fā)出了高、中溫球團(tuán)礦冷卻及顯熱余熱回收一體化耦合裝置，本裝置采用的是固固換熱技術(shù)。分析了其余熱價(jià)值及效益預(yù)期。經(jīng)計(jì)算可降低其工序能耗7.55kgce/t~10.65 kgce/t，降低球團(tuán)生產(chǎn)成本約9.06~12.78 元/噸，并對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：球團(tuán)；豎爐；固固換熱；一體化耦合；移動(dòng)填充床

1  前 言

能源可持續(xù)利用對(duì)人類(lèi)的生存和發(fā)展關(guān)系重大，是世界上各國(guó)面臨的最重要 的社會(huì)問(wèn)題之一。我國(guó)工業(yè)能源消耗占全國(guó)能源總量的 66%，而工業(yè)領(lǐng)域的能源 消費(fèi)中很大的比例是由冶金、電力、化工等高溫工業(yè)消費(fèi)。這些相關(guān)高能耗行業(yè) 的生成中均直接或間接涉及到大量的高溫固體物料的處理過(guò)程，這些高溫固體處 理工序均有巨大的余熱回收利用潛力，但目前冶金行業(yè)高溫固體散料余熱的回收 利用技術(shù)普及程度尚存在提升空間。高溫余熱回收是降低發(fā)電設(shè)備能源消耗的重 要方向之一，包括煙氣、蒸氣、球團(tuán)礦、燒結(jié)礦、鋼渣、高爐渣等余熱回收。《高 耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級(jí)實(shí)施指南》要求： 到 2025 年，鋼鐵行業(yè)煉 鐵、煉鋼工序能效 標(biāo)桿水平 以上產(chǎn)能比例達(dá)到 30%；同時(shí)對(duì)鋼鐵行業(yè)余熱余 能高效回收利用提出了更高的要求。高溫氣體的余熱回收在火電行業(yè)應(yīng)用廣泛、 技術(shù)較成熟，但高溫球團(tuán)礦、燒結(jié)礦、鋼渣、高爐渣等冶金固體散料的余熱回收 利用技術(shù)應(yīng)用情況欠佳。我國(guó)的節(jié)能減排工作依然面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，在未來(lái) 20 年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中我國(guó)仍應(yīng)堅(jiān)持節(jié)能優(yōu)先的戰(zhàn)略。

在工業(yè)生產(chǎn)中，固體產(chǎn)品及廢渣等余熱量很高。但大部分未回收，少量回收 也主要采用氣體作為冷卻介質(zhì)，通過(guò)高溫物料→空氣、熱空氣→鍋爐受熱面的兩 次換熱，從而在傳熱和流動(dòng)原理上存在弊端。一方面，增加了整個(gè)流程的不可逆 損失，降低了熱量的品位；另一方面，由于空氣的強(qiáng)制流動(dòng)增加了系統(tǒng)的電耗。 同時(shí)，還存在漏風(fēng)率高和高溫氣體中粉塵含量高的問(wèn)題。且對(duì)一些可與空氣中某 些成分發(fā)生反應(yīng)的物料以及細(xì)的粉料，則該技術(shù)不適用；而近年來(lái)新興的豎冷窯 冷卻設(shè)備，雖然解決了漏風(fēng)問(wèn)題，但同樣因受能耗高、冷卻不均等因素的制約未 得到推廣。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)冶金行業(yè)豎爐球團(tuán)產(chǎn)量約 0.8 億噸/年、燒結(jié)礦產(chǎn)量 10 億噸/ 年，粉煤熱解蘭炭需求量約 1 億噸/年，可回收利用的余熱接近 2200 萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn) 煤；這些數(shù)量巨大的高溫固體散料余熱資源的高效回收利用，對(duì)于冶金等行業(yè)實(shí) 現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的意義重大。

2  豎爐球團(tuán)工藝概述

項(xiàng)目生產(chǎn)工藝為：配料烘干、混合、潤(rùn)磨造球篩分豎爐焙燒、冷卻成品篩分、儲(chǔ)存。鐵精礦與膨潤(rùn)土混合配料后經(jīng)膠帶輸送機(jī)運(yùn)至烘干車(chē)間，在圓筒烘干機(jī)內(nèi)對(duì)混合料進(jìn)行烘干混勻。再至潤(rùn)磨車(chē)間，以保證造球前的混合料粒度均勻?；靹蚝蟮幕旌狭纤腿朐烨蜍?chē)間的料倉(cāng)，經(jīng)由圓盤(pán)給料機(jī)進(jìn)入圓盤(pán)造球機(jī)。從圓盤(pán)造球機(jī)出來(lái)的生球進(jìn)入輥式篩分機(jī)，將小于6mm和大于20mm的不合格生球篩除后，經(jīng)膠帶運(yùn)輸機(jī)送至造球室的混合料斗重新造球，篩分后的6mm至20mm的合格生球進(jìn)入下一道工序的豎爐本體。爐體排出的熱球，經(jīng)帶冷篩分后運(yùn)至成品堆場(chǎng)。

其中矩形豎爐工藝分為布料、干燥、預(yù)熱、焙燒、均熱和冷卻這樣幾個(gè)過(guò)程。來(lái)自篩分車(chē)間的合格生球經(jīng)爐頂布料設(shè)備將生球裝入爐內(nèi)，球以均勻速度連續(xù)下降，燃燒室的熱氣體從噴火口進(jìn)入爐內(nèi)，熱氣體（自下而上）和生球（自上而下）進(jìn)行熱交換。生球首先在豎爐上經(jīng)過(guò)干燥脫水、預(yù)熱氧化；然后進(jìn)入焙燒帶，在焙燒帶進(jìn)行高溫固結(jié)反應(yīng)；經(jīng)過(guò)均熱帶，完成全部固結(jié)過(guò)程；焙燒好的氧化球團(tuán)經(jīng)過(guò)在爐子的下部的冷卻帶進(jìn)行冷卻，然后從排料口排出，并通過(guò)帶式冷卻機(jī)在爐外將球團(tuán)礦冷卻到100℃以下。

2.1 豎爐球團(tuán)生產(chǎn)冷卻方式

隨著我國(guó)煉鐵工業(yè)逐漸以高堿度燒結(jié)礦合理配用酸性球團(tuán)礦成為主要形式的高爐爐料結(jié)構(gòu)的確立，尤其是現(xiàn)代煉鐵工藝對(duì)原料的苛刻要求，促使球團(tuán)礦成為高爐爐料的重要組成部分。

高溫氧化球團(tuán)工藝按焙燒設(shè)備不同，可分為：鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)法、帶式機(jī)球團(tuán)法和豎爐球團(tuán)法三種。其中球團(tuán)礦的冷卻是豎爐生產(chǎn)工藝中比較重要的環(huán)節(jié)之一。一般情況下，通過(guò)豎爐焙燒帶和均熱帶到達(dá)冷卻帶的球團(tuán)溫度在1000℃以上，經(jīng)爐內(nèi)一次冷卻后豎爐排出的球團(tuán)礦溫度仍高達(dá)600~800℃，一次冷卻很難將熾熱球團(tuán)冷卻至150℃以下。但球團(tuán)礦除滿(mǎn)足高爐入爐要求外，需要保護(hù)與延長(zhǎng)其運(yùn)輸和儲(chǔ)存設(shè)備的使用壽命，防止高溫球燒損皮帶。多數(shù)廠采取打水冷卻的方式，這樣雖可達(dá)到冷卻的目的，但球團(tuán)礦因極熱極冷而使強(qiáng)度下降，以致高爐各項(xiàng)指標(biāo)降低。單純依靠爐內(nèi)一次冷卻不能從根本上解決排礦溫度過(guò)高的問(wèn)題，因此，需對(duì)球團(tuán)礦繼續(xù)進(jìn)行二次冷卻。

2.2 余熱回收方式對(duì)比

目前，球團(tuán)環(huán)冷機(jī)其最大弊端就是中低溫段余熱不能有效利用，國(guó)內(nèi)常規(guī)球團(tuán)冷卻方式均存在冷卻效果差、設(shè)備笨重、投資大、設(shè)備配 件較多維修工作量、維護(hù)費(fèi)用高、電耗高且環(huán)保問(wèn) 題無(wú)法解決等問(wèn)題，運(yùn)輸過(guò)程中球團(tuán)礦灑落嚴(yán)重， 而且由于冷卻設(shè)備漏風(fēng)率高，排放的熱廢氣溫度 低、風(fēng)量小，嚴(yán)重制約了該部分余熱回收的利用。 這部分中低溫段余熱直接放散既污染環(huán)境又浪費(fèi)能源，若如能對(duì)該部分球團(tuán)顯熱進(jìn)行回收利用，對(duì)球團(tuán)生產(chǎn)節(jié)能具有重要意義。

（1）目前，球團(tuán)/燒結(jié)礦顯熱回收主要采用環(huán)冷回收工藝。工藝路線：風(fēng)冷+余熱回收。由于應(yīng)用空氣作為中間介質(zhì)，被加熱的空氣通過(guò)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，其余熱回收效率低，漏風(fēng)率較高、熱空氣溫度低、粉塵排放量大、系統(tǒng)自用能耗高。

（2）近年來(lái)，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)了豎冷爐余熱回收工藝。工藝路線：風(fēng)冷+余熱回收。相比于環(huán)冷機(jī)，豎冷爐具有漏風(fēng)率較低、熱空氣溫度高、粉塵排放量少等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于空氣在豎冷爐內(nèi)的換熱過(guò)程中，要穿過(guò)厚密的物料層，因此空氣的流動(dòng)阻力很大，進(jìn)而帶來(lái)了系統(tǒng)自用電耗極高，達(dá)到了發(fā)電量的30~40%。

（3）固體散料余熱直接回收技術(shù)，工藝路線：無(wú)需引入中間介質(zhì)，直接余熱回收。不引入二次換熱介質(zhì)，其換熱效率及回收效率大大高，更清潔、更環(huán)保。

如下表所示。固體散料余熱直接高效回收技術(shù)，具有效率高、自耗電低、更清潔、環(huán)保，應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，具有很強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力！同時(shí)，該技術(shù)應(yīng)用在豎爐球團(tuán)項(xiàng)目上，解決了豎爐球團(tuán)原帶冷機(jī)冷卻工藝存在“大量顯熱未回收”“冷卻不充分仍需打水，污染環(huán)境”“冷卻過(guò)程煙塵量大”“自耗電高”等問(wèn)題，且具有噸礦凈發(fā)電量高，排礦溫度低（＜140℃）等優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)高溫球團(tuán)冷卻過(guò)程的低碳、節(jié)能、環(huán)保。同時(shí)，由于采用固固換熱慢冷工藝，成品球團(tuán)礦的各項(xiàng)物性指標(biāo)（返礦率、抗壓強(qiáng)度等）均有一定程度的提高。

表1 高溫球團(tuán)（450～550℃）固體散料余熱回收技術(shù)對(duì)比

綜上技術(shù)對(duì)比結(jié)果：余熱回收率提升20%～30%，系統(tǒng)自耗電率降低20%以上，噸礦凈發(fā)電量能提升30%以上。

相比帶/環(huán)冷及燒結(jié)豎冷窯，新型高溫冶金固體散料余熱高效回收技術(shù)不僅使系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單，自耗電大大降低；同時(shí)，能得到高品位的蒸汽，大大提高了高溫物料的顯熱回收效率。

 2022 年5月，由四川川鍋鍋爐有限責(zé)任公司聯(lián)合國(guó)內(nèi)高校設(shè)計(jì)的吉林某企業(yè)豎爐球團(tuán)固固直接余熱回收工程正式投產(chǎn)運(yùn)行，采用新型高溫冶金固體散料余熱高效回收技術(shù)，連續(xù)運(yùn)行至今。期間，鍋爐運(yùn)行平穩(wěn)，入爐料溫和主蒸汽溫度，無(wú)明顯波動(dòng)。

入爐球團(tuán)溫度509℃時(shí)，噸礦凈發(fā)電量可達(dá)16kWh/t，余熱利用率81%，系統(tǒng)自耗電量小于10%。

從2022年5月穩(wěn)定運(yùn)行至今，各項(xiàng)指標(biāo)均有大幅度改善，具體如下：

（1）、多發(fā)電：該技術(shù)裝備投用后由過(guò)去的余熱直接外排無(wú)回收蒸汽，提升到新增蒸汽180.9噸/日 ，日新增蒸汽發(fā)電量3.29萬(wàn)kwh。

（2）、少用電：投用前原帶冷機(jī)鼓風(fēng)冷卻日用電量3625kwh，投用后球團(tuán)礦余熱直接回收裝備日用電量2739.6kwh，降低885.4kwh；

（3）、降工序能耗：裝置投用后可降低工序能耗7.55kgce/t，豎爐球團(tuán)工序能耗19.75kgce/t降低至12.2kgce/t。達(dá)到粗鋼生產(chǎn)主要工序單位產(chǎn)品能源消耗限額標(biāo)準(zhǔn)（GB21256-2013）的先進(jìn)值（15kgce/t）。

（4）、球團(tuán)礦質(zhì)量：

由于新型高溫冶金固體散料余熱高效回收技術(shù)為緩冷工藝，經(jīng)過(guò)該裝置冷卻后，球團(tuán)的碎球率、返礦率、轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、抗壓強(qiáng)度等較傳統(tǒng)帶冷工藝均有所改善。

（5）排礦溫度：投用前球團(tuán)礦排礦溫度350℃，投用后排礦溫度＜120℃，成品皮帶使用壽命大大提升（無(wú)過(guò)熱起泡老化等），可有效降低成品皮帶費(fèi)用。

圖1 球團(tuán)礦產(chǎn)品

（6）現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境：投用前高溫球團(tuán)礦通過(guò)帶冷機(jī)鼓風(fēng)冷卻，設(shè)備漏風(fēng)率高，球團(tuán)礦冷卻效果差，被迫打水冷卻，煙塵量大造成環(huán)保壓力大。投用后高溫球團(tuán)礦在封閉的固固換熱器內(nèi)完成冷卻，無(wú)需引入中間換熱介質(zhì)，冷卻效果好，球團(tuán)礦杜絕了打水冷卻，環(huán)境改善明顯。

同時(shí)對(duì)于行業(yè)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)首例不通過(guò)空氣為媒介對(duì)固態(tài)塊狀物料顯熱進(jìn)行回收，改善球團(tuán)礦冶金性能，實(shí)現(xiàn)固態(tài)物料顯熱回收，綠色環(huán)保。在行業(yè)內(nèi)部具有較高的推廣價(jià)值，有效降低行業(yè)球團(tuán)礦生產(chǎn)的能源消耗。

3. 高溫冶金固體散料余熱高效回收技術(shù)特點(diǎn)

3.1 技術(shù)特點(diǎn)

針對(duì)傳統(tǒng)高溫固體散料余熱回收工藝存在：余熱取熱困難、余熱回收效率低、余熱品位低下、余熱回收電耗高等問(wèn)題，新型冶金固體散料余熱直接高效回收裝置是在不引入中間換熱介質(zhì)的情況下，在高溫物料出口端設(shè)置一套高溫固體物料余熱直接回收鍋爐裝置，高溫固體散料由該固固換熱鍋爐頂部物料入口進(jìn)入，利用自身重力向下緩慢流動(dòng)，通過(guò)移動(dòng)填充床固體換熱方式，鍋爐受熱面管束將高溫顆粒降溫過(guò)程中釋放的熱量直接吸收轉(zhuǎn)變成過(guò)熱蒸汽。該系統(tǒng)完全摒棄了傳統(tǒng)的帶冷機(jī)空氣兩次換熱才能轉(zhuǎn)化為蒸汽這種不可逆損失大的方 式，大大提高顯熱回收效率，余熱回收所產(chǎn)生的高品質(zhì)過(guò)熱蒸汽可用于汽輪機(jī) 發(fā)電或其他供熱，系統(tǒng)自耗電低，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生二次污染。

3.2 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）揭示了基于接觸導(dǎo)熱、氣膜對(duì)流傳熱和輻射換熱耦合的固體直接換熱的機(jī)理， 提出了實(shí)現(xiàn)高溫固體散料與管壁的高效換熱方法，開(kāi)發(fā)了適用于固體散料余熱直接回收的 余熱回收裝置受熱面結(jié)構(gòu)，研制了高溫固體散料冷卻與余熱回收一體化耦合技術(shù)裝置，余 熱回收率達(dá)到 80%以上。 （2）揭示了重力條件下高溫固體散料在受熱面密集管束間的下行流動(dòng)及對(duì)管壁的磨 損機(jī)理，找到了防止高溫固體散料顆粒在受熱面管束內(nèi)阻塞及管壁防磨的方法，實(shí)現(xiàn)了球 團(tuán)物料對(duì)受熱面管實(shí)測(cè)磨損量＜0.035mm/年，滿(mǎn)足換熱裝置的工程長(zhǎng)壽命應(yīng)用需要。 （3）開(kāi)發(fā)了適用于高溫固體散料余熱直接回收的鍋爐以及與之匹配的長(zhǎng)距離大傾角 保溫轉(zhuǎn)運(yùn)、熱篩分、熱破碎等裝置，形成了高溫固體散料余熱直接回收技術(shù)，集成開(kāi)發(fā)了 成套裝備，系統(tǒng)自耗電率小于10%。

3.3 工藝余熱價(jià)值及效益預(yù)期

表2 高溫固固換熱專(zhuān)職參數(shù)和效益分析

4  結(jié)論

“高溫固體散料余熱直接回收技術(shù)”創(chuàng)新了高溫物料余熱直接高效回收的換熱方法，大幅度減少了風(fēng)冷和水冷等二次換熱中的不可逆損失，提高了回收的余熱品位，從原理上克服了傳統(tǒng)技術(shù)中從高溫固體散料取熱困難、余熱回收效率低、余熱品質(zhì)差以及自耗電高等缺陷。該技術(shù)成功解決了高溫散料的穩(wěn)定流動(dòng)、受熱面管壁磨損、橫掠管傳熱強(qiáng)化等問(wèn)題，具有余熱利用率高、自耗電量低、凈發(fā)電率高、污染小的特點(diǎn)，工程應(yīng)用效果顯著，為國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)。

 該技術(shù)應(yīng)用于煉鐵工藝中豎爐高溫球團(tuán)的余熱回收，可降低球團(tuán)工序能耗7.55kgce/t以上，避免了傳統(tǒng)風(fēng)冷時(shí)所產(chǎn)生的粉塵、噪聲污染，同時(shí)球團(tuán)抗壓強(qiáng)度、碎球率等指標(biāo)均有不同程度的改善。該技術(shù)成果解決了中小型豎爐球團(tuán)工藝的能量回收，同時(shí)為鋼鐵企業(yè)的節(jié)能降碳改造升級(jí)提供新的路徑。

項(xiàng)目成果進(jìn)一步在粉煤熱解高溫蘭炭余熱回收中成功拓展應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，體現(xiàn)了該創(chuàng)新技術(shù)具有極高的市場(chǎng)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值，在冶金、化工等工業(yè)領(lǐng)域中推廣應(yīng)用前景廣闊。