设计与研究收稿日期:2009-10-21 联系人:叶匡吾(410007)湖南省长沙市劳动中路1号烧结过程、球团过程的能量流和优化选择叶匡吾(中冶长天国际工程有限责任公司) 摘 要 烧结和球团过程的节能是钢铁生产节能的一个重要组成部分。
本文从生产实践和我国的现状出发,对烧结和球团过程的能量流进行了分析,并初步根据火用的理论,对烧结和球团过程如何提高火用效率,提出了一些节能的措施和方法。
关键词 烧结 球团 火用 能量流 节能1 前 言在钢铁生产过程中,烧结和球团工序的能耗仅次于炼铁,约占钢铁生产总能耗的9%～12%(我国为15%),总量十分可观。
生产1t 生铁约需116t 的烧结矿和球团矿。
若我国钢铁产量在510亿t 水平的情况下,烧结矿和球团矿的需求量约为810亿t 。
如果每吨烧结矿和球团矿加工能耗降低1kgce ,则全年可节省800万t 煤炭。
而且,使用烧结矿和球团矿(熟料)能有效降低炼铁能耗,其功效达70%(公认),为炼铁过程提高火用效率起到直接作用。
烧结过程常用于粉矿的造块,其产品仅供高炉使用,所用的燃料能质较低,工艺过程复杂,但比较粗糙,较易掌握。
现有烧结过程(含冷却)能量的火用效率低,其原因是产生了大量的中低温废气余热。
为了利用这部分能量,可通过增设余热发电系统使其转变成能质高的电能,并被原烧结生产使用,从而提高烧结过程的火用效率。
而这一技术的应用,在我国尚处于起步阶段。
球团过程多用于细精矿的造块,其产品不仅是高炉炼铁的优质炉料,也是直接还原的主要用料。
所用的燃料能质较高,工艺过程精细,过程控制要求严格,其过程的火用效率较高,原因是过程的废气余热得到了较好的利用。
目前成熟、先进的球团焙烧工艺有带式机和链箅机2回转窑两种,二者各有其优缺点。
链箅机2回转窑工艺可采用能质较低的烟煤为主要燃料,适合我国的资源和国情,被广泛采用。
在燃料供应满足的情况下,也可发展带式机焙烧技术。
目前,我国高炉炼铁中球团矿的用量较低,而国产铁矿几乎都是细精矿,为了改善我国高炉炼铁的炉料结构,真正实施精料,需进一步发展球团矿生产。
2 烧结过程的能量流和优化选择烧结工艺应用的范围:10～0mm 品位合格矿粉的造块,供高炉炼铁使用。
典型的带式烧结能量流和热平衡见图1。
211 过程简述现代烧结过程采用DL 型烧结机,属固定床(静料层)反应装置。
为实现连续生产,床体(料层)固定在可均匀连续移动的台车组合链上。
铁矿粉、熔剂及炭料经配料、混合、加水后造成的小球铺在台车上,混合料经煤气燃烧点火,并在风机抽风负压和足够的过剩空气量的作用下,燃烧层不断下移。
料层经过干燥、预热,炭燃烧产生高温,物料达1200℃。
同时在料层内发生水分的蒸发、结晶水的脱除、碳酸盐的分解和硫化物的分解以及在矿物内产生矿相的变化(其组分Fe 2O 3、FeO 、CaO 、SiO 2、Al 2O 3等的结晶和再结晶)和低熔点化合物的熔融,使矿物结块固结并具有一定的强度。
为了满足炼铁的要求,还需对烧结饼进行破碎、冷却和筛分。
冷却1第35卷 第1期2010年2月烧结球团Sintering and Pelletizing在鼓风冷却机中进行,该过程也属连续移动固定床强制对流传热,冷却后的烧结矿温度低于120℃。
图1 典型的烧结过程能量流和热平衡212 能量流的分析和优化选择1)用能结构E s =E c +E g +E e式中:E s —烧结过程能量E c —炭(3～0mm 的焦粉或无烟煤粉)燃烧热能E g —煤气(低热值煤气)燃烧热能E e —电能(主要用于风流的能量)2)烧结过程能量流分析和优化能量E s =火用(E x )+火无(A n )而E x 由以下几部分组成,即E x s =E x c +E x g +E x e为了降低烧结过程能耗,提高其火用效率,应从以下几方面进行优化。
①提高炭的火用(E x c )效率。
通过强化造球,改善料层透气性,实行“高料层”烧结,强化以对流传热为核心的“三传”过程;采用余热风烧结和双层布料技术等;建立高水平的专家系统,精确控制烧结终点,实现自动化操作和管理,提高产品质量,合理减少返矿量(合理的返矿率在25%左右,但我国一般在40%～60%),降低固体燃料消耗。
②提高煤气的火用(E x g )效率。
改进点火器烧嘴,提高燃烧效率和点火质量;利用冷却废气余热来预热煤气和助燃空气,以减少煤气耗量。
③提高电能的火用(E x e )效率。
改善烧结机和冷却机及相关风流系统的密封装置,减少漏风率(烧结机漏风率:国际先进水平为10%～20%,国内为30%～50%);采取低负压、低风量(烧结风量配备:日本为80～85m 3/m 2;我国为100～105m 3/m 2)的“慢风烧结”工艺,烧透烧好,不追求产量,求低能耗;提高风机效率(国外85%;国内78%),工艺风机调速,降低电能消耗。
3)烧结过程能耗和世界先进水平的差距固体燃料消耗:国际先进水平为40kgce/t ,国内一般>50kgce/t 。
点火煤气消耗:国际先进水平为01042烧结球团第35卷 第1期G J /t ;国内一般>0107G J /t 。
电耗:国际先进水平为25kWh/t ,国内一般>38kWh/t 。
4)余热利用潜能很大对现存的烧结(含冷却)系统而言,虽有少量余热返入原系统被低效率利用,但废气余热的绝大部分属于火无(An )。
为节约能源,必须增设新的余热利用系统,使这部分质低的能量在新的系统中产生新的高质能量,并直接用于原烧结系统,从而实现火用效率的提高。
目前,我国烧结过程排放的余热约占烧结总能耗的49%。
在冷却过程中,每吨烧结矿通过冷却空气带走的热量约为0155～0163G J ,占烧结总能耗的30%左右。
因而回收利用好这部分热能,对烧结过程的节能有着举足轻重的作用。
为了使用好冷却废气余热,使其成为新增系统的高质能量,必须采用高料层的鼓风冷却,这样废气温度可达到350～400℃,平均冷却风温可达150℃。
烧结废气余热属中低温余热,品质不高,回收难度较大。
一般讲,150℃以下的部分没有利用价值,另外要求烧结过程的热力系统要非常的稳定。
目前,利用烧结过程废气余热最有效的方法是通过余热锅炉、透平和发电机产生电能。
国外早已开发出大型先进的烧结废气余热利用系统,且已达到了相当高的水平。
以J FE 菲律宾烧结公司(PSC )为例,其烧结机面积为495m 2,大约回收18MW 电力,相当于PSC 使用电力的73%。
其余热发电系统的工艺流程见图2。
图2 PSC 烧结余热发电工艺 我国在烧结废气余热利用方面进步很慢。
余热发电尚在起步,近年才在技术上有了较大突破。
例如济钢、安阳、昆钢已建成投产了烧结余热发电系统,初步效果为生产每吨烧结矿可净得电10～15kWh 。
3 球团过程的能量流和优化选择311 概 述与烧结工艺不同的是,球团工艺通常用于细粒级铁精矿的造块。
同样作为冶金炉料,球团矿和烧结矿相比,对炼铁过程的节能(提高其火用效率)有着更加明显的优越性。
主要表现在:具有更高的入炉品位;更加均匀的粒度组成和规则的球形;很低的FeO 含量;更高的强度和很少的粉末含量等。
球团矿不但可供高炉炼铁使用,还可用作直接还原的原料。
随着高炉炼铁技术的发展,炉料中使用球团矿的比例越来越高。
世界上最先进的高炉炼铁指标(综合)是由使用100%球团矿的瑞典SABB 创造的。
目前先进的钢铁工厂的设计也采用50%球团矿+50%烧结矿的炉料结构。
从科技含量上讲,球团和烧结相比更具科学性,在技术上更精细、更严密,对原料性能要求更为严格,对燃料的要求也更高。
带式焙烧机和链箅机2回转窑是当今世界上两大先进的球团焙烧工艺。
32010年第1期叶匡吾 烧结过程、球团过程的能量流和优化选择312 典型的球团过程的能量流和热平衡典型的带式球团焙烧过程的能量流和热平衡见图3。
典型的链箅机2回转窑球团焙烧过程的能量流和热平衡见图4。
图3 典型的带式球团焙烧过程的能量流图4 典型的链箅机2回转窑球团焙烧能量流图 这两种工艺在生产过程和热工制度方面基本相同,最大的区别是所用的焙烧设备不同,前者是在一台带式焙烧机上完成,后者是由三台设备(链箅机、回转窑、冷却机)共同完成。
313 过程简述原料在满足细度和水分要求后,造成8～16mm的生球并具有足够的强度;经均匀布料进入焙烧过程。
燃料经烧嘴燃烧形成加热气体,使生球不断升温。
物料在连续向前的运动中,经干燥段(UDD或DDD1和DDD2)实现水分的蒸发和结晶水的脱除,并保持一定的强度和不发生爆裂;再经过渡预热(TPH)和预热(PH)段实现碳酸盐的分解和硫化物的挥发,并使球团达到足够的强度;继而预热球进入更高温的焙烧段,在要求的高温下焙烧,实现球团内部矿物细粒的结晶、再结晶和晶粒的长大,使球团固结达到要求的强度。
焙烧后的熟球进入冷却段(冷却1和冷却2),冷至120℃以下后输出。
燃烧后的加热气体在风流系统中,在风压的作用下,循环使用,经球团工艺的各个加热升温段,进行气-固的“三传”,最终排出的废气温在150～200℃,使燃烧热能得到较好的利用。
314 能量流的分析和优化选择1)用能结构球团过程能量E p=E f+E e式中:E p—球团过程所需能量E f—燃料能量(为高热值的煤气、重油以及烟煤)4烧结球团第35卷 第1期E e—电能量2)球团过程的能量流和优化E p=E x+A n为了节能,应提高球团过程的火用效率。
即对E x f(燃料能的火用)和E x e(电能的火用)进行优化。
(1)提高燃料火用E x f效率①改善原料和辅料的质量(品位、粒度、水分),保证“造好球”和实现生产过程的稳定。
必要时,需增设磨矿和干燥工艺,选用优质的粘结剂和添加剂。
②精确配料和改善混匀效果(采用强力混合)。
③“造好球”是保证球团焙烧最关键、最基本的技术条件。
④先进、优化的焙烧制度,使加热气体的能量得到充分利用。
⑤高效的燃烧装置,使燃料能得到充分利用。
⑥减少热损失。
实现高温热设备的高效和优化,摒弃“大马拉小车”的设计思想,拒绝粗、大、笨。
⑦提高作业率。
减少球团过程降温,升温次数,最大程度地减少生产过渡期能量的火无消耗。
(2)提高电能火用E x e效率①降低漏风率,提高风机效率,通过工艺风机调速等手段减少风量的消耗和浪费,适当提高焙烧温度。
②实现高水平的自动化操作,提高测量仪表的精度,建立专家系统,优化控制模型。
3)国内外球团过程能耗的差距球团焙烧过程热耗:磁铁矿,国内15～25kgce/t,国外先进水平10kgce/t;赤铁矿,国内45kgce/t,国外先进水平33kgce/t。
球团过程电耗:国内30kWh/t,国外先进水平2815kWh/t。
315 带式焙烧机和链箅机2回转窑两种工艺的比较 1)带式焙烧工艺中球团的升温、焙烧、冷却在一个设备上完成,结构紧凑,设备体积小,总吨位轻,风流系统管道短,因而热损失少,有利于提高火用效率,但过程的可调性差,因而要求原料供应十分稳定。