超低排放背景下煉鐵清潔生產(chǎn)新技術(shù)研究
摘要：基于鐵前系統(tǒng)環(huán)保生產(chǎn)現(xiàn)狀，深刻解讀環(huán)保產(chǎn)業(yè)政策，積極研判綠色企業(yè)發(fā)展理念，立足于生產(chǎn)現(xiàn)場從高爐、燒結(jié)等多方面、涵蓋燒結(jié)煙氣治理、煉鐵除塵灰處理工藝；高爐出鐵場粉塵管控、TRT噪聲污染等方面進(jìn)行新技術(shù)研究，打造科學(xué)管控體系，實現(xiàn)煉鐵工序超低排放、固廢回收、有害氣體排放、噪音管控等方面全方位清潔生產(chǎn)，解決了制約企業(yè)發(fā)展的環(huán)境問題，在新時期，高爐煉鐵工藝的節(jié)能減排、環(huán)境友好能起到一定引領(lǐng)作用。
0 引言
煉鐵工序是鋼鐵生產(chǎn)的主要工序，也是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的耗能大戶，煉鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣、廢水、噪聲污染也比較嚴(yán)重。因此在煉鐵工序大力推行清潔生產(chǎn)，對企業(yè)的節(jié)能、降耗、減污和增效具有十分重要的作用，在日趨嚴(yán)峻的環(huán)保形勢下，清潔生產(chǎn)對于樹立良好的企業(yè)形象也可以起到重要的支撐作用。軋鋼之家ID：zhagangzhijia
唐鋼北區(qū)煉鐵共有3座高爐，兩座2000m3和3200m3高爐一座，其中1#2000高爐2015年停爐產(chǎn)能置換到京唐港中厚板區(qū)；2#高爐2017年9月受環(huán)？刂飘a(chǎn)能影響停爐。2018年以來唐山地區(qū)冶金企業(yè)限產(chǎn)頻繁，非采暖期已經(jīng)執(zhí)行50%限產(chǎn)組織，面對這種環(huán)保形勢，鐵前工藝的節(jié)能減排與清潔生產(chǎn)成為企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。
1 燒結(jié)脫硝
1.1 密相干塔脫硫工藝基礎(chǔ)上氧化法脫硝實現(xiàn)超低排放
唐鋼北區(qū)1#210m2、3#265m2燒結(jié)機(jī)，配置北科大的密相干塔的干法脫硫工藝，從1#210m2、3#265m2燒結(jié)機(jī)密相干塔入口前加入中晶環(huán)境的脫硝劑，現(xiàn)有其他系統(tǒng)無需做重大調(diào)整，加入的脫硝劑與原煙氣預(yù)反應(yīng)后隨著煙氣進(jìn)入密相干塔，經(jīng)過吸收劑吸收，實現(xiàn)脫硝。
氧化脫硝主要是利用物料的氧化性將NO氧化為高價態(tài)氮氧化物，然后在吸收塔內(nèi)將氮氧化物吸收轉(zhuǎn)化為鹽類物質(zhì)，達(dá)到脫除的目的。在典型煙氣溫度下，中晶環(huán)境脫硝氧化劑NO的氧化效率可達(dá)85%以上，結(jié)合后端的脫硫裝置，在堿性吸收劑、SO2等共同作用下實現(xiàn)脫硫脫硝一體化。
1.2 燒結(jié)過程 NOx控制技術(shù)
燒結(jié)過程中產(chǎn)生的煙氣具有 NOx濃度低但排放量大、溫度波動大、粉塵含量高、含濕量大、含腐蝕性及有毒氣體、排放不穩(wěn)定等特點。針對燒結(jié)過程中 NOx的生成機(jī)理及產(chǎn)生的煙氣特點，對NOx排放控制主要從以下幾方面進(jìn)行: 控制原燃料帶入的氮含量、優(yōu)化配礦弱化 NOx的生成條件、改善工藝條件降低NOx生成、燒結(jié)過程控制NOx。
1.2.1 原燃料控制軋鋼之家ID：zhagangzhijia
燒結(jié)過程中，生成的 NOx大部分為燃料型NOx，所以從源頭上來控制NOx的產(chǎn)生至關(guān)重要。一方面在不影響燒結(jié)過程的前提下，應(yīng)盡可能減少原燃料帶入的氮 ，采用低氮含量的焦粉代替煤粉、使用揮發(fā)分低的煤粉、焦炭提前脫氮等; 另一方面應(yīng)加強(qiáng)對原燃料粒度的控制，粒度小于 0. 5 mm 或粒度大于 5 mm的焦粉燃燒過程中，其NOX產(chǎn)生量較少。唐鋼燒結(jié)燃料破碎采用反擊式破碎加四輥破的工藝，燃料粒度＜0.5mm控制6%（圖1），1-3mm控制在 75-80%（圖2），焦粉在固體燃料中的占比由50%提至 80%，在實踐中對降低NOx排放濃度起到了積極效果。
1.2.2 配料控制
鐵酸鈣對 NOx的還原具有催化作用，我廠試驗將燒結(jié)礦堿度由 1.8提高到 2.1，隨著堿度的提高，CaO含量增加，有助于低溫下 CaO 與Fe2O3的固相反應(yīng)，鐵酸鈣的生成量增加。鐵酸鈣對 NOx的還原具有催化作用，NOx排放濃度和排放總量降低。（圖3圖4）
1.2.3 通過均質(zhì)厚料層燒結(jié)，控制燒結(jié)過程SO2、NOX排放
通過均質(zhì)厚料層燒結(jié)，控制燒結(jié)過程SO2、NOX排放厚料層燒結(jié)降低 NOX排放，料層增厚有利于發(fā)揮料層的自蓄熱作用，從而可以減少燃料總量，由于燃料帶入 N 的減少，以及局部高溫火焰點變少，使得燒結(jié)過程NOX減少。燒結(jié)料層由 650mm 提高到 750mm，隨著燒結(jié)料層厚度的提高，燒結(jié)煙氣中NOX濃度降幅顯著（圖5）。
為了增加料面平整度和壓實度，項目組自主設(shè)計了新型燒結(jié)機(jī)布料裝置。該布料裝置包括平料裝置和支撐裝置、吊掛裝置3部分組成。平料裝置屬于控制料面關(guān)鍵部件，新型燒結(jié)機(jī)布料裝置，消除了布料盲區(qū)和料面“拉溝”現(xiàn)象，有效降低燒結(jié)機(jī)布料的邊緣效應(yīng)，為厚料層情況下均質(zhì)燒結(jié)創(chuàng)造了條件。
自適應(yīng)梯形厚料層燒結(jié)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用, 通過固定支架、銷軸和擋料板對布料組成的梯形布料裝置，對高出臺車欄板的料層進(jìn)行梯形塑形，在不對燒結(jié)機(jī)臺車欄板進(jìn)行加高改造的情況下，進(jìn)一步提高料層厚度（800mm），同時實現(xiàn)梯形厚料層布料，降低了燒結(jié)固體燃耗和點火煤氣消耗，改善了表層燒結(jié)礦質(zhì)量。
針對燒結(jié)機(jī)料層無法量化的問題，采用一種厚料層監(jiān)視工具，可將燒結(jié)機(jī)料層厚度轉(zhuǎn)換為測量桿的傾斜角度，當(dāng)料面高度達(dá)到設(shè)定的上限值或下限值時，與測量桿同步旋轉(zhuǎn)的上觸發(fā)桿或下觸發(fā)桿就會觸發(fā)接近開關(guān)，使報警器得電并發(fā)出報警信號，提示操作人員及時調(diào)節(jié)料層厚度（圖6）。
2 高爐爐前出鐵場煙塵外溢控制優(yōu)化
高爐煉鐵工藝環(huán)保清潔生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)就是出鐵場的環(huán)保治理工作， 隨著高爐高風(fēng)溫、高煤比、高富氧、高頂壓等操作手段的應(yīng)用，冶煉強(qiáng)度的不斷提高，生產(chǎn)工藝和操作水平的不斷提升，高爐產(chǎn)量不斷提高，煙塵的排放量也隨之加大，嚴(yán)格的省市環(huán)保管控措施對現(xiàn)場環(huán)境和清潔生產(chǎn)的要求也越來越高。
高爐出鐵場煙塵具有溫度高、顆粒細(xì)、煙塵量不固定、煙塵產(chǎn)生時間不固定、擴(kuò)散性極強(qiáng)、受鐵口工作狀態(tài)影響等特點。大型高爐每天出鐵14次左右，每次出鐵時間為100分鐘以上，出鐵時間幾乎是全天連續(xù)的，煙塵也是連續(xù)不斷地散發(fā)出來。出鐵期間，平均每生產(chǎn)1t鐵約產(chǎn)生2.5kg的煙塵，對環(huán)境污染相當(dāng)嚴(yán)重。
2.1高爐爐前鐵口煙塵自適應(yīng)流體控制整流頂吸集塵罩
此方案為徹底拆除原有除塵罩體，將原有罩體主梁由500mm工字梁改為600mm工字梁，且加長至10米（原8米），寬度加寬至6米（原5米）更換原有罩體所有鋼結(jié)構(gòu)，從新澆筑一個支柱基礎(chǔ)，更換并改造風(fēng)口平臺主梁，封閉泥炮頂部并制作側(cè)活門，制作雙層頂吸罩（固定部分），增加側(cè)吸，活動部分增加頂吸罩（圖7）。
1、煙塵捕集罩有效面積大：整體有效捕集罩有效面積60m2，出鐵時散發(fā)煙塵的所有范圍。
2、整個頂吸捕集罩設(shè)計考慮煙氣流體設(shè)計理念：在有效覆蓋范圍的基礎(chǔ)上，捕集罩收口800mm，自設(shè)置兩根直徑φ150mm的吸塵支管，自設(shè)置均壓吸塵孔，煙塵進(jìn)入箱體而帶走，在不啟動風(fēng)機(jī)的情況下就能自流形成負(fù)壓。
3、整個頂吸捕集罩強(qiáng)度設(shè)計采用可移動方式：橫向移動至兩側(cè)，方便泥炮和開口機(jī)的檢修，同時可以更有效地對煙塵進(jìn)行捕集，而且可以使得風(fēng)機(jī)的風(fēng)量得到最大的有效利用。
4、整個頂吸捕集罩強(qiáng)度設(shè)計理念：煙塵捕集罩表面設(shè)置毛鉤并均噴涂耐火材料，以防止罩體高溫烘烤變形。
5、整個頂吸捕集罩噴水霧化功能：煙塵捕集罩內(nèi)部設(shè)置噴頭150個，噴頭支管管徑φ6mm，增大噴射壓力并形成霧化，增大煙塵處理效果。
6、整體設(shè)計考慮高爐生產(chǎn)影響：將風(fēng)口平臺與捕集罩設(shè)計成一個整體，這樣可使最大可能的減少了野風(fēng)對捕集罩對收塵效果的影響。最大限度的封閉出鐵廠煙塵，最大限度的保證安全操作及設(shè)備檢修維護(hù)。
2.2“二調(diào)一穩(wěn)”出鐵場除塵閥門PLC控制方法：
“二調(diào)”
開口過程中調(diào)整：頂吸100%全部打開，側(cè)吸50%控制，主溝、渣溝、支鐵鉤、擺動溝全部關(guān)閉，主要力保開口過程中煙塵全部清理。
出鐵過程中調(diào)整：頂吸控制100%，側(cè)吸1控制85%，側(cè)吸2控制85%、頂吸100%，主溝撇渣器40%，擺動溝75%，渣溝90%，支鐵鉤50%，具體匹配風(fēng)量情況參照上表。
“一穩(wěn)”
停止出鐵場次風(fēng)門全部關(guān)閉，出鐵場次風(fēng)機(jī)風(fēng)門穩(wěn)定100%控制。
實施效果：確立“兩調(diào)一穩(wěn)”除塵風(fēng)門控制操作法，合理分配有限除塵風(fēng)量；同時研發(fā)自適應(yīng)流體控制整流頂吸集塵罩，實現(xiàn)高爐清潔化作業(yè)。通過對高爐爐前除塵系統(tǒng)的優(yōu)化和改造，目前高爐爐前除塵效果明顯改善，唐鋼3200m3 高爐出鐵場為期 6 個月的煙塵治理實踐實現(xiàn)了出鐵場環(huán)境降塵年平均小于15m g／m3 （表1）
3 燒結(jié)原料系統(tǒng)除塵灰采用吸排車集中處理
傳統(tǒng)燒結(jié)工序除塵灰包括機(jī)頭除塵灰、機(jī)尾灰、配料灰、成品除塵灰等，它們的品質(zhì)不盡相同，機(jī)頭灰堿金屬有害元素含量較高，機(jī)尾灰屬于鐵質(zhì)灰吸收機(jī)尾卸料產(chǎn)生和環(huán)冷機(jī)的鼓風(fēng)冷卻產(chǎn)生的鐵質(zhì)顆粒，配料灰屬于配料除塵著眼于配料室和上料室主要吸收焦粉和白灰顆粒含有碳質(zhì)和CaO比較高，配加時需要考慮到對燃料比和水分波動的影響。
各個放灰點由于除塵器位置的不同，放灰流程不固定進(jìn)入流程影響大，特別是采用人工放灰模式，受放灰手法和責(zé)任人影響，放灰量波動極大，嚴(yán)重時可以達(dá)到10kg/s，造成水份波動乃至配碳波動時有發(fā)生，特別是對布料的損害也極大。
3.1除塵灰倉+氣力輸灰+吸排車除塵灰收集組織模式
煉鐵系統(tǒng)除塵灰采用吸排車集中處理，按除塵灰性質(zhì)進(jìn)行歸類處理，量化除塵灰配料模型化生產(chǎn)，穩(wěn)定燒結(jié)工藝過程（圖8）。
采用一種除塵灰氣力輸灰裝置，壓縮空氣沿助風(fēng)吹管吹入氣相輸送管道，壓縮空氣氣流在與氣相輸送管道軸線垂直分方向上的吹力，將氣相輸送管道內(nèi)的物料進(jìn)一步流態(tài)化，提高物料的流動性，既能保證輸送效果，又能節(jié)約壓縮空氣。在壓縮空氣管道上設(shè)有截止閥，在助風(fēng)吹管或者氣相輸送管道有檢修或者處理問題時切斷壓縮空氣，保證安全（圖9）。
3.2建立除塵灰配料秤下料量核算模型，保證配料稱精確下料
來自于各個系統(tǒng)的除塵灰成分區(qū)別很大，按照不同品質(zhì)進(jìn)行歸類，可以分別進(jìn)入不同的除塵灰倉，避免混品種的現(xiàn)象發(fā)生，更加有利于生產(chǎn)的穩(wěn)定。
配料室各秤的下料量可以通過先稱量半米料重，然后測定稱量皮帶轉(zhuǎn)一圈的時間，利用公式進(jìn)行計算。計算公式為M=a*2*s/t，其中，M為下料量，a為半米料重，s為稱量皮帶周長，t為稱量皮帶轉(zhuǎn)一圈時間。所以，理論上說中控畫面顯示皮帶秤的輸出頻率與s/t稱量皮帶的帶速為嚴(yán)格正比例關(guān)系。
以唐鋼2#燒結(jié)機(jī)9#秤為例進(jìn)行驗證，在稱量皮帶半米料重不變的情況下，課題組對6#秤輸出頻率與實際下料量進(jìn)行了統(tǒng)計（表2），并對統(tǒng)計表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了散點圖制作和線性曲線擬合，并且R2=0.9997。說明中控畫面顯示皮帶秤的輸出頻率與s/t稱量皮帶的帶速為較嚴(yán)格正比例關(guān)系。依照上述關(guān)系，課題組制作了配料稱下料量核算模型。通過重新設(shè)計料倉出料口控制裝置，達(dá)到了恒定出料口大小，穩(wěn)定半米料重的目的。將配料室崗位體力型跑盤驗證轉(zhuǎn)化為中控崗位輸出頻率監(jiān)控型下料量驗證。
通過除塵灰倉+氣力輸灰+吸排車除塵灰收集組織模式，對煉鐵系統(tǒng)按性質(zhì)（鐵質(zhì)、碳質(zhì)、堿金屬）除塵灰進(jìn)行歸類管理，建立除塵灰配料控制模型穩(wěn)定燒結(jié)生產(chǎn)，實現(xiàn)除塵灰環(huán)保管理。
4 高爐高頂壓工況條件下調(diào)壓閥組的噪聲處理
煉鐵北區(qū)3# 3200m3高爐調(diào)壓閥組建設(shè)于1997年，沒有消聲設(shè)備，鋼平臺高度為11.4米，由單薄的鋼結(jié)構(gòu)支架支撐著，其上游為補(bǔ)償器，下游接三通。3#高爐調(diào)壓閥組在前一階段TRT未投入運行時，煤氣調(diào)壓閥組在工作中振動和噪聲都很強(qiáng)烈，造成煤氣調(diào)壓閥組上下游管道及TRT出口管道彎頭處多處被振裂。
2018年4月11日，在爐頂壓力0.188Mpa、流經(jīng)減壓閥組煤氣量42萬Nm3/h的條件下，對煤氣減壓閥組的振動與噪聲進(jìn)行了測量（圖10振動原理）。測量結(jié)果如下：噪聲:距煤氣調(diào)壓閥組下游管道表面1米處噪聲級117dBA。
4.1 調(diào)壓閥組減震緩沖噪聲結(jié)扎技術(shù)
（1）在調(diào)壓閥組下游加裝消聲閥。
（2）在調(diào)壓閥組支座和支架之間加裝減振墊，支座彈性限位。
（3）在調(diào)壓閥組兩端增設(shè)托臂并加裝三維減振器。
（4）在調(diào)壓閥組各出口分管之間以H型鋼進(jìn)行支撐，并在此斷面增設(shè)2個托臂，加裝2個三維減振器。
（5）在三通下游加裝補(bǔ)償器。
（6）在消聲閥下部設(shè)置支架，新支架和原支架之間用斜撐連接。
（7）新增補(bǔ)償器兩端管道上設(shè)置支架（可考慮利用別的立柱增加橫梁，在橫梁上再加立柱）。
（8）原支架加固。各立柱之間盡可能地加橫撐和斜撐。增設(shè)橫梁用來支撐三維減振器。橫梁的規(guī)格和位置要在詳細(xì)的減振計算完成后方可做出。
（9）部分管道與減壓閥組、消聲閥做隔聲包扎。
（10）TRT出口大拉桿后90°彎頭取消，加裝1個曲管壓力平衡補(bǔ)償器。
4.2 合理控制調(diào)壓閥組，穩(wěn)定高爐頂壓實現(xiàn)調(diào)壓閥組工作最優(yōu)化：
大型高爐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高爐煤氣，通過爐頂上升管、重力除塵器、干式布袋除塵器或文氏管濕法除塵，進(jìn)入調(diào)壓閥組與TRT，經(jīng)過調(diào)壓閥組與TRT的并聯(lián)流量調(diào)節(jié)，匯入凈煤氣環(huán)網(wǎng)，并實現(xiàn)爐頂壓力的有效調(diào)節(jié)。高爐頂壓調(diào)節(jié)范圍寬、要求精度高，波動也大。影響爐頂壓力的因素較多，主要有爐頂下料、熱風(fēng)爐換爐、高爐出鐵出渣、爐況等，且調(diào)壓閥組的三偏心蝶閥流量特性不是完全線性，所以頂壓控制的難度較大。
調(diào)壓閥組是由3個DN900、1個DN600口徑閥門所組成的閥組，與之并列的是陜鼓的TRT成套設(shè)備，全部為液動閥門，從理論上講，除去DN600口徑的閥門作為量程閥外，其余3個DN900的閥門均能實現(xiàn)相同功能，從而實現(xiàn)互相替換（見表3）。各個閥的功能描述如下：
（1）在頂壓初步穩(wěn)定的狀態(tài)下量程閥固定30%-50%閥位，對頂壓粗調(diào)。
（2）自動閥實現(xiàn)頂壓的精確調(diào)節(jié)。
（3）頂壓達(dá)到50kpa時消音閥關(guān)閉投入使用，實現(xiàn)降噪處理。
（4）快開狀態(tài)在TRT重故障緊急停機(jī)或頂壓超高時快開，從而保證安全。
（5）遙控閥與頂壓超壓連鎖。
在爐頂壓力0.188MPa,減壓閥組進(jìn)氣量為42萬Nm3/h的工況下，調(diào)壓閥組入口側(cè)支座立面軸向振動加速度在10~500HZ范圍內(nèi)第1個峰值不高于1.8m/s2；第2個峰值不高于4.4m/s2。以上數(shù)據(jù)均在振動FFT F Flat的模式下測量，在任何工況下管道不被振裂。見表4
高爐調(diào)壓閥組采用減震緩沖技術(shù)調(diào)壓閥組加固支撐以及噪聲結(jié)扎技術(shù)，提供消音硬件支撐；同時合理匹配調(diào)壓閥組控制方法，降低高爐區(qū)域噪音污染，實現(xiàn)低噪音清潔生產(chǎn)。
5 結(jié)語
課題從鐵前控制的環(huán)保關(guān)鍵點出發(fā)，研究燒結(jié)過程中SO2、NOx的生成規(guī)律，通過大數(shù)據(jù)擬合出整個燒結(jié)過程的SO2、NOx等污染物的排放規(guī)律曲線，確立“三高一厚”燒結(jié)工藝控制技術(shù)，控制燒結(jié)煙氣污染物SO2、NOx含量；通過除塵灰倉+氣力輸灰+吸排車除塵灰收集組織模式，對煉鐵系統(tǒng)除塵灰進(jìn)行歸類管理，建立除塵灰配料控制模型穩(wěn)定燒結(jié)生產(chǎn)，實現(xiàn)除塵灰環(huán)保管理。高爐出鐵場環(huán)保管控核心要素實施分級管控，確立“兩調(diào)一穩(wěn)”除塵風(fēng)門控制操作法，合理分配有限除塵風(fēng)量；同時研發(fā)自適應(yīng)流體控制整流頂吸集塵罩，實現(xiàn)高爐清潔化作業(yè)。高爐調(diào)壓閥組采用減震緩沖技術(shù)調(diào)壓閥組加固支撐以及噪聲結(jié)扎技術(shù)，提供消音硬件支撐；同時合理匹配調(diào)壓閥組控制方法，降低高爐區(qū)域噪音污染，實現(xiàn)低噪音清潔生產(chǎn)。
煉鐵工序是鋼鐵生產(chǎn)的主要工序，也是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的耗能大戶，煉鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣、噪音污染也比較嚴(yán)重。因此在煉鐵工序大力推行清潔生產(chǎn)，對企業(yè)的節(jié)能、降耗、減污和增效具有十分重要的作用，在日趨嚴(yán)峻的環(huán)保形勢下，清潔生產(chǎn)對于樹立良好的企業(yè)形象也可以起到重要的支撐作用。
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