技术︱竖式逆流烧结余热回收工艺和设备开发

1设备开发的目的、意义

烧结过程余热资源主要由两部分组成，一部分是来自于烧结机尾部、温度约为550-700℃烧结矿所携带的显热，这部分显热约占烧结过程余热资源总量的70%；另一部分来自于烧结机主排烟管道的烧结烟气显热，这部分约占余热资源总量的30%。比较而言，两种余热资源中，烧结矿显热数量较大，品质较高；而烧结烟气显热数量较小，品质较低（烧结烟气平均温度为150-200℃），且成分比较复杂。因此，烧结矿显热的高效回收与利用是整个烧结余热回收与利用的重点。

目前，国内外大中型烧结机烧结矿冷却工艺大多采用带式冷却机或环形冷却机冷却。而国内的小型烧结机和部分中型烧结机还采用平烧生产烧结矿，少有烧结矿的高效余热回收设施。带式冷却机系统，漏风率达到30%-60%，冷却风量大，热交换方式为叉流换热，热废气品质低，且污染环境，国内吨烧结矿发电量为6-15kWh。环形冷却机系统，漏风率高达40%-50%，同样冷却风量大，热交换方式为叉流换热，仅能将温度较高的热废气进行回收，这一部分占烧结矿显热的40.29%，其余59.71%尚未回收，余热资源回收率较低，国内吨矿发电量约为8-18kWh。平烧生产工艺是将烧结矿的烧结过程和冷却过程在一台平式烧结设备上完成，因此产量和生产效率低，由于受设备结构和工艺要求限制，没有对烧结矿余热进行回收，热效率低。总之，由于设计之初没有特别考虑余热回收及设备结构的原因，导致目前的冷却机结构和操作参数很难适应烧结矿显热的高效回收与利用要求。

如何从改变传统工艺的角度，寻找一种既能冷却烧结矿、同时兼顾余热回收的不漏风、高效烧结矿冷却工艺装备，从根本上解决现有工艺装备存在的问题，是该领域的技术发展趋势。

基于此，北京中冶设备研究设计总院有限公司借鉴干法熄焦（CDQ）中干熄炉、直接还原铁竖炉、高炉、石灰窑的结构形式，独立进行了竖式逆流烧结余热回收工艺和设备开发，并申请了烧结矿竖式逆流余热回收装置、固体料流控制方法、自动加揭盖保温上料小车等专利。

同传统的冷却机余热回收系统相比，竖式逆流换热技术实现了烧结余热热风全部的高效回收利用，克服了传统冷却机漏风高，只回收温度较高的烧结余热资源等缺点，改变了冷却机仅限于烧结矿冷却而不能高效回收显热的局面，大大提高了携带烧结矿显热的热空气品质，克服了传统冷却机生产蒸汽品质较低且流量不稳定的弊端。该技术同成熟的循环烧结工艺技术相结合，可进一步提高余热回收的效率。

2工艺流程

2.1技术路线

竖式逆流换热系统的工艺流程和设备示意如图1、图2所示。

图1 竖式逆流换热系统工艺流程

图2 竖式逆流换热系统设备示意

1）烧结矿的工艺流程。

从烧结机落下的热烧结矿，经单辊破碎机破碎后给料，通过保温链板机（热输送带），或直接送入上料缓冲器内，然后经过料斗上料斜桥进入竖式逆流换热装置，在竖式逆流换热装置内，热烧结矿与冷却风进行逆向热交换后温度降低为150℃以下，然后从竖式逆流换热装置下部的出料机构排出，经出料皮带、送矿槽皮带进入筛分装置，最后进入高炉矿槽。

2）冷却风的工艺流程。

在冷却鼓风机的作用下，90-100℃左右的冷却风从竖式逆流换热装置下部的配风装置进入竖式逆流换热装置，并与热烧结矿进行逆流热交换，产生的约620-710℃左右热风从竖式逆流换热装置上部的中心管道集中排出，进入热风总管。在引风机的作用下，热风经热风总管进入一次重力除尘器除尘后进入余热锅炉系统。通过余热锅炉，经过热交换后变为350℃左右的低温废气，然后依次经过省煤器后变为约150℃以下的热风，一部分循环补充冷却风，使冷却风温度控制在90-100℃，另一部分送烧结点火器，作为点火热空气或通过烟囱排空。

3）余热锅炉软水循环的工艺流程。

余热锅炉软水在循环水泵的作用下，从软水站经省煤器加热到约150℃进入余热锅炉，经过与热风进行热交换变为饱和蒸汽，然后饱和蒸汽经过过热器继续与热风进行热交换，形成38.5kg/cm3、450℃中温中压蒸汽。过热蒸汽经管道进入蒸汽发电机组膨胀作功带动发电机发电，同时过热蒸汽变为冷凝水后再次进入软水站，进入下一个循环。

2.2技术方案

技术方案主要包括以下系统：热矿接收输送系统、热矿缓冲储存系统、料斗斜桥上料系统、炉顶接料布料装置、竖式逆流换热装置、烧结矿出料系统、烟风系统等。

1）热矿接收输送系统。

根据工艺要求，烧结机烧结矿经单辊破碎机破碎后，既可以进入连接原有烧结矿的环形或带式冷却机，又可以切换进入本项目新建的连接竖式逆流换热装置的保温、耐磨链板机，链板机设有保温罩、保温耐磨衬，设上料缓冲储存斗，保证烧结机与竖式逆流换热装置顺利衔接。

2）料斗斜桥上料系统。

上料系统的作用是将热烧结矿稳定地输送到炉顶接料装置中，为了减少热烧结矿的热损失，本系统采取了必要的保温、耐磨措施。

本系统采用料车斜桥上料形式上料，上料周期60s，料斗采用保温、耐磨料斗，料斗设保温盖，在给料时保温盖自动打开，运料过程自动扣盖，卸料时自动打开保温盖，使热烧结矿的热损失大大减少。

3）竖式逆流换热系统。

该系统是本项目的核心，热烧结矿在此通过与冷却风的逆流热交换，实现烧结矿的余热回收，是余热回收效果好坏的关键。

竖式逆流换热系统的工作原理与干熄焦系统相类似，但是由于烧结矿的冷却过程基本不产生可燃气体，所以竖式逆流换热系统运行的安全性高。

对干熄焦装置的流场模拟仿真计算表明，存在偏风现象，影响气体流动的主要因素为孔隙率分布与预存段直径，炉内存在边缘气流及可能的中部漏管，使气流分布不均匀。因此，本装备取消了干熄焦装置的预存段、环形风道和下部倾斜段，而采用简单的多管热矿炉顶接料装置，烧结矿按照自然堆积方式直接被送入冷却段布料冷却。

控制炉内固体料流下料均匀性是均匀换热的关键所在，利用上部、中部、下部料流控制器综合调整料流运动，不仅极大地改善了传热的均匀性，而且减少了料柱太高造成的烧结矿粉化现象。

取消环形风道和下部倾斜段后，为了合理将换热后的热风引出炉外，采用气流分布合理的中间管道出气，从竖式逆流换热装置上部的中心管道集中排出，进入热风总管，将热风送入后续的重力除尘器中。同时，环形风道和斜道区取消后，使得热风的排风阻力大大减小。

取消预存段后，为确保热矿不从炉顶接料装置排到炉外，采用变频调节排烟引风机风压方式，控制炉顶气体微正压（0-100Pa），接料装置料面保持正压差。取消预存段后，热烧结矿的缓冲功能通过设置热矿缓冲储存系统来替代。

为了增加冷却段的气流分布均匀性和换热效果，采用专有炉体结构技术将料层的边缘气流破坏，同时相对较快的边缘下料速度，采用边部区域快速下料平衡边缘区域冷却不均匀现象，保证炉料与空气的均匀换热，输出温度相对稳定的热空气。

本方案的布风装置与干熄焦装置类似。

4）烧结矿出料系统。

烧结矿出料系统的主要作用是在封住竖罐内冷却气体不向罐外泄漏的情况下，把冷却后的烧结矿连续地排出，为保证料流分布及下料均匀，采用下部多点下料调节的方法，可实现人工强制调节炉内料流分布，是本技术的另一个关键创新点。

冷却后的烧结矿由电磁振动给料器连续排出，把烧结矿连续地排出到皮带式输送机上输出。

5）烟风系统。

竖式逆流换热装置烟风系统可以采用半开路系统，竖式逆流换热装置产生的高温热风，经过余热锅炉换热降温后的150℃左右的热烟气，大部分进入烟风循环系统，小部分直接通过烟囱排向大气，对进入烟风循环系统的部分150℃左右的热烟气采用掺入冷空气的方式实现。竖式逆流换热装置冷却空气入口温度需要综合考虑，太高或者太低都不好。经过对竖式逆流换热装置冷却过程的模拟仿真计算，当竖式逆流换热装置冷却空气入口温度在90-100℃左右时，冷却空气从热烧结矿中回收的热量最大。

在竖式逆流换热装置冷却鼓风机的作用下，经调温的竖式逆流换热装置冷却空气进入竖式逆流换热装置布风器，然后穿过竖式逆流换热装置内热烧结矿层，经过热交换变为620-710℃的热风，然后进入竖式逆流换热装置上部的中心管道集中排出，进入热风总管经除尘后进行余热回收。

3设备概况

3.1主要设备说明

竖式逆流烧结余热回收工艺技术主要包括热矿接收输送系统、热矿缓冲储存系统、保温料斗斜桥上料系统、保温炉顶接料装置、保温竖式逆流换热装置、烧结矿出料系统、烟风系统等。如何保证核心设备竖式逆流换热装置内冷却介质、热烧结矿的均匀流动和加强二者之间的换热效率，是本项目重点开发内容，其次，为了减少高温热烧结矿在运输过程中的热损失，研制了带自动加揭盖功能的上料小车。

1）竖式逆流换热装置的结构优化设计。

竖式逆流换热装置本体采用自立式结构，炉壳采用钢板焊接，通过支撑体与地基基础连接固定，内部根据工作温度和工作部位、结构特点等不同，采用相应的保温和耐磨材料砌筑，确保炉壳外壁温度低于60℃。增加了冷却段的气流分布均匀性和换热效果，保证炉料与空气的均匀换热，输出温度相对稳定的热空气。

竖式逆流换热装置本体示意，如图3所示。高温烧结矿经破碎后进入顶部入料仓，经过五个以上下料管进入竖式逆流换热装置本体，物料在下降过程中受上部分料器、中部分料器、十字梁、下部料流调节后均匀下降，从竖式逆流换热装置本体下部的多个出料口排出，汇入下部接料仓，下部出料系统可人工强制调节竖炉内部的料流运动，混合后的冷矿排出到出料皮带上运走。

图3 竖式逆流换热装置本体示意

冷却空气由中心布风器及环形布风管吹入，在空气向上流动过程中使空气在上升过程中均匀分布，高温空气从竖式逆流换热装置上部的中心管道集中排出。

目前，相关文献检索发现，已有的对干熄焦等竖式逆流换热装置内的气固换热及流动仿真主要集中在冷却介质流动场、温度场，固体移动床的温度场等单场模拟研究上，而对竖式逆流换热装置而言，如果不进行冷却介质流场和温度场、热烧结矿下降流动状态和温度场、冷热流体之间的换热情况等多场耦合仿真研究，就很难得到竖式逆流换热装置内真实的料流、冷却状态。

2）带自动加揭盖功能的上料小车。

热烧结矿的温度为550-750℃，如果采用普通的高炉上料小车结构将热烧结矿从缓冲料仓运送到竖式逆流换热装置内进行冷却，则会造成大量的热量散失到大气中，从而使余热回收效果恶化。为此，在传统上料小车结构的基础上，增加保温措施，设计了一套小车保温盖及配套的自动加揭盖机构，以减少热损失，具体结构如图4所示。

图4 上料小车示意

上料小车在底部加料段下降时，小车上部的保温盖自动打开，便于加料，加料完成后，小车沿着轨道上升，在上升的过程中，小车上部的保温盖自动闭合。当到达轨道顶部后，小车上部的保温盖自动打开倾倒原料。倾倒原料后，小车在自身重力的作用下，沿轨道向下运动，保温盖自动恢复到闭合位置。

3.2主要设备

主要设备如表1所示。

3.3设备特点及优势

1）带自动加揭盖功能的上料小车结构简单巧妙，制造、安装便利，可以使物料在运输过程中减少热量损失，达到保温效果，同时也减少了物料在运输过程中的粉尘污染，保温降尘一举两得，可广泛用于各行业物料上料系统。

2）顶部入料仓及多管下料装置，其特征在于顶部入料仓分两部分组成，上半部分是储料仓，下半部分是按圆周均匀分布的多个下料管道；上半部分储料仓起缓冲储存作用，下半部分多点供料可使竖式逆流换热装置本体内物料均匀分布。

3）上部分料器装置，安装于竖式逆流换热装置本体中上部，减缓中间下料速度，促使同一平面物料下料均匀。

4）冷却风再分布装置，安装于竖式逆流换热装置本体中下部（沿内壁环形风道）；使边缘气流强行向炉体中间部位引导，减缓边缘效应。

5）中心布风器、十字梁及环形布风管装置，冷却空气由环形布风管吹入中心布风器；再由中心布风器吹入竖式逆流换热装置本体；冷却空气对烧结矿进行冷却。

6）出料装置，竖式逆流换热装置本体设有多个出料口，其中中心位置设置一个下料口，其余下料口沿圆周均匀分布在炉体边部。每个下料口均设有独立的振动给料机，可以独立控制每个下料口的下料速度，有助于调节物料，使之均匀下料。

7）下部接料仓装置，下部接料仓接受多个下料点及中间料流的下料，将料均匀送到出料皮带。

4结束语

生产1t烧结矿所携带的余热资源约为0.94-1.02GJ，烧结矿显热约占烧结过程余热资源总量70%，即0.658-0.714GJ，若烧结矿显热全部回收发电，吨矿发电量为54.8-59.5kWh。由于目前烧结矿余热利用技术的限制，实际行业平均吨烧结矿发电量为8-18kWh，烧结余热平均发电效率为24%。如果采用本课题所研究的竖式逆流烧结余热回收装置进行余热回收，根据烧结机的不同情况，吨烧结矿发电量不低于25-35kWh。

目前，我国拥有1200台以上的烧结机，2015年我国烧结矿产量约8.99亿吨。若采用本课题所研究的竖式逆流烧结余热回收装置进行余热回收，与传统技术相比每吨烧结矿多发电17kWh，按每度电0.6元计算，每吨烧结矿余热回收新增效益10.2元/吨，全年新增发电收入约为92亿元。如果考虑到目前国内仍然存在着占烧结总面积34%以上的90m2以下的中小型烧结机，未能采用高效回收烧结矿余热，因此该竖式逆流烧结余热回收装置的市场推广效益将更加显著。

竖式逆流余热回收装置是一种基本没有化学反应的高效逆流余热回收装置，根据烧结矿物料的特点设计，解决了固体物料的实际高效换热问题，也可应用到块状钢渣余热回收、红热铁合金铸块、渣量很大的镍铁冶炼渣等领域的高效余热回收，有较强的通用性，因此竖式逆流烧结余热回收装置潜在的推广技术领域和市场会更大。

综上所述，竖式逆流烧结余热回收工艺和装置具有广阔的市场推广前景，经济效益非常显著。在目前钢铁行业进入产能严重过剩、利润降低、节能减排压力增大的新常态下，这项技术的研发成功对钢铁企业降低生产成本，走出困境具有重要的意义。（梁文玉 张文军）