李鵬元 徐永權(quán) 方 田

(中鋼集團鞍山熱能研究院有限公司)

煤、礦石等作為目前國內(nèi)冶金和焦化企業(yè)主要大宗生產(chǎn)原料，均需要長途運輸才能由供應(yīng)地運輸至生產(chǎn)企業(yè)，運輸量巨大且多采用鐵路運輸。在我國東北、華北、內(nèi)蒙古等寒冷地區(qū)，由于冬季結(jié)凍時間較長，各企業(yè)生產(chǎn)需求煤、礦石等經(jīng)長途運輸后大多都被凍結(jié)在運輸車廂內(nèi)，卸車困難。同時煤、礦石等原料凍結(jié)成塊，影響原料的透氣性、導(dǎo)熱性等物化性能，進而影響穩(wěn)定生產(chǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)品能耗升高和產(chǎn)量降低。

為解決該問題，一些企業(yè)嘗試用蒸汽暖庫形式解凍，也就是早期的解凍庫，后期又出現(xiàn)電加熱、熱風(fēng)、熱廢氣等作為解凍熱源的解凍庫。由于蒸汽熱量的二次轉(zhuǎn)換，蒸汽解凍方式能量損失較大、效率低，現(xiàn)已基本被淘汰。電加熱形式由于解凍過程中的空氣介質(zhì)濕度不斷增加，影響電熱元件效率與使用壽命，且存在安全隱患，難于推廣。熱風(fēng)與熱廢氣介質(zhì)的應(yīng)用涉及兩種形式，一是通過余熱預(yù)熱空氣形成熱風(fēng)，也涉及二次轉(zhuǎn)換效率低的問題；二是利用熱風(fēng)直接加熱原料，加熱后煙氣直接排放，能耗高，不能滿足當今超低排放及雙碳目標的生產(chǎn)轉(zhuǎn)型升級要求。

1 熱風(fēng)循環(huán)技術(shù)

遼寧某鋼鐵公司在原有解凍庫(未采用熱風(fēng)循環(huán)技術(shù))不能滿足生產(chǎn)原料解凍供給的情況下，采用熱風(fēng)循環(huán)技術(shù)新建了一座原料解凍庫。新建解凍庫利用廠內(nèi)自產(chǎn)富裕低熱值高爐煤氣為熱源，對運輸車廂及原料進行升溫解凍。

1.1 工藝介紹

高爐煤氣及助燃空氣通過燃燒智能控制單元進行分級燃燒，產(chǎn)生的1 150 ℃高溫煙氣進入熱風(fēng)爐與一次回風(fēng)混勻，降低燃燒火焰溫度，抑制了NOx的產(chǎn)生；經(jīng)過一次混勻的450 ℃熱風(fēng)進入混風(fēng)室與二次回風(fēng)混勻，溫度降至165 ℃，滿足解凍庫入庫需求后，通過循環(huán)風(fēng)機供入解凍庫；完成換熱的低溫熱風(fēng)經(jīng)過回風(fēng)母管進入熱風(fēng)爐和混風(fēng)室進行一、二次混勻再熱。熱風(fēng)循環(huán)解凍庫工藝流程見圖1。

圖1 熱風(fēng)循環(huán)解凍庫工藝流程

1.2 主要設(shè)備

熱風(fēng)循環(huán)解凍庫的核心設(shè)備主要包括燃燒智能控制單元、熱風(fēng)爐和循環(huán)風(fēng)機。

(1)燃燒智能控制單元是以解凍庫庫體各區(qū)所需平均溫度為目標值，同時對燃燒、回風(fēng)配比進行智能化調(diào)節(jié)?；仫L(fēng)系統(tǒng)設(shè)置CO、O2在線檢測儀器，對智能控制系統(tǒng)的比例調(diào)節(jié)模塊、開度調(diào)節(jié)模塊進行實時反饋修正，優(yōu)化空燃比，既保證了煤氣充分燃燒，又降低了助燃冷態(tài)空氣攝入量。智能控制單元內(nèi)部集成的壓力檢測儀表及泄露自巡檢模塊，可保證系統(tǒng)在運行、啟動、停止過程中的安全穩(wěn)定。

(2)熱風(fēng)爐是實現(xiàn)高爐煤氣化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿暮诵脑O(shè)備，設(shè)備配套煤氣—空氣雙分級高效燃燒裝置。在保證燃燒充分的情況下，降低中心高溫火焰區(qū)域溫度，實現(xiàn)低氮燃燒。同時，針對解凍庫混風(fēng)需求，混風(fēng)爐設(shè)置內(nèi)部一次預(yù)混、二次混合、旋流混合的三級混合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)回風(fēng)與燃燒熱風(fēng)均勻混合，保證解凍庫內(nèi)溫度場的均勻性和穩(wěn)定性。

(3)循環(huán)風(fēng)機采用工業(yè)變頻離心風(fēng)機，配套變頻交流電機，是維持解凍庫熱風(fēng)系統(tǒng)正常運行的壓力驅(qū)動設(shè)備。該風(fēng)機的變頻控制信號與庫體各區(qū)域壓力檢測點、供風(fēng)壓力、回風(fēng)壓力實現(xiàn)連鎖控制，從而保證熱風(fēng)系統(tǒng)流量及壓力穩(wěn)定。

2 理論分析

根據(jù)原解凍庫整體供需熱量情況，可得到熱量平衡關(guān)系式(1)。

Q+Q7a=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

(1)

式中：Q為燃料化學(xué)熱量；Q7a為熱載體空氣顯熱量；Q1為圍護結(jié)構(gòu)散熱量；Q2為物料加熱吸熱量；Q3為加熱及融化冰需要熱量；Q4為加熱物料表面水需要熱量；Q5為蒸發(fā)物料表面水需要熱量；Q6為車輛升溫吸收熱量。

根據(jù)新解凍庫整體供需熱量情況，可得到熱量平衡關(guān)系式(2)。

解凍庫的熱消耗與庫體維護形式、原料特性、原料體積、原料解凍工藝溫度、原料含水率、原料結(jié)冰情況及運輸車輛的升溫特性等相關(guān)，所以兩解凍庫的熱消耗基本一致。新解凍庫采用熱風(fēng)循環(huán)技術(shù)，熱供給差異主要為原解凍庫的熱載體空氣熱量Q7a和新解凍庫的回流熱風(fēng)熱量Q7b。

新建解凍庫熱風(fēng)爐以企業(yè)自產(chǎn)的高爐煤氣為燃料，熱值為3 748.1 kJ/m3，其成分見表1。配套的煤氣—空氣雙分級高效燃燒器空燃比為1.2，煙氣成分見表2。采用混合熱風(fēng)為熱載體，混合后供熱風(fēng)溫度為160.5 ℃，供熱風(fēng)量為22萬m3/h，部分熱風(fēng)循環(huán)，熱風(fēng)循環(huán)率為80%，循環(huán)熱風(fēng)溫度為79.6 ℃，其成分見表3。

表1 高爐煤氣成分 %

表2 煙氣成分 %

表3 混合熱風(fēng)成分 %

表3中混合熱風(fēng)成分與空氣相似，近似認為Q7b與Q7a的熱量差值為循環(huán)熱風(fēng)多帶入系統(tǒng)的熱量，即ΔQ≈Q7b-Q7a。

當空氣為0 ℃，循環(huán)熱風(fēng)為79.6 ℃時，根據(jù)表3中混合熱風(fēng)組分，依據(jù)單一氣體平均定壓比熱容[1]，計算0～79.6 ℃帶入熱量為：

ΔQ=aV(n1C1+n2C2+n3C3+n4C4)/Δt

式中：a為氣體體積系數(shù)，a=(79.6+273)/(160.5+273)；V為熱風(fēng)體積，V=80%×22萬m3/h；n1～n4為各氣體體積百分數(shù)；C1～C4為各氣體0～79.6 ℃的平均比熱；Δt=79.6 ℃；

計算得ΔQ=14 948 263.61 kJ/h，節(jié)省煤氣量=14 948 263.61/3 748.1=3 988.2 m3/h(標態(tài))。

3 數(shù)據(jù)分析

新建解凍庫投產(chǎn)運行后，將原解凍庫和新解凍庫運行情況進行了對比。同等環(huán)境條件、物料條件(30車鐵礦粉)下，運行數(shù)據(jù)見表4?？梢钥闯觯诠r基本相同的情況下，采用熱風(fēng)循環(huán)技術(shù)的新解凍庫可節(jié)約煤氣3 829.1 m3/h。

表4 運行數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

(1)采用熱風(fēng)循環(huán)技術(shù)的新解凍庫，當循環(huán)熱風(fēng)率控制在80%及以上時，節(jié)能率大于50%。

(2)實際應(yīng)用的節(jié)能效果低于理論計算結(jié)果，主要是由于循環(huán)熱風(fēng)工業(yè)管道等使系統(tǒng)熱損失增大，在文中未對其進行詳細測算。

(3)在工程設(shè)計上考慮將盡可能多的熱風(fēng)管道布置在庫體內(nèi)，以減少庫外管道在低溫大氣環(huán)境下的散熱損失。

(4)應(yīng)采取進一步措施解決解凍庫吸冷風(fēng)問題，提高熱風(fēng)循環(huán)率。