曹 雄,王躍飛

(寶山鋼鐵股份有限公司煉鐵廠,上海 200941)

鋼鐵行業(yè)中燒結(jié)工序是二氧化硫和氮氧化物等污染物的主要排放源之一,僅二氧化硫排放量占到鋼鐵行業(yè)排放總量的70%以上。近十多年來,國內(nèi)燒結(jié)機基本上都增設(shè)了各類脫硫脫硝裝置,二氧化硫、氮氧化物和顆粒物等排放總量大幅降低[1-4]。

隨著國家生態(tài)文明建設(shè)的深入推進,生態(tài)環(huán)境部等五部委為貫徹落實《中共中央國務(wù)院關(guān)于全面加強生態(tài)環(huán)境保護 堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》,于2019年4月28日聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》(環(huán)大氣〔2019〕35號),要求到2025年底前,重點區(qū)域鋼鐵企業(yè)超低排放改造基本完成,全國力爭80%以上產(chǎn)能完成改造。其中,燒結(jié)工序機頭煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度小時均值分別不高于10、35、50 mg/m3。

寶鋼3號燒結(jié)機通過增設(shè)大煙道余熱回收鍋爐和熱水換熱器,以及活性炭風選裝置等舉措,協(xié)同降低燒結(jié)煙氣溫度、流量、氧含量和活性炭表面微細顆粒物,達到超低排放指標要求。

1 寶鋼3號燒結(jié)機超低排放改造技術(shù)路線

1.1 寶鋼3號燒結(jié)機概況

寶鋼3號燒結(jié)機于2016年10月建成投運,為600 m2級大型燒結(jié)機,同步配套活性炭煙氣凈化裝置。該燒結(jié)機是寶鋼燒結(jié)新一輪環(huán)保提升大修改造時建設(shè),盡管各類環(huán)保設(shè)施排放按遠低于GB 28662—2012《鋼鐵燒結(jié)、球團工業(yè)大氣污染物排放標準》(以下簡稱標準)中特別限制進行設(shè)計,但燒結(jié)機頭顆粒物和氮氧化物排放實績分別為10～15 mg/m3、50～60 mg/m3,仍未達到小于10 mg/m3、50 mg/m3的超低排放標準要求。

1.2 超低排放改造技術(shù)路線

2017—2018 年,生態(tài)環(huán)境部組織對鋼鐵工業(yè)系列排放標準實施情況進行了評估,結(jié)果表明鋼鐵行業(yè)污染物排放量大幅削減,主要污染物達標排放情況較好,且燒結(jié)行業(yè)污染物排放實績遠低于標準要求,有力推動了鋼鐵工業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展。但因標準中未規(guī)定燒結(jié)機頭煙氣基準含氧量,有稀釋排放的漏洞,不利于對企業(yè)依法公平監(jiān)管。因此,《關(guān)于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》(環(huán)大氣〔2019〕35號)對鋼鐵行業(yè)各工序重點排口明確了氧含量基準,其中,燒結(jié)機和球團豎爐焙燒干煙氣基準含氧量確定為16%。

寶鋼3號燒結(jié)機在主排風機前的兩個大煙道分別設(shè)置有兩個工藝冷風閥以應(yīng)對異常工況對電除塵設(shè)備的影響;主排風機后配套的雙系列活性炭煙氣凈化裝置入口煙道處也分別設(shè)置了10萬m3/h風量冷風閥作為活性炭吸附塔內(nèi)物料溫度安全受控的應(yīng)對措施。寶鋼3號燒結(jié)機機頭顆粒物和氮氧化物排放實績與超低排放標準相差僅5～10 mg/m3,根據(jù)污染物濃度和煙氣量測算,關(guān)閉上述冷風閥后,按照16%基準氧量折算機頭污染物排放濃度即可低于超低排放標準。

經(jīng)過可行性研究,寶鋼3號燒結(jié)機在主排風機前增設(shè)大煙道余熱回收鍋爐、主排風機后增設(shè)熱水換熱器來降低煙氣溫度,以適應(yīng)主排后雙系列活性炭煙氣凈化裝置入口溫度需求,進而關(guān)閉上述冷風閥降低煙氣流量、流速和氧含量,折算后燒結(jié)機頭氮氧化物排放濃度可低于50 mg/m3。同時,在活性炭煙氣凈化裝置解析塔篩分系統(tǒng)增設(shè)風選裝置,去除物料中微細顆粒,加之煙氣流量、流速降低,燒結(jié)機頭顆粒物排放濃度可低于10 mg/m3。

2 寶鋼3號燒結(jié)機超低排放改造措施

2.1 增設(shè)大煙道余熱鍋爐

在主排風機前的大煙道尾部高溫段設(shè)置余熱回收鍋爐,可將煙氣溫度從正常工況下的150±5 ℃降低至130±5 ℃,但最終排煙溫度不得低于120 ℃,否則對機頭電除塵極板極線等造成腐蝕和粘料而影響除塵效果,不利于主排風機轉(zhuǎn)子的長壽。該舉措既能回收余熱資源而取得可觀的經(jīng)濟效益,又能使得煙氣溫度降低后流速減慢,利于大顆粒粉塵沉降,對主排風機轉(zhuǎn)子壽命大有裨益[5-11]。

鑒于內(nèi)置式余熱回收鍋爐阻損小、換熱效率高、占地面積小、適合改造項目等特點,寶鋼3號燒結(jié)機大煙道煙氣余熱回收方式選用了內(nèi)置式鍋爐。經(jīng)過在兩根大煙道不同位置的溫度連續(xù)檢測和熱量測算,最終確定煙道鍋爐的過熱器、蒸發(fā)器和省煤器等換熱模塊需依次設(shè)置在23#～30#風箱支管之間,可產(chǎn)得18.5 t/h過熱蒸汽(1.8 MPa,340 ℃),并接入余熱發(fā)電系統(tǒng),冷凝水返回使用。

燒結(jié)生產(chǎn)過程影響因素眾多,特別是在異常工況下,燒成波動非常大,嚴重影響大煙道余熱鍋爐的安全穩(wěn)定運行。因此,寶鋼3號燒結(jié)機大煙道余熱回收鍋爐在以下幾個方面做了充分考慮,并采取了相應(yīng)的本質(zhì)化應(yīng)對舉措。

(1)為應(yīng)對燒結(jié)高硫高粉塵及煙氣溫度驟升工況,各個換熱模塊材質(zhì)選擇非常重要,其中,過熱器、蒸發(fā)器材質(zhì)部分為合金鋼(12Cr1MoVG),其他為20 G。

(2)各個換熱器均采取模塊化設(shè)計制造,具備隨時切斷干燒功能,以確保換熱器列管破損造成漏水或大煙道溫度低于露點溫度等工況下大煙道余熱鍋爐的正常運行。

(3)在各個換熱器模塊迎風面前3排管束均設(shè)置了防磨損角鋼、在最底部則設(shè)置了沉積料渦旋磨損管束的擋板,極大地降低了管束磨損破洞概率。

(4)在各個換熱模塊正下方均設(shè)置落料斗,通過既有雙層閥排料;同時在其之間設(shè)置人行格柵通道,以便于常規(guī)設(shè)備的檢查維護。

除此之外,大煙道鍋爐仍需充分考慮除氧水泵供水能力和汽包容積,維持其液位穩(wěn)定性,以確保極端工況鍋爐換熱管束的氣錘現(xiàn)象,盡最大可能避免管束干燒情況發(fā)生,方可達到煙氣溫度降低的目標值,以減少煙氣風量和氧含量。寶鋼3號燒結(jié)機增設(shè)大煙道余熱回收鍋爐后,最終排煙溫度降低到了130 ℃左右,極大減少了主排風機前煙道上的工藝安全冷風閥開啟的頻次和開度,同時為主排風機后進入活性炭煙氣凈化裝置前的冷風閥徹底關(guān)閉奠定基礎(chǔ),以降低大煙道煙氣量和氧含量。

2.2 增設(shè)熱水換熱器

燒結(jié)工序大煙道煙氣經(jīng)過主排前的余熱回收鍋爐換熱后,溫度降低到了130±5 ℃。但是,當煙氣經(jīng)過主排風機做功后,溫度又會增加10～15 K,即進入活性炭煙氣凈化裝置的溫度仍然偏高。寶鋼3號燒結(jié)機在兩臺主排風機分別對應(yīng)的活性炭煙氣凈化入口煙道上均設(shè)置了熱水換熱器,以進一步降低煙氣溫度至135 ℃左右,滿足其吸附塔里活性炭物料溫度控制的安全要求。

熱管換熱器材質(zhì)為346L不銹鋼,以提高換熱器在相對低溫高硫工況下壽命,其在煙道內(nèi)部均為整體構(gòu)件,所有接口均設(shè)置在外部,配備兩個340 m3熱水罐,為夜間不能外送做緩沖。該裝置可產(chǎn)生30 t/h的90 ℃熱水,儲存于熱水罐中,然后通過罐車送至周邊用于生活用水。在大煙道余熱鍋爐降低煙氣溫度的基礎(chǔ)上,增設(shè)的熱水換熱器進一步滿足了活性炭煙氣凈化裝置入口煙氣溫度要求,該處的冷風閥在日常生產(chǎn)中均處于關(guān)閉狀態(tài),僅作為燒結(jié)機停機后煙氣凈化裝置自身降低吸附塔里物料溫度的吸風口使用。

2.3 增設(shè)活性炭風選裝置

寶鋼3號燒結(jié)機配套煙氣凈化裝置中活性炭經(jīng)過解析塔充分解析、活化和篩分,先后經(jīng)過二級和一級吸附塔對燒結(jié)煙氣中二氧化硫、氮氧化物、顆粒物、二噁英等污染物吸附后再進入解析塔大部分循環(huán)使用。活性炭在各個環(huán)節(jié)周轉(zhuǎn)過程中,因磨損、碰撞、積壓等造成其碎裂甚至粉化。即使解析塔下方設(shè)置了活性炭振動篩,將粒徑小于1.2 mm的活性炭篩顆粒篩除,然而篩上活性炭顆粒上附著的微細粉塵難以去除,其既不利于系統(tǒng)壓差控制也不利于凈煙氣排放顆粒物的控制。從寶鋼3號燒結(jié)機活性炭煙氣凈化裝置兩個系列出口顆粒物取樣結(jié)果(表1)來看,煙氣出口顆粒物中含碳量將近60%,即降低進入吸附系統(tǒng)活性炭表面附著的微細炭粉是實現(xiàn)出口顆粒物達到超低排放的關(guān)鍵。

表1 煙氣凈化裝置兩個系列出口顆粒物取樣分析

因此,對兩個系列活性炭煙氣凈化系統(tǒng)中現(xiàn)有振動篩下料溜槽進行改造,設(shè)置風選裝置,使篩上活性炭在溜槽下滑時,與從溜槽底部通入的高壓空氣強力接觸,去除附著在活性炭表面的微細碳粉,并由除塵系統(tǒng)收集,如圖1所示。

圖1 活性炭風選裝置示意圖

3 寶鋼3號燒結(jié)機超低排放改造效果

增設(shè)大煙道余熱回收鍋爐和熱水換熱器降低了煙氣溫度,主排風機前后的冷風閥均可關(guān)閉,避免了摻入空氣;增設(shè)活性炭風選裝置,則去除了進入吸附塔活性炭表面微細顆粒物。一方面,減少了風量,使得煙氣流速下降后在活性炭吸附單元的停留時間延長,利于粉塵和氮氧化物等污染物在塔里的吸附和反應(yīng)更加充分;另一方面,又降低了氧含量,每降低1%氧含量,折算后的污染物排放濃度至少降低到檢測值的80%以下。生產(chǎn)實踐證明,寶鋼3號燒結(jié)機經(jīng)過超低排放改造后機頭煙氣顆粒物、氮氧化物排放濃度小時均值分別低于10、50 mg/m3,達到了超低排放的指標要求。此外,可產(chǎn)蒸氣量10.4萬t/a(1.8 MPa,340 ℃)、熱水23.4萬t/a(90 ℃),合計減少能耗折合標煤1.3萬t/a。

4 結(jié)語

寶鋼3號燒結(jié)機通過增設(shè)大煙道余熱回收鍋爐、熱水換熱器和活性炭風選裝置,協(xié)同降溫、降風量、降氧量、降含塵量等,燒結(jié)機大煙道冷風閥開啟頻次明顯減少,活性炭煙氣凈化裝置吸附塔入口冷風閥全關(guān)狀態(tài),不僅降低了主排風機和煙氣凈化增壓風機負載,而且提高了活性炭煙氣凈化裝置對污染物的去除效率,折算16%基準氧含量,達到了顆粒物、氮氧化物排放濃度小時均值分別低于10、50 mg/m3的改造目標。