超低排放背景下煉鐵清潔生產新技術研究
摘要：基于鐵前系統環保生產現狀，深刻解讀環保產業政策，積極研判綠色企業發展理念，立足于生產現場從高爐、燒結等多方面、涵蓋燒結煙氣治理、煉鐵除塵灰處理工藝；高爐出鐵場粉塵管控、TRT噪聲污染等方面進行新技術研究，打造科學管控體系，實現煉鐵工序超低排放、固廢回收、有害氣體排放、噪音管控等方面全方位清潔生產，解決了制約企業發展的環境問題，在新時期，高爐煉鐵工藝的節能減排、環境友好能起到一定引領作用。
0 引言
煉鐵工序是鋼鐵生產的主要工序，也是鋼鐵聯合企業的耗能大戶，煉鐵生產過程中產生的廢氣、廢水、噪聲污染也比較嚴重。因此在煉鐵工序大力推行清潔生產，對企業的節能、降耗、減污和增效具有十分重要的作用，在日趨嚴峻的環保形勢下，清潔生產對于樹立良好的企業形象也可以起到重要的支撐作用。軋鋼之家ID：zhagangzhijia
唐鋼北區煉鐵共有3座高爐，兩座2000m3和3200m3高爐一座，其中1#2000高爐2015年停爐產能置換到京唐港中厚板區；2#高爐2017年9月受環保控制產能影響停爐。2018年以來唐山地區冶金企業限產頻繁，非采暖期已經執行50%限產組織，面對這種環保形勢，鐵前工藝的節能減排與清潔生產成為企業發展的關鍵因素。
1 燒結脫硝
1.1 密相干塔脫硫工藝基礎上氧化法脫硝實現超低排放
唐鋼北區1#210m2、3#265m2燒結機，配置北科大的密相干塔的干法脫硫工藝，從1#210m2、3#265m2燒結機密相干塔入口前加入中晶環境的脫硝劑，現有其他系統無需做重大調整，加入的脫硝劑與原煙氣預反應后隨著煙氣進入密相干塔，經過吸收劑吸收，實現脫硝。
氧化脫硝主要是利用物料的氧化性將NO氧化為高價態氮氧化物，然后在吸收塔內將氮氧化物吸收轉化為鹽類物質，達到脫除的目的。在典型煙氣溫度下，中晶環境脫硝氧化劑NO的氧化效率可達85%以上，結合后端的脫硫裝置，在堿性吸收劑、SO2等共同作用下實現脫硫脫硝一體化。
1.2 燒結過程 NOx控制技術
燒結過程中產生的煙氣具有 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、排放不穩定等特點。針對燒結過程中 NOx的生成機理及產生的煙氣特點，對NOx排放控制主要從以下幾方面進行: 控制原燃料帶入的氮含量、優化配礦弱化 NOx的生成條件、改善工藝條件降低NOx生成、燒結過程控制NOx。
1.2.1 原燃料控制軋鋼之家ID：zhagangzhijia
燒結過程中，生成的 NOx大部分為燃料型NOx，所以從源頭上來控制NOx的產生至關重要。一方面在不影響燒結過程的前提下，應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、使用揮發分低的煤粉、焦炭提前脫氮等; 另一方面應加強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產生量較少。唐鋼燒結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，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 通過均質厚料層燒結，控制燒結過程SO2、NOX排放
通過均質厚料層燒結，控制燒結過程SO2、NOX排放厚料層燒結降低 NOX排放，料層增厚有利于發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，使得燒結過程NOX減少。燒結料層由 650mm 提高到 750mm，隨著燒結料層厚度的提高，燒結煙氣中NOX濃度降幅顯著（圖5）。
為了增加料面平整度和壓實度，項目組自主設計了新型燒結機布料裝置。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鍵部件，新型燒結機布料裝置，消除了布料盲區和料面“拉溝”現象，有效降低燒結機布料的邊緣效應，為厚料層情況下均質燒結創造了條件。
自適應梯形厚料層燒結技術的開發與應用, 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行梯形塑形，在不對燒結機臺車欄板進行加高改造的情況下，進一步提高料層厚度（800mm），同時實現梯形厚料層布料，降低了燒結固體燃耗和點火煤氣消耗，改善了表層燒結礦質量。
針對燒結機料層無法量化的問題，采用一種厚料層監視工具，可將燒結機料層厚度轉換為測量桿的傾斜角度，當料面高度達到設定的上限值或下限值時，與測量桿同步旋轉的上觸發桿或下觸發桿就會觸發接近開關，使報警器得電并發出報警信號，提示操作人員及時調節料層厚度（圖6）。
2 高爐爐前出鐵場煙塵外溢控制優化
高爐煉鐵工藝環保清潔生產的重要環節就是出鐵場的環保治理工作， 隨著高爐高風溫、高煤比、高富氧、高頂壓等操作手段的應用，冶煉強度的不斷提高，生產工藝和操作水平的不斷提升，高爐產量不斷提高，煙塵的排放量也隨之加大，嚴格的省市環保管控措施對現場環境和清潔生產的要求也越來越高。
高爐出鐵場煙塵具有溫度高、顆粒細、煙塵量不固定、煙塵產生時間不固定、擴散性極強、受鐵口工作狀態影響等特點。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的，煙塵也是連續不斷地散發出來。出鐵期間，平均每生產1t鐵約產生2.5kg的煙塵，對環境污染相當嚴重。
2.1高爐爐前鐵口煙塵自適應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構，從新澆筑一個支柱基礎，更換并改造風口平臺主梁，封閉泥炮頂部并制作側活門，制作雙層頂吸罩（固定部分），增加側吸，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，出鐵時散發煙塵的所有范圍。
2、整個頂吸捕集罩設計考慮煙氣流體設計理念：在有效覆蓋范圍的基礎上，捕集罩收口800mm，自設置兩根直徑φ150mm的吸塵支管，自設置均壓吸塵孔，煙塵進入箱體而帶走，在不啟動風機的情況下就能自流形成負壓。
3、整個頂吸捕集罩強度設計采用可移動方式：橫向移動至兩側，方便泥炮和開口機的檢修，同時可以更有效地對煙塵進行捕集，而且可以使得風機的風量得到最大的有效利用。
4、整個頂吸捕集罩強度設計理念：煙塵捕集罩表面設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：煙塵捕集罩內部設置噴頭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、整體設計考慮高爐生產影響：將風口平臺與捕集罩設計成一個整體，這樣可使最大可能的減少了野風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備檢修維護。
2.2“二調一穩”出鐵場除塵閥門PLC控制方法：
“二調”
開口過程中調整：頂吸100%全部打開，側吸50%控制，主溝、渣溝、支鐵鉤、擺動溝全部關閉，主要力保開口過程中煙塵全部清理。
出鐵過程中調整：頂吸控制100%，側吸1控制85%，側吸2控制85%、頂吸100%，主溝撇渣器40%，擺動溝75%，渣溝90%，支鐵鉤50%，具體匹配風量情況參照上表。
“一穩”
停止出鐵場次風門全部關閉，出鐵場次風機風門穩定100%控制。
實施效果：確立“兩調一穩”除塵風門控制操作法，合理分配有限除塵風量；同時研發自適應流體控制整流頂吸集塵罩，實現高爐清潔化作業。通過對高爐爐前除塵系統的優化和改造，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了出鐵場環境降塵年平均小于15m g／m3 （表1）
3 燒結原料系統除塵灰采用吸排車集中處理
傳統燒結工序除塵灰包括機頭除塵灰、機尾灰、配料灰、成品除塵灰等，它們的品質不盡相同，機頭灰堿金屬有害元素含量較高，機尾灰屬于鐵質灰吸收機尾卸料產生和環冷機的鼓風冷卻產生的鐵質顆粒，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，放灰流程不固定進入流程影響大，特別是采用人工放灰模式，受放灰手法和責任人影響，放灰量波動極大，嚴重時可以達到10kg/s，造成水份波動乃至配碳波動時有發生，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
煉鐵系統除塵灰采用吸排車集中處理，按除塵灰性質進行歸類處理，量化除塵灰配料模型化生產，穩定燒結工藝過程（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，將氣相輸送管道內的物料進一步流態化，提高物料的流動性，既能保證輸送效果，又能節約壓縮空氣。在壓縮空氣管道上設有截止閥，在助風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
來自于各個系統的除塵灰成分區別很大，按照不同品質進行歸類，可以分別進入不同的除塵灰倉，避免混品種的現象發生，更加有利于生產的穩定。
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一圈的時間，利用公式進行計算。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格正比例關系。
以唐鋼2#燒結機9#秤為例進行驗證，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行了統計（表2），并對統計表中的數據進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格正比例關系。依照上述關系，課題組制作了配料稱下料量核算模型。通過重新設計料倉出料口控制裝置，達到了恒定出料口大小，穩定半米料重的目的。將配料室崗位體力型跑盤驗證轉化為中控崗位輸出頻率監控型下料量驗證。
通過除塵灰倉+氣力輸灰+吸排車除塵灰收集組織模式，對煉鐵系統按性質（鐵質、碳質、堿金屬）除塵灰進行歸類管理，建立除塵灰配料控制模型穩定燒結生產，實現除塵灰環保管理。
4 高爐高頂壓工況條件下調壓閥組的噪聲處理
煉鐵北區3# 3200m3高爐調壓閥組建設于1997年，沒有消聲設備，鋼平臺高度為11.4米，由單薄的鋼結構支架支撐著，其上游為補償器，下游接三通。3#高爐調壓閥組在前一階段TRT未投入運行時，煤氣調壓閥組在工作中振動和噪聲都很強烈，造成煤氣調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行了測量（圖10振動原理）。測量結果如下：噪聲:距煤氣調壓閥組下游管道表面1米處噪聲級117dBA。
4.1 調壓閥組減震緩沖噪聲結扎技術
（1）在調壓閥組下游加裝消聲閥。
（2）在調壓閥組支座和支架之間加裝減振墊，支座彈性限位。
（3）在調壓閥組兩端增設托臂并加裝三維減振器。
（4）在調壓閥組各出口分管之間以H型鋼進行支撐，并在此斷面增設2個托臂，加裝2個三維減振器。
（5）在三通下游加裝補償器。
（6）在消聲閥下部設置支架，新支架和原支架之間用斜撐連接。
（7）新增補償器兩端管道上設置支架（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。增設橫梁用來支撐三維減振器。橫梁的規格和位置要在詳細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個曲管壓力平衡補償器。
4.2 合理控制調壓閥組，穩定高爐頂壓實現調壓閥組工作最優化：
大型高爐生產過程中產生的高爐煤氣，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，進入調壓閥組與TRT，經過調壓閥組與TRT的并聯流量調節，匯入凈煤氣環網，并實現爐頂壓力的有效調節。高爐頂壓調節范圍寬、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、熱風爐換爐、高爐出鐵出渣、爐況等，且調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的閥門均能實現相同功能，從而實現互相替換（見表3）。各個閥的功能描述如下：
（1）在頂壓初步穩定的狀態下量程閥固定30%-50%閥位，對頂壓粗調。
（2）自動閥實現頂壓的精確調節。
（3）頂壓達到50kpa時消音閥關閉投入使用，實現降噪處理。
（4）快開狀態在TRT重故障緊急停機或頂壓超高時快開，從而保證安全。
（5）遙控閥與頂壓超壓連鎖。
在爐頂壓力0.188MPa,減壓閥組進氣量為42萬Nm3/h的工況下，調壓閥組入口側支座立面軸向振動加速度在10~500HZ范圍內第1個峰值不高于1.8m/s2；第2個峰值不高于4.4m/s2。以上數據均在振動FFT F Flat的模式下測量，在任何工況下管道不被振裂。見表4
高爐調壓閥組采用減震緩沖技術調壓閥組加固支撐以及噪聲結扎技術，提供消音硬件支撐；同時合理匹配調壓閥組控制方法，降低高爐區域噪音污染，實現低噪音清潔生產。
5 結語
課題從鐵前控制的環保關鍵點出發，研究燒結過程中SO2、NOx的生成規律，通過大數據擬合出整個燒結過程的SO2、NOx等污染物的排放規律曲線，確立“三高一厚”燒結工藝控制技術，控制燒結煙氣污染物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，對煉鐵系統除塵灰進行歸類管理，建立除塵灰配料控制模型穩定燒結生產，實現除塵灰環保管理。高爐出鐵場環保管控核心要素實施分級管控，確立“兩調一穩”除塵風門控制操作法，合理分配有限除塵風量；同時研發自適應流體控制整流頂吸集塵罩，實現高爐清潔化作業。高爐調壓閥組采用減震緩沖技術調壓閥組加固支撐以及噪聲結扎技術，提供消音硬件支撐；同時合理匹配調壓閥組控制方法，降低高爐區域噪音污染，實現低噪音清潔生產。
煉鐵工序是鋼鐵生產的主要工序，也是鋼鐵聯合企業的耗能大戶，煉鐵生產過程中產生的廢氣、噪音污染也比較嚴重。因此在煉鐵工序大力推行清潔生產，對企業的節能、降耗、減污和增效具有十分重要的作用，在日趨嚴峻的環保形勢下，清潔生產對于樹立良好的企業形象也可以起到重要的支撐作用。
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