超低排放背景下炼铁清洁生产新技术研究
摘要：基于铁前系统环保生产现状，深刻解读环保产业政策，积极研判绿色企业发展理念，立足于生产现场从高炉、烧结等多方面、涵盖烧结烟气治理、炼铁除尘灰处理工艺；高炉出铁场粉尘管控、TRT噪声污染等方面进行新技术研究，打造科学管控体系，实现炼铁工序超低排放、固废回收、有害气体排放、噪音管控等方面全方位清洁生产，解决了制约企业发展的环境问题，在新时期，高炉炼铁工艺的节能减排、环境友好能起到一定引领作用。
0 引言
炼铁工序是钢铁生产的主要工序，也是钢铁联合企业的耗能大户，炼铁生产过程中产生的废气、废水、噪声污染也比较严重。因此在炼铁工序大力推行清洁生产，对企业的节能、降耗、减污和增效具有十分重要的作用，在日趋严峻的环保形势下，清洁生产对于树立良好的企业形象也可以起到重要的支撑作用。轧钢之家ID：zhagangzhijia
唐钢北区炼铁共有3座高炉，两座2000m3和3200m3高炉一座，其中1#2000高炉2015年停炉产能置换到京唐港中厚板区；2#高炉2017年9月受环保控制产能影响停炉。2018年以来唐山地区冶金企业限产频繁，非采暖期已经执行50%限产组织，面对这种环保形势，铁前工艺的节能减排与清洁生产成为企业发展的关键因素。
1 烧结脱硝
1.1 密相干塔脱硫工艺基础上氧化法脱硝实现超低排放
唐钢北区1#210m2、3#265m2烧结机，配置北科大的密相干塔的干法脱硫工艺，从1#210m2、3#265m2烧结机密相干塔入口前加入中晶环境的脱硝剂，现有其他系统无需做重大调整，加入的脱硝剂与原烟气预反应后随着烟气进入密相干塔，经过吸收剂吸收，实现脱硝。
氧化脱硝主要是利用物料的氧化性将NO氧化为高价态氮氧化物，然后在吸收塔内将氮氧化物吸收转化为盐类物质，达到脱除的目的。在典型烟气温度下，中晶环境脱硝氧化剂NO的氧化效率可达85%以上，结合后端的脱硫装置，在碱性吸收剂、SO2等共同作用下实现脱硫脱硝一体化。
1.2 烧结过程 NOx控制技术
烧结过程中产生的烟气具有 NOx浓度低但排放量大、温度波动大、粉尘含量高、含湿量大、含腐蚀性及有毒气体、排放不稳定等特点。针对烧结过程中 NOx的生成机理及产生的烟气特点，对NOx排放控制主要从以下几方面进行: 控制原燃料带入的氮含量、优化配矿弱化 NOx的生成条件、改善工艺条件降低NOx生成、烧结过程控制NOx。
1.2.1 原燃料控制轧钢之家ID：zhagangzhijia
烧结过程中，生成的 NOx大部分为燃料型NOx，所以从源头上来控制NOx的产生至关重要。一方面在不影响烧结过程的前提下，应尽可能减少原燃料带入的氮 ，采用低氮含量的焦粉代替煤粉、使用挥发分低的煤粉、焦炭提前脱氮等; 另一方面应加强对原燃料粒度的控制，粒度小于 0. 5 mm 或粒度大于 5 mm的焦粉燃烧过程中，其NOX产生量较少。唐钢烧结燃料破碎采用反击式破碎加四辊破的工艺，燃料粒度＜0.5mm控制6%（图1），1-3mm控制在 75-80%（图2），焦粉在固体燃料中的占比由50%提至 80%，在实践中对降低NOx排放浓度起到了积极效果。
1.2.2 配料控制
铁酸钙对 NOx的还原具有催化作用，我厂试验将烧结矿碱度由 1.8提高到 2.1，随着碱度的提高，CaO含量增加，有助于低温下 CaO 与Fe2O3的固相反应，铁酸钙的生成量增加。铁酸钙对 NOx的还原具有催化作用，NOx排放浓度和排放总量降低。（图3图4）
1.2.3 通过均质厚料层烧结，控制烧结过程SO2、NOX排放
通过均质厚料层烧结，控制烧结过程SO2、NOX排放厚料层烧结降低 NOX排放，料层增厚有利于发挥料层的自蓄热作用，从而可以减少燃料总量，由于燃料带入 N 的减少，以及局部高温火焰点变少，使得烧结过程NOX减少。烧结料层由 650mm 提高到 750mm，随着烧结料层厚度的提高，烧结烟气中NOX浓度降幅显著（图5）。
为了增加料面平整度和压实度，项目组自主设计了新型烧结机布料装置。该布料装置包括平料装置和支撑装置、吊挂装置3部分组成。平料装置属于控制料面关键部件，新型烧结机布料装置，消除了布料盲区和料面“拉沟”现象，有效降低烧结机布料的边缘效应，为厚料层情况下均质烧结创造了条件。
自适应梯形厚料层烧结技术的开发与应用, 通过固定支架、销轴和挡料板对布料组成的梯形布料装置，对高出台车栏板的料层进行梯形塑形，在不对烧结机台车栏板进行加高改造的情况下，进一步提高料层厚度（800mm），同时实现梯形厚料层布料，降低了烧结固体燃耗和点火煤气消耗，改善了表层烧结矿质量。
针对烧结机料层无法量化的问题，采用一种厚料层监视工具，可将烧结机料层厚度转换为测量杆的倾斜角度，当料面高度达到设定的上限值或下限值时，与测量杆同步旋转的上触发杆或下触发杆就会触发接近开关，使报警器得电并发出报警信号，提示操作人员及时调节料层厚度（图6）。
2 高炉炉前出铁场烟尘外溢控制优化
高炉炼铁工艺环保清洁生产的重要环节就是出铁场的环保治理工作， 随着高炉高风温、高煤比、高富氧、高顶压等操作手段的应用，冶炼强度的不断提高，生产工艺和操作水平的不断提升，高炉产量不断提高，烟尘的排放量也随之加大，严格的省市环保管控措施对现场环境和清洁生产的要求也越来越高。
高炉出铁场烟尘具有温度高、颗粒细、烟尘量不固定、烟尘产生时间不固定、扩散性极强、受铁口工作状态影响等特点。大型高炉每天出铁14次左右，每次出铁时间为100分钟以上，出铁时间几乎是全天连续的，烟尘也是连续不断地散发出来。出铁期间，平均每生产1t铁约产生2.5kg的烟尘，对环境污染相当严重。
2.1高炉炉前铁口烟尘自适应流体控制整流顶吸集尘罩
此方案为彻底拆除原有除尘罩体，将原有罩体主梁由500mm工字梁改为600mm工字梁，且加长至10米（原8米），宽度加宽至6米（原5米）更换原有罩体所有钢结构，从新浇筑一个支柱基础，更换并改造风口平台主梁，封闭泥炮顶部并制作侧活门，制作双层顶吸罩（固定部分），增加侧吸，活动部分增加顶吸罩（图7）。
1、烟尘捕集罩有效面积大：整体有效捕集罩有效面积60m2，出铁时散发烟尘的所有范围。
2、整个顶吸捕集罩设计考虑烟气流体设计理念：在有效覆盖范围的基础上，捕集罩收口800mm，自设置两根直径φ150mm的吸尘支管，自设置均压吸尘孔，烟尘进入箱体而带走，在不启动风机的情况下就能自流形成负压。
3、整个顶吸捕集罩强度设计采用可移动方式：横向移动至两侧，方便泥炮和开口机的检修，同时可以更有效地对烟尘进行捕集，而且可以使得风机的风量得到最大的有效利用。
4、整个顶吸捕集罩强度设计理念：烟尘捕集罩表面设置毛钩并均喷涂耐火材料，以防止罩体高温烘烤变形。
5、整个顶吸捕集罩喷水雾化功能：烟尘捕集罩内部设置喷头150个，喷头支管管径φ6mm，增大喷射压力并形成雾化，增大烟尘处理效果。
6、整体设计考虑高炉生产影响：将风口平台与捕集罩设计成一个整体，这样可使最大可能的减少了野风对捕集罩对收尘效果的影响。最大限度的封闭出铁厂烟尘，最大限度的保证安全操作及设备检修维护。
2.2“二调一稳”出铁场除尘阀门PLC控制方法：
“二调”
开口过程中调整：顶吸100%全部打开，侧吸50%控制，主沟、渣沟、支铁钩、摆动沟全部关闭，主要力保开口过程中烟尘全部清理。
出铁过程中调整：顶吸控制100%，侧吸1控制85%，侧吸2控制85%、顶吸100%，主沟撇渣器40%，摆动沟75%，渣沟90%，支铁钩50%，具体匹配风量情况参照上表。
“一稳”
停止出铁场次风门全部关闭，出铁场次风机风门稳定100%控制。
实施效果：确立“两调一稳”除尘风门控制操作法，合理分配有限除尘风量；同时研发自适应流体控制整流顶吸集尘罩，实现高炉清洁化作业。通过对高炉炉前除尘系统的优化和改造，目前高炉炉前除尘效果明显改善，唐钢3200m3 高炉出铁场为期 6 个月的烟尘治理实践实现了出铁场环境降尘年平均小于15m g／m3 （表1）
3 烧结原料系统除尘灰采用吸排车集中处理
传统烧结工序除尘灰包括机头除尘灰、机尾灰、配料灰、成品除尘灰等，它们的品质不尽相同，机头灰碱金属有害元素含量较高，机尾灰属于铁质灰吸收机尾卸料产生和环冷机的鼓风冷却产生的铁质颗粒，配料灰属于配料除尘着眼于配料室和上料室主要吸收焦粉和白灰颗粒含有碳质和CaO比较高，配加时需要考虑到对燃料比和水分波动的影响。
各个放灰点由于除尘器位置的不同，放灰流程不固定进入流程影响大，特别是采用人工放灰模式，受放灰手法和责任人影响，放灰量波动极大，严重时可以达到10kg/s，造成水份波动乃至配碳波动时有发生，特别是对布料的损害也极大。
3.1除尘灰仓+气力输灰+吸排车除尘灰收集组织模式
炼铁系统除尘灰采用吸排车集中处理，按除尘灰性质进行归类处理，量化除尘灰配料模型化生产，稳定烧结工艺过程（图8）。
采用一种除尘灰气力输灰装置，压缩空气沿助风吹管吹入气相输送管道，压缩空气气流在与气相输送管道轴线垂直分方向上的吹力，将气相输送管道内的物料进一步流态化，提高物料的流动性，既能保证输送效果，又能节约压缩空气。在压缩空气管道上设有截止阀，在助风吹管或者气相输送管道有检修或者处理问题时切断压缩空气，保证安全（图9）。
3.2建立除尘灰配料秤下料量核算模型，保证配料称精确下料
来自于各个系统的除尘灰成分区别很大，按照不同品质进行归类，可以分别进入不同的除尘灰仓，避免混品种的现象发生，更加有利于生产的稳定。
配料室各秤的下料量可以通过先称量半米料重，然后测定称量皮带转一圈的时间，利用公式进行计算。计算公式为M=a*2*s/t，其中，M为下料量，a为半米料重，s为称量皮带周长，t为称量皮带转一圈时间。所以，理论上说中控画面显示皮带秤的输出频率与s/t称量皮带的带速为严格正比例关系。
以唐钢2#烧结机9#秤为例进行验证，在称量皮带半米料重不变的情况下，课题组对6#秤输出频率与实际下料量进行了统计（表2），并对统计表中的数据进行了散点图制作和线性曲线拟合，并且R2=0.9997。说明中控画面显示皮带秤的输出频率与s/t称量皮带的带速为较严格正比例关系。依照上述关系，课题组制作了配料称下料量核算模型。通过重新设计料仓出料口控制装置，达到了恒定出料口大小，稳定半米料重的目的。将配料室岗位体力型跑盘验证转化为中控岗位输出频率监控型下料量验证。
通过除尘灰仓+气力输灰+吸排车除尘灰收集组织模式，对炼铁系统按性质（铁质、碳质、碱金属）除尘灰进行归类管理，建立除尘灰配料控制模型稳定烧结生产，实现除尘灰环保管理。
4 高炉高顶压工况条件下调压阀组的噪声处理
炼铁北区3# 3200m3高炉调压阀组建设于1997年，没有消声设备，钢平台高度为11.4米，由单薄的钢结构支架支撑着，其上游为补偿器，下游接三通。3#高炉调压阀组在前一阶段TRT未投入运行时，煤气调压阀组在工作中振动和噪声都很强烈，造成煤气调压阀组上下游管道及TRT出口管道弯头处多处被振裂。
2018年4月11日，在炉顶压力0.188Mpa、流经减压阀组煤气量42万Nm3/h的条件下，对煤气减压阀组的振动与噪声进行了测量（图10振动原理）。测量结果如下：噪声:距煤气调压阀组下游管道表面1米处噪声级117dBA。
4.1 调压阀组减震缓冲噪声结扎技术
（1）在调压阀组下游加装消声阀。
（2）在调压阀组支座和支架之间加装减振垫，支座弹性限位。
（3）在调压阀组两端增设托臂并加装三维减振器。
（4）在调压阀组各出口分管之间以H型钢进行支撑，并在此断面增设2个托臂，加装2个三维减振器。
（5）在三通下游加装补偿器。
（6）在消声阀下部设置支架，新支架和原支架之间用斜撑连接。
（7）新增补偿器两端管道上设置支架（可考虑利用别的立柱增加横梁，在横梁上再加立柱）。
（8）原支架加固。各立柱之间尽可能地加横撑和斜撑。增设横梁用来支撑三维减振器。横梁的规格和位置要在详细的减振计算完成后方可做出。
（9）部分管道与减压阀组、消声阀做隔声包扎。
（10）TRT出口大拉杆后90°弯头取消，加装1个曲管压力平衡补偿器。
4.2 合理控制调压阀组，稳定高炉顶压实现调压阀组工作最优化：
大型高炉生产过程中产生的高炉煤气，通过炉顶上升管、重力除尘器、干式布袋除尘器或文氏管湿法除尘，进入调压阀组与TRT，经过调压阀组与TRT的并联流量调节，汇入净煤气环网，并实现炉顶压力的有效调节。高炉顶压调节范围宽、要求精度高，波动也大。影响炉顶压力的因素较多，主要有炉顶下料、热风炉换炉、高炉出铁出渣、炉况等，且调压阀组的三偏心蝶阀流量特性不是完全线性，所以顶压控制的难度较大。
调压阀组是由3个DN900、1个DN600口径阀门所组成的阀组，与之并列的是陕鼓的TRT成套设备，全部为液动阀门，从理论上讲，除去DN600口径的阀门作为量程阀外，其余3个DN900的阀门均能实现相同功能，从而实现互相替换（见表3）。各个阀的功能描述如下：
（1）在顶压初步稳定的状态下量程阀固定30%-50%阀位，对顶压粗调。
（2）自动阀实现顶压的精确调节。
（3）顶压达到50kpa时消音阀关闭投入使用，实现降噪处理。
（4）快开状态在TRT重故障紧急停机或顶压超高时快开，从而保证安全。
（5）遥控阀与顶压超压连锁。
在炉顶压力0.188MPa,减压阀组进气量为42万Nm3/h的工况下，调压阀组入口侧支座立面轴向振动加速度在10~500HZ范围内第1个峰值不高于1.8m/s2；第2个峰值不高于4.4m/s2。以上数据均在振动FFT F Flat的模式下测量，在任何工况下管道不被振裂。见表4
高炉调压阀组采用减震缓冲技术调压阀组加固支撑以及噪声结扎技术，提供消音硬件支撑；同时合理匹配调压阀组控制方法，降低高炉区域噪音污染，实现低噪音清洁生产。
5 结语
课题从铁前控制的环保关键点出发，研究烧结过程中SO2、NOx的生成规律，通过大数据拟合出整个烧结过程的SO2、NOx等污染物的排放规律曲线，确立“三高一厚”烧结工艺控制技术，控制烧结烟气污染物SO2、NOx含量；通过除尘灰仓+气力输灰+吸排车除尘灰收集组织模式，对炼铁系统除尘灰进行归类管理，建立除尘灰配料控制模型稳定烧结生产，实现除尘灰环保管理。高炉出铁场环保管控核心要素实施分级管控，确立“两调一稳”除尘风门控制操作法，合理分配有限除尘风量；同时研发自适应流体控制整流顶吸集尘罩，实现高炉清洁化作业。高炉调压阀组采用减震缓冲技术调压阀组加固支撑以及噪声结扎技术，提供消音硬件支撑；同时合理匹配调压阀组控制方法，降低高炉区域噪音污染，实现低噪音清洁生产。
炼铁工序是钢铁生产的主要工序，也是钢铁联合企业的耗能大户，炼铁生产过程中产生的废气、噪音污染也比较严重。因此在炼铁工序大力推行清洁生产，对企业的节能、降耗、减污和增效具有十分重要的作用，在日趋严峻的环保形势下，清洁生产对于树立良好的企业形象也可以起到重要的支撑作用。
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