李勇 李東海 馬為丁 羅磊
（重慶賽迪熱工環保工程技術有限公司，重慶401122）
摘要：轉底爐工藝已被廣泛應用于鋼鐵廠含鐵塵泥處置利用領域，其工序能耗仍存在較大的優化空間?；诔Ｒ幑に嚵鞒?，對轉底爐工序能耗的構成及原因進行了理論分析，指出轉底爐的主要消耗介質主要是煤氣和電，其高能耗的原因在于產能規模有限、原料準備工序能耗大、產品余熱回收率較低、設備密封性設計不完善等，提出了若干有針對性的優化措施建議：通過實施強化原料選擇及合理選擇預處理工藝、加強廢煙氣和高溫產品余熱回收、完善轉底爐和生球烘干機等重點設備選型設計、開發轉底爐產能提升新技術、引入智能配料模型及智慧燃燒系統等智能化控制手段以及優化生產操作管理等手段，從降低一次能介消耗和提高二次能量回收兩個方面挖潛增效,降低轉底爐工序能耗,進一步提高轉底爐技術的市場競爭力。
關鍵詞：轉底爐；工序能耗；原料選擇；余熱回收；產能提升
鋼鐵生產過程中會產生大量的固體廢棄物，其中，各類含鐵塵泥的產生量約100~120kg/噸鋼。這些含鐵塵泥含有鐵、碳、鈣、鋅、鉀、鈉等有價元素，是具有回收利用價值的二次資源。傳統的委外處置因日趨嚴格的環保管控而日益困難;簡單的直返燒結利用方式，因存在有害元素循環富集等問題而難以持續。因此，尋求合適的含鐵塵泥解決方案，成為鋼鐵企業綠色發展的一項重要課題[1-3]。
經過多年發展，以回轉窯、轉底爐代表的塵泥處理工藝，逐漸獲得行業認可，尤其是轉底爐工藝，因其原料適應性強、操作靈活、產品應用范圍廣等優點，近年來實現了大面積的推廣應用。轉底爐工藝本質上是一種煤基直接還原工藝，即通過高溫直接還原塵泥中的Fe以及Zn、Pb等有害元素，處理得到的金屬化產品作為鋼鐵冶煉原料，收集的富鋅產品作為鋅冶煉工業原料，實現固廢資源再生利用。轉底爐技術1978年始建于美國，進入21世紀后，日本陸續建成10余座轉底爐,2009年，我國馬鞍山鋼鐵公司首次從新日鐵引進該技術，此后，國內科研院所、工程技術公司通過引進消化吸收、再創新，堅持自主研發、重點攻關，成功掌握轉底爐關鍵工藝技術，實現轉底爐重點設備國產化，有力地推動轉底爐進人快速發展的軌道。近年來，沙鋼、燕鋼、寶武、京唐、新鋼、中天鋼鐵、大冶特鋼等企業已相繼建成投用轉底爐產線[4]。
盡管相較于回轉窯等其他工藝，轉底爐工序能耗相對較低，但由于其特殊的工作原理和結構特點，轉底爐工序能耗仍處于較高水平，存在較大的降耗節能的優化空間[5-6]。本文基于轉底爐處理含鐵塵泥的常規工藝流程，基于理論分析與工程實踐相結合的方法，重點分析了轉底爐工序能耗的構成和主要耗能環節，提出了相應的節能降耗優化措施，以期為轉底爐能耗挖潛增效的進一步研究和實踐提供指導。
1轉底爐工序能耗現狀分析
1.1工藝流程
一般地，鋼鐵企業含鐵含鋅塵泥主要指高爐除塵灰(泥)轉爐除塵灰(泥)、電爐除塵灰(泥)等。轉底爐工藝以上述含鐵含鋅塵泥為主要原料，配入一定比例的還原劑(CDQ粉、煤粉等)粘結劑等，加水混合均勻，然后造球或壓球，再將含濕球團送入干燥機烘干。篩除其中的細碎粉料，返回重新配料。合格尺寸的球團均勻布料到轉底爐爐床上，隨環形爐床運動一圈。爐膛內氣氛溫度1000~1300°C，停留時間20~40min。含碳球團被還原成金屬化球團，經高溫排料機排出，然后進入冷卻機冷卻，篩分出的合格尺寸成品球，送至高爐、轉爐或電爐使用，其余的粉料運送至燒結利用或返回配料工序重新處置。球團中的鋅以揮發形式隨煙氣帶走，經鍋爐余熱回收、降溫，再由除塵器凈化、捕集，逐級回收獲得氧化鋅粉副產品。典型的轉底爐工藝流程如圖1所示。
1.2 工序能耗構成分析
轉底爐產線主要消耗的能源介質包括電、水、煤氣、壓縮空氣、氮氣等[6]，不考慮蒸汽回收時，每噸產品工序能耗通常約為250~350kgce，具體數值取決于處理量、原料成分、煤氣參數、操作制度等。其中，煤氣消耗占比最大，約為70%~85%，電耗其次，占7%~10%，其余的水、壓縮空氣、氮氣等能介消耗占比極少(總和〈10%)。轉底爐煙氣余熱回收系統生產的蒸汽能量折算成標準煤70~120kgce，約占轉底爐整體工序能耗的1/3。綜上，考慮煙氣部分余熱回收后，當前轉底爐產線工序能耗基本穩定在每噸產品150~250kgce/t內。
以年處理能力20萬t的轉底爐為例，進行轉底爐本體熱平衡理論計算，計算結果如表1所示。
表1轉底爐熱平衡計算表
從表1可看到，轉底爐熱量收入的絕大部分來源于煤氣燃燒熱、還原反應中間產物二次燃燒反應熱，兩者合計共占熱收入總量的97.5%。由此可見，轉底爐的主要能量來源是煤氣和還原反應的二次燃燒放熱。鑒于轉底爐配碳劑源自高爐瓦斯灰等含碳灰的回收再利用，屬于內配碳，不計人工序能耗，因此，轉底爐本體工序能耗的主要決定性因素是煤氣。在轉底爐熱支出中，煙氣帶走的熱量占比過半(53.1%),其次是反應吸熱(27.3%)、金屬化產品帶走的熱量(12.1%)以及散熱損失(6.5%)。綜合上述分析可知:通過優化途徑降低轉底爐本體能耗，在熱收人端的體現是降低煤氣消耗，提高燃燒效率，減少漏風，體現在熱支出端則是減少煙氣和產品帶走的熱量，避免散熱損失-801.3工序能耗高的原因分析當前，轉底爐工序能耗相對較高，主要原因有以下幾點:
(1) 單位產能有限:轉底爐采用獨特的環形爐床運動形式，球團與爐床處于相對靜止狀態，為保證還原質。
量，爐床布料層透氣性要求較高，布料高度有限，爐膛空間利用率偏低，處理規模無法顯著提升，這是其單位產品能耗較高的主要原因之一
(2)原料準備工序能耗大:轉底爐需要處理污泥等含濕原料，需耗費大量能源對含濕料進行烘干預處理。物料加濕、混勻、成球是轉底爐的必要工序，而人爐前的含濕球團又需要再烘干。因此，轉底爐原料準備工序需要耗費大量的能源。
(3)余熱回收率低:轉底爐產生的高溫煙氣余熱已得到部分回收，但仍有進一步利用的空間;從轉底爐床排出的金屬化球團較高，其余熱沒有加以回收利用，存在能源浪費。
(4)密封性設計不完善:物料運輸環節存在“跑冒滴漏”，生產返料率大，漏風明顯，工藝系統有效處理率低，風煙公輔系統負荷增加，進而增加工序能耗。
(5)生產操作不規范:轉底爐是新興工藝，大多沒有形成標準化、規范化的生產操作制度，實際操作的隨意性較大，導致生產控制的人為主觀性強，性能指標不穩定，無形中也會增加工序能耗
2能耗優化措施探討
2.1 強化原料選擇
轉底爐原料的種類及特性直接影響其生產效率和產品質量。強化原料選擇，選擇合理的原料準備工藝，保證產線穩定運行，是降低工序能耗的有效途徑之一。
(1)優先選擇適合轉底爐的高鐵、高鋅、含碳原料，保證工藝順行、達產達標;
(2)選擇有害元素(堿金屬、氯元素)少、雜質少的粘結劑，改善成球效果，減少返料率，避免煙氣系統堵塞風險;
(3)加強原料成分穩定控制，原料供應保障充足連續，避免生產波動，提高系統作業率;
(4)兼顧綜合處置效益，注重不同原料在理化特性方面的配伍性，實現產線穩定，為能耗指標優化創造條件;
(5)原料準備工序應優先采用如干濕混勻搭配、自然堆晾降水等低能耗工藝，避免高能耗強制烘干工藝。
2.2 加強余熱回收
2.2.1 廢煙氣余熱回收利用
根據轉底爐熱平衡測算，轉底爐出口煙氣溫度約1100°C，煙氣帶走的熱量占轉底爐系統總熱量支出的50%多，這部分煙氣熱量應作為重點加以回收利用[9-10]。通常的轉底爐煙氣處理設施包括初沉降、余熱鍋爐、收粉除塵器等，其中，余熱鍋爐對煙氣進行降溫冷卻，同時回收部分熱量，生成過熱蒸汽外送并網或發電;到達收粉除塵器出口的煙氣溫度約150~200°C，仍含有一定的熱焓，具備進一步回收利用的必要性和可行性?？紤]到轉底爐入爐球團烘干工序需要使用大風量、低風溫煙氣，若將轉底爐煙氣系統出口的尾煙氣導入生球烘干工序作為混風使用，全部或部分地替代煙氣爐的摻冷風，減少烘干煙氣爐的煤氣消耗量。經測算，轉底爐尾氣全部回用時，烘干煤氣消耗量降低幅度約為0.12~0.15 GJ/t原料,降幅約10%~12%.較為可觀。
2.2.2 高溫產品余熱回收
從轉底爐排出的金屬化球團產品溫度高達950~1050°C，目前普遍采用的方式是以水為冷卻介質，采用冷卻機將高溫球團冷卻至200°C以下。高溫球團的熱焓全部散失，沒有回收利用，造成熱量浪費[11]。從表1中可以看到,金屬化球團帶走的熱量約15.89GJ/h，占總熱支出的12.1%。若對金屬化球團冷卻工藝加以改進:在球團冷卻的同時，將其熱量收集轉化成熱水或蒸汽，假設冷卻后球團溫度150°C，熱量回收轉化率為80%,則回收的熱量可達11.67 GJ/h,折合12.4 kgce/t原料，也就是，通過改進高溫金屬化產品冷卻、增設余熱回收工藝可以將轉底爐整體工序能耗每噸原料降低約12.4kg標準煤。
2.3完善重點設備選型設計
2.3.1 加強密封性設計
加強轉底爐關鍵設備密封性設計，減少系統漏風，提高生產效率，降低工序能耗，主要可從以下三個方面著手:
(1) 加強轉底爐本體密封設計。轉底爐爐膛環境理論上處于全封閉式微負壓，但轉底爐作為大型的非標設計設備，結構復雜、部件繁多,設計、制造和安裝要求較高，轉底爐進出料口、爐門、爐體、爐底機械等部位存在縫隙，實際生產過程中，這些縫隙部位因爐內外壓差而形成漏風，大量的環境風進入爐內被加熱，最終隨煙氣帶走[12]。以轉底爐進料口為例，振動布料器和爐頂板之間呈脫開狀態，與大氣直接連通，此處縫隙漏風量估算約為8000~12000m2/h(標準),這些環境風進入爐體后，一方面勢必對爐膛內煙氣流和溫度場形成干擾，另一方面增加轉底爐煤氣消耗，加重煙氣系統負荷。如果針對轉底爐振動布料方式開展密封性改進優化，或者摒棄振動布料方式，采用緩沖倉下密封布料方式，從源頭上杜絕轉底爐布料敞口漏風，則轉底爐的燃氣介質能耗量將降低約10%~25%，轉底爐本體煙氣排放量降低約15%~30%。
(2)加強生球干燥機密封設計。生球干燥機是轉底爐全線的第二大能耗大戶，干燥機熱源通常采用煤氣燃燒的煙氣爐，其煤氣消耗量占全線總煤氣消耗量的1/4~1/3。最常見的生球干燥機為低溫鏈篦機，漏風率高達20%~40%，大量的煙氣熱量用于加熱“野風”，沒有有效作用于球團，造成能源浪費[13]。因此摒棄鏈篦機結構形式，選擇適應性更強、結構更為合理、密封性更好的全密閉式環保型生球烘干機，將漏風率控制在15%以內，減少漏風竄風概率，生球烘干效率更高，工序能耗更低
(3)對原料、成品運輸倒運過程中的易泄漏部位開展密封優化設計。針對膠帶機、刮板機等，不同的泄漏點，設計合理的密封結構，如采用多重密封、減少倒運次數、降低物料落差、增加密封墊等，確保物流系統的密封性能，最大程度減少漏風揚塵，減少“跑冒滴漏”產生的返料，降低除塵負荷和系統運行能耗，避免多次重復加工帶來的能耗，提高生產效率。
2.3.2 改進轉底爐本體燃燒工藝
轉底爐本體采用高效燃燒器，確保燃料完全燃燒提高燃料利用率;優先選擇高熱值、低污染的燃料，如天然氣、焦爐煤氣等，有助于降低能源消耗，減少廢氣排放;有條件時盡量采用富氧燃燒、燃料和助燃風預熱處理工藝，確保燃燒充分和高燃燒效率;開展大數據分析，實施自動化智能化控制策略，優化空燃比，實現精準的燃燒管理和爐膛溫度控制，確保最佳燃燒狀態。此外，轉底爐爐膛結構應加強優化設計，改善熱流分布，減少熱量浪費。
2.4 研發提升產能新技術
鋼鐵行業具有典型的規模經濟效應，處理規模越大，產量越高，則單位產品所分攤到的消耗成本越小。轉底爐產線亦是如此。轉底爐爐膛空間高度約1.5m，受限于還原反應限制性環節，轉底爐爐床只能布料1~2層含碳球團，厚度僅30~40mm，爐膛空間利用率嚴重不足，產量無法大幅提升[14];轉底爐通過燃燒煤氣實現輻射加熱，僅少量的熱量實際作用于反應工質，大。部分隨煙氣帶走，嚴重制約轉底爐本體的能量利用效率。如果在保證料層透氣性的前提下，能將爐床布料厚度提高50%(產能提升約50%，布料厚度45~60mm)，則轉底爐本體的單位產品煤氣消耗量可降低約15%~20%，如果通過合適的手段將產能翻倍，則單位產品煤氣消耗將降低約25%~35%。
2.5 引入智能化控制手段
轉底爐配料工藝決定產線原料質量，對混合料質量、成球水平和返料率、烘干機干燥效果等爐前工序能耗均存在較大的影響。轉底爐本體作為全產線的中心，同時也是全線能介消耗大戶，其爐膛溫度、氣氛和爐底轉速等與燃燒效果、產品質量及產量指標密切相關。在實際生產過程中，由于原料的成分和種類、煤氣熱值等均不可避免地存在波動，人工操作具有局限性，配料精度難以保證，爐膛溫度和氣氛不易穩定，從而產品質量和工序能耗不穩定。引人智能化控制手段，一方面通過原料數據的實時采集和處理，結合機器學習和大數據分析，自動計算，動態尋優，實現最優化配料方案，提高原料配料精度;另一方面通過收集轉底爐本體各點溫度、壓力、煤氣參數、流量等數據，加以專家系統開展分析，協調控制轉底爐溫度、氣氛、轉速等參數，實現爐內氣氛及燃燒溫度場的精準控制，減少誤差，確保生產指標的一致性和穩定性，可最大程度地優化整體工序能耗。
2.6 優化生產操作管理
制定合理的生產計劃，確保生產過程的穩定性和連續性;建立高效的物料管理系統，減少物料等待時間和倒運次數;建立工藝停爐(機)設備檢修節電運行制度，降低生產能耗;加強設備巡檢和維護，確保設備處于良好的運行狀態;嚴格按照標準化操作，避免人為失誤導致的能源浪費;加強節能宣傳和培訓，提高節能意識和自覺性。
3結論
轉底爐工藝被廣泛應用于處置鋼鐵廠塵泥固廢，具有原料適應性廣、作業率高、產品質量好、指標穩定等優點。轉底爐工序能耗相對較高，可通過實施強化原料選擇、加強余熱回收、完善設備選型設計、研發提產新技術、引入智能化控制及優化生產操作管理等手段，挖潛增效，降低轉底爐工序能耗，這也將有助于轉底爐進一步發揮其技術優勢，提高效率效益，推動轉底爐技術的繼續發展。
參考文獻
[1] 李 巖，趙志堅,馮懷萱，等.轉底爐處理鋼鐵廠含鋅塵泥工藝技術[J].燒結球團,2022,47(6):106-115,145.
[2] 劉勝濤，王 凱，朱 利.首秦資源類固廢綜合回收利用實踐[J].中國冶金,2018,28(11):73-88.
[3] 楊春善，任明欣.日照鋼鐵固廢塵泥處理實踐[J].鋼鐵，2019,54(4) :83 -91,98.
[4] 李東海.轉底爐處理冶金含鋅塵泥技術工業化歷程概述[J].工業加熱,2022,51(9):1-4.
[5] 金永龍，劉思遠，秦國旗，等.典型的處置鋼鐵企業含鋅固廢工藝的能效分析[J].冶金能源,2022,41(3):18-22.
[6]張江鳴，任 煜，廖二冬.轉底爐處理冶金固廢的節能研究與應用[J].2022,40(6):180-184.
[7]李 鈺.轉底爐處理冶金含鐵固廢系統的能量分析及優化[D].沈陽:東北大學,2020.
[8]趙昕力，秦 勤，于慶波，等.轉底爐處理含鐵塵泥系統的煙分析[J].材料與冶金學報,2022,21(3):200-205.
[9]李漢華，原 輝.轉底爐煙氣余熱再利用發電[J].中國設備工程,2015(5):60-63.
[10]秦 潔，劉功國，吳秋廷，等.轉底爐高溫煙氣余熱回收利用分析研究[J].礦冶,2011,20(4):86-90.
[11]屈海博.轉底爐金屬化球團熱裝熱送技術研究[J].山西冶金,2023(1):154-155,158.
[12]高金濤，周春芳，朱 榮，等.轉底爐分區域供熱研究[J].北京科技大學學,2014,36(1):110-116.
[13]趙 冰，王百重，于青松.鏈篦干燥機的應用與結構優化[J].工業技術,2018(9):89-90.
[14]徐健祥.厚料層轉底爐含鐵塵泥直接還原模擬研究[D].沈陽:東北大學,2021.