(1.四川川鍋鍋爐有限責任公司，四川 成都 610400

2.清華大學能源與動力工程系 ，北京 100084

3. 磐石建龍鋼鐵有限責任公司，吉林 磐石 132300 )

摘要：本文介紹了我國目前中高溫球團顯熱余熱回收的三種方式，并通過對比三種方式的優缺點以及其余熱利用等情況，研發出了高、中溫球團礦冷卻及顯熱余熱回收一體化耦合裝置，本裝置采用的是固固換熱技術。分析了其余熱價值及效益預期。經計算可降低其工序能耗7.55kgce/t~10.65 kgce/t，降低球團生產成本約9.06~12.78 元/噸，并對該技術進行了展望。

關鍵詞：球團；豎爐；固固換熱；一體化耦合；移動填充床

1  前 言

能源可持續利用對人類的生存和發展關系重大，是世界上各國面臨的最重要 的社會問題之一。我國工業能源消耗占全國能源總量的 66%，而工業領域的能源 消費中很大的比例是由冶金、電力、化工等高溫工業消費。這些相關高能耗行業 的生成中均直接或間接涉及到大量的高溫固體物料的處理過程，這些高溫固體處 理工序均有巨大的余熱回收利用潛力，但目前冶金行業高溫固體散料余熱的回收 利用技術普及程度尚存在提升空間。高溫余熱回收是降低發電設備能源消耗的重 要方向之一，包括煙氣、蒸氣、球團礦、燒結礦、鋼渣、高爐渣等余熱回收。《高 耗能行業重點領域節能降碳改造升級實施指南》要求： 到 2025 年，鋼鐵行業煉 鐵、煉鋼工序能效 標桿水平 以上產能比例達到 30%；同時對鋼鐵行業余熱余 能高效回收利用提出了更高的要求。高溫氣體的余熱回收在火電行業應用廣泛、 技術較成熟，但高溫球團礦、燒結礦、鋼渣、高爐渣等冶金固體散料的余熱回收 利用技術應用情況欠佳。我國的節能減排工作依然面臨著嚴峻挑戰，在未來 20 年的經濟發展中我國仍應堅持節能優先的戰略。

在工業生產中，固體產品及廢渣等余熱量很高。但大部分未回收，少量回收 也主要采用氣體作為冷卻介質，通過高溫物料→空氣、熱空氣→鍋爐受熱面的兩 次換熱，從而在傳熱和流動原理上存在弊端。一方面，增加了整個流程的不可逆 損失，降低了熱量的品位；另一方面，由于空氣的強制流動增加了系統的電耗。 同時，還存在漏風率高和高溫氣體中粉塵含量高的問題。且對一些可與空氣中某 些成分發生反應的物料以及細的粉料，則該技術不適用；而近年來新興的豎冷窯 冷卻設備，雖然解決了漏風問題，但同樣因受能耗高、冷卻不均等因素的制約未 得到推廣。

據不完全統計冶金行業豎爐球團產量約 0.8 億噸/年、燒結礦產量 10 億噸/ 年，粉煤熱解蘭炭需求量約 1 億噸/年，可回收利用的余熱接近 2200 萬噸標準 煤；這些數量巨大的高溫固體散料余熱資源的高效回收利用，對于冶金等行業實 現碳達峰、碳中和目標的意義重大。

2  豎爐球團工藝概述

項目生產工藝為：配料烘干、混合、潤磨造球篩分豎爐焙燒、冷卻成品篩分、儲存。鐵精礦與膨潤土混合配料后經膠帶輸送機運至烘干車間，在圓筒烘干機內對混合料進行烘干混勻。再至潤磨車間，以保證造球前的混合料粒度均勻。混勻后的混合料送入造球車間的料倉，經由圓盤給料機進入圓盤造球機。從圓盤造球機出來的生球進入輥式篩分機，將小于6mm和大于20mm的不合格生球篩除后，經膠帶運輸機送至造球室的混合料斗重新造球，篩分后的6mm至20mm的合格生球進入下一道工序的豎爐本體。爐體排出的熱球，經帶冷篩分后運至成品堆場。

其中矩形豎爐工藝分為布料、干燥、預熱、焙燒、均熱和冷卻這樣幾個過程。來自篩分車間的合格生球經爐頂布料設備將生球裝入爐內，球以均勻速度連續下降，燃燒室的熱氣體從噴火口進入爐內，熱氣體（自下而上）和生球（自上而下）進行熱交換。生球首先在豎爐上經過干燥脫水、預熱氧化；然后進入焙燒帶，在焙燒帶進行高溫固結反應；經過均熱帶，完成全部固結過程；焙燒好的氧化球團經過在爐子的下部的冷卻帶進行冷卻，然后從排料口排出，并通過帶式冷卻機在爐外將球團礦冷卻到100℃以下。

2.1 豎爐球團生產冷卻方式

隨著我國煉鐵工業逐漸以高堿度燒結礦合理配用酸性球團礦成為主要形式的高爐爐料結構的確立，尤其是現代煉鐵工藝對原料的苛刻要求，促使球團礦成為高爐爐料的重要組成部分。

高溫氧化球團工藝按焙燒設備不同，可分為：鏈篦機—回轉窯球團法、帶式機球團法和豎爐球團法三種。其中球團礦的冷卻是豎爐生產工藝中比較重要的環節之一。一般情況下，通過豎爐焙燒帶和均熱帶到達冷卻帶的球團溫度在1000℃以上，經爐內一次冷卻后豎爐排出的球團礦溫度仍高達600~800℃，一次冷卻很難將熾熱球團冷卻至150℃以下。但球團礦除滿足高爐入爐要求外，需要保護與延長其運輸和儲存設備的使用壽命，防止高溫球燒損皮帶。多數廠采取打水冷卻的方式，這樣雖可達到冷卻的目的，但球團礦因極熱極冷而使強度下降，以致高爐各項指標降低。單純依靠爐內一次冷卻不能從根本上解決排礦溫度過高的問題，因此，需對球團礦繼續進行二次冷卻。

2.2 余熱回收方式對比

目前，球團環冷機其最大弊端就是中低溫段余熱不能有效利用，國內常規球團冷卻方式均存在冷卻效果差、設備笨重、投資大、設備配 件較多維修工作量、維護費用高、電耗高且環保問 題無法解決等問題，運輸過程中球團礦灑落嚴重， 而且由于冷卻設備漏風率高，排放的熱廢氣溫度 低、風量小，嚴重制約了該部分余熱回收的利用。 這部分中低溫段余熱直接放散既污染環境又浪費能源，若如能對該部分球團顯熱進行回收利用，對球團生產節能具有重要意義。

（1）目前，球團/燒結礦顯熱回收主要采用環冷回收工藝。工藝路線：風冷+余熱回收。由于應用空氣作為中間介質，被加熱的空氣通過余熱鍋爐產生蒸汽，其余熱回收效率低，漏風率較高、熱空氣溫度低、粉塵排放量大、系統自用能耗高。

（2）近年來，國內開發了豎冷爐余熱回收工藝。工藝路線：風冷+余熱回收。相比于環冷機，豎冷爐具有漏風率較低、熱空氣溫度高、粉塵排放量少等優點。然而，由于空氣在豎冷爐內的換熱過程中，要穿過厚密的物料層，因此空氣的流動阻力很大，進而帶來了系統自用電耗極高，達到了發電量的30~40%。

（3）固體散料余熱直接回收技術，工藝路線：無需引入中間介質，直接余熱回收。不引入二次換熱介質，其換熱效率及回收效率大大高，更清潔、更環保。

如下表所示。固體散料余熱直接高效回收技術，具有效率高、自耗電低、更清潔、環保，應用范圍廣等特點，具有很強競爭力！同時，該技術應用在豎爐球團項目上，解決了豎爐球團原帶冷機冷卻工藝存在“大量顯熱未回收”“冷卻不充分仍需打水，污染環境”“冷卻過程煙塵量大”“自耗電高”等問題，且具有噸礦凈發電量高，排礦溫度低（＜140℃）等優點，從而實現高溫球團冷卻過程的低碳、節能、環保。同時，由于采用固固換熱慢冷工藝，成品球團礦的各項物性指標（返礦率、抗壓強度等）均有一定程度的提高。

表1 高溫球團（450～550℃）固體散料余熱回收技術對比

綜上技術對比結果：余熱回收率提升20%～30%，系統自耗電率降低20%以上，噸礦凈發電量能提升30%以上。

相比帶/環冷及燒結豎冷窯，新型高溫冶金固體散料余熱高效回收技術不僅使系統更為簡單，自耗電大大降低；同時，能得到高品位的蒸汽，大大提高了高溫物料的顯熱回收效率。

 2022 年5月，由四川川鍋鍋爐有限責任公司聯合國內高校設計的吉林某企業豎爐球團固固直接余熱回收工程正式投產運行，采用新型高溫冶金固體散料余熱高效回收技術，連續運行至今。期間，鍋爐運行平穩，入爐料溫和主蒸汽溫度，無明顯波動。

入爐球團溫度509℃時，噸礦凈發電量可達16kWh/t，余熱利用率81%，系統自耗電量小于10%。

從2022年5月穩定運行至今，各項指標均有大幅度改善，具體如下：

（1）、多發電：該技術裝備投用后由過去的余熱直接外排無回收蒸汽，提升到新增蒸汽180.9噸/日 ，日新增蒸汽發電量3.29萬kwh。

（2）、少用電：投用前原帶冷機鼓風冷卻日用電量3625kwh，投用后球團礦余熱直接回收裝備日用電量2739.6kwh，降低885.4kwh；

（3）、降工序能耗：裝置投用后可降低工序能耗7.55kgce/t，豎爐球團工序能耗19.75kgce/t降低至12.2kgce/t。達到粗鋼生產主要工序單位產品能源消耗限額標準（GB21256-2013）的先進值（15kgce/t）。

（4）、球團礦質量：

由于新型高溫冶金固體散料余熱高效回收技術為緩冷工藝，經過該裝置冷卻后，球團的碎球率、返礦率、轉鼓指數、抗壓強度等較傳統帶冷工藝均有所改善。

（5）排礦溫度：投用前球團礦排礦溫度350℃，投用后排礦溫度＜120℃，成品皮帶使用壽命大大提升（無過熱起泡老化等），可有效降低成品皮帶費用。

圖1 球團礦產品

（6）現場環境：投用前高溫球團礦通過帶冷機鼓風冷卻，設備漏風率高，球團礦冷卻效果差，被迫打水冷卻，煙塵量大造成環保壓力大。投用后高溫球團礦在封閉的固固換熱器內完成冷卻，無需引入中間換熱介質，冷卻效果好，球團礦杜絕了打水冷卻，環境改善明顯。

同時對于行業來說，實現首例不通過空氣為媒介對固態塊狀物料顯熱進行回收，改善球團礦冶金性能，實現固態物料顯熱回收，綠色環保。在行業內部具有較高的推廣價值，有效降低行業球團礦生產的能源消耗。

3. 高溫冶金固體散料余熱高效回收技術特點

3.1 技術特點

針對傳統高溫固體散料余熱回收工藝存在：余熱取熱困難、余熱回收效率低、余熱品位低下、余熱回收電耗高等問題，新型冶金固體散料余熱直接高效回收裝置是在不引入中間換熱介質的情況下，在高溫物料出口端設置一套高溫固體物料余熱直接回收鍋爐裝置，高溫固體散料由該固固換熱鍋爐頂部物料入口進入，利用自身重力向下緩慢流動，通過移動填充床固體換熱方式，鍋爐受熱面管束將高溫顆粒降溫過程中釋放的熱量直接吸收轉變成過熱蒸汽。該系統完全摒棄了傳統的帶冷機空氣兩次換熱才能轉化為蒸汽這種不可逆損失大的方 式，大大提高顯熱回收效率，余熱回收所產生的高品質過熱蒸汽可用于汽輪機 發電或其他供熱，系統自耗電低，同時不會產生二次污染。

3.2 技術創新點

（1）揭示了基于接觸導熱、氣膜對流傳熱和輻射換熱耦合的固體直接換熱的機理， 提出了實現高溫固體散料與管壁的高效換熱方法，開發了適用于固體散料余熱直接回收的 余熱回收裝置受熱面結構，研制了高溫固體散料冷卻與余熱回收一體化耦合技術裝置，余 熱回收率達到 80%以上。 （2）揭示了重力條件下高溫固體散料在受熱面密集管束間的下行流動及對管壁的磨 損機理，找到了防止高溫固體散料顆粒在受熱面管束內阻塞及管壁防磨的方法，實現了球 團物料對受熱面管實測磨損量＜0.035mm/年，滿足換熱裝置的工程長壽命應用需要。 （3）開發了適用于高溫固體散料余熱直接回收的鍋爐以及與之匹配的長距離大傾角 保溫轉運、熱篩分、熱破碎等裝置，形成了高溫固體散料余熱直接回收技術，集成開發了 成套裝備，系統自耗電率小于10%。

3.3 工藝余熱價值及效益預期

表2 高溫固固換熱專職參數和效益分析

4  結論

“高溫固體散料余熱直接回收技術”創新了高溫物料余熱直接高效回收的換熱方法，大幅度減少了風冷和水冷等二次換熱中的不可逆損失，提高了回收的余熱品位，從原理上克服了傳統技術中從高溫固體散料取熱困難、余熱回收效率低、余熱品質差以及自耗電高等缺陷。該技術成功解決了高溫散料的穩定流動、受熱面管壁磨損、橫掠管傳熱強化等問題，具有余熱利用率高、自耗電量低、凈發電率高、污染小的特點，工程應用效果顯著，為國內外首創。

 該技術應用于煉鐵工藝中豎爐高溫球團的余熱回收，可降低球團工序能耗7.55kgce/t以上，避免了傳統風冷時所產生的粉塵、噪聲污染，同時球團抗壓強度、碎球率等指標均有不同程度的改善。該技術成果解決了中小型豎爐球團工藝的能量回收，同時為鋼鐵企業的節能降碳改造升級提供新的路徑。

項目成果進一步在粉煤熱解高溫蘭炭余熱回收中成功拓展應用，取得了良好的經濟和社會效益，體現了該創新技術具有極高的市場價值和社會價值，在冶金、化工等工業領域中推廣應用前景廣闊。