王忠英，张志刚，张 淼，张永涛，张 龙
( 中冶北方 ( 大连) 工程技术有限公司，辽宁 大连 116600)
摘 要: 氢冶金作为一项绿色低碳的先进技术，是实现我国钢铁行业减排的重要技术手段，在国内已开展了广泛深入的研究。富氢烧结是氢冶金技术的重要组成部分，能够有效降低烧结的工序能耗和烧结烟气中的 CO2 排放，提出一种烧结富氢气体喷吹系统，为富氢烧结的实现提供有益的参考。
关键词: 富氢烧结; 喷吹系统; 减少碳排放
0 引言
近年来，随着技术水平的不断进步，我国钢铁行业一直处在高质量发展阶段，在产品质量和节能减排方面都有很大提高。但是，由于我国钢铁行业仍然采用以高炉 － 转炉为主的长流程工艺，吨钢二氧化碳排放约 2. 2 t ［1］，与国外短流程工艺相比，仍处于较高水平，这对我国在预定的年份实现碳达峰与碳中和的目标非常不利。氢冶金作为一项绿色低碳的先进技术，是实现我国钢铁行业绿色低碳转型的重要技术手段 ［2］，随着研究的不断深入，已取得了阶段性的成果 ［3］。烧结工艺是钢铁流程的重要组成部分，主要采用焦粉或无烟煤等固体燃料供热，工序能耗高，是钢铁行业碳排放的主要环节之一。而富氢烧结作为氢冶金的关键技术，能够有效降低烧结的工序能耗和烧结烟气中的 CO2排放［4］，已成为国内钢铁企业和学术界研究的热点和重点 。本文提出一种烧结富氢气体喷吹系统，为富氢烧结的实现提供有益的参考。
1 设计原则
烧结富氢气体喷吹系统由喷吹装置、管道系统、监控系统三部分组成。为了保证系统工艺流程的先进和合理，技术装备水平和主要技术经济指标达到国内同类型烧结机的先进水平，节约投资，遵循的设计原则: ①安全第一，以烧结生产工艺合理为基本原则，兼顾生产操作与检修维护; ②在保证烧结正常生产的前提下，降低烧结的工序能耗，减少碳排放; ③充分利用现有设施和场地条件，最大限度地降低对烧结生产的影响; ④预留必要的接口和空间，为后续的技术升级改造创造有利条件。
2 喷吹系统
2. 1 喷吹装置
喷吹装置采用模块化设计，每个模块包括整流 罩、喷 吹 管 道、升 降 机 构、走 台、支 架。 其中整流罩装配包括轨道、车轮组、车架、罩体、密封装置; 喷吹管道包括总管、分 支 管、柔性软管、喷吹管排、管道支架; 升降机构包括管排吊架、多连杆机构、平衡吊梁、钢丝绳、滑轮、滑轮架、多回转执行器、旋转主轴、钢丝绳卷筒、带座外球面轴承、支座等。
喷吹装置设在烧结机料面上方，位于点火炉之后，与点火炉共用轨道，可根据需要移动。 模块的数量根据烧结机的规模和需求设置，模块的管道装配总管均与天然气供气管道相通。喷吹装置的功能是天然气经分支管通向整流罩内部，经柔性软管、喷吹管排喷吹出，与罩内气体混合后进入烧结料层参加烧结过程。当喷吹高度需要调整时，可通过升降机构的多回转执行器驱动，控制钢丝绳带动多连杆机构实现喷吹管排的升降调节，从而调整喷吹管排距离料面的高度。
2. 2 管道系统
管道系统指除了喷吹装置内部管道以外的管道，是给喷吹装置提供气体燃料并保证用气安全的系统，主要包括富氢气体管道、氮气管道、压缩空气管道、管道支架、阀门、管件等。
管道系统及相应的介质条件具体要求:
1) 富氢气体管道。该管道为喷吹装置提供富氢气体燃料。为了方便生产，管道上设流量计和调节阀，可根据生产实际需要调整富氢气体的供应量。富氢气体一般选择天然气，要求热值≥33. 5 MJ/Nm3 。与外部管网的接口位置在烧结主厂房外 1. 0 m处，接口处的天然气压力6 000 ～ 8 000 Pa。为了保证天然气的燃烧性能和管道防腐，要求天然气无杂质、不能含有水，如果含水量大，需要在管道接口处设除水装置。
2) 氮气管道。为了保证富氢气体管道的安全运行，在管道上设置惰性气体吹扫接口和放散管。当富氢气体管道通气前或通气结束后，采用惰性气体对管道内残存的空气或富氢气体进行吹扫清除，防止管道发生爆炸。惰性气体通常采用氮气，管道接口位置在烧结主厂房外1. 0 m 处，氮气接口压力0. 4 ～ 0. 8 MPa，要求无水、无杂质。同时，在接口总管道上设流量计和关断阀，可根据需要控制氮气的用量，保证其正常运行。
3) 压缩空气。其用于气动设备和仪表吹扫，每个喷吹装置模块的用气设备有气动调节阀、气动关断阀、流量计吹扫、热像仪冷却及吹扫。压缩空气管道接口位置在烧结主厂房外1. 0 m 处。为了保证气动设备的正常工作，压缩空气要求: ①气源接口压力为 0. 5 ～ 0. 8 MPa;
②压缩空气中油分含量≤10 mg /m3 ，无明显的有害气体或蒸汽; ③压缩空气中的杂质 ( 固体微粒) 含量应小于 0. 1 mg /m3 ，尘粒的直径不大于 3 μm; ④压缩空气的露点应比环境温度限值至少低 10 ℃。
2. 3 监控系统
监控系统是实现喷吹系统自动安全运行的关键设备，由自动检测子系统、自动控制子系统、安全管理子系统三部分组成。
1) 自动检测子系统。该子系统包括天然气压力检测、天然气流量检测、天然气温度检测、氮气压力检测、氮气流量检测、压缩空气压力检测、压缩空气流量检测、整流罩内部烟气压力检测、整流罩内部烟气温度检测、风箱支管烟气压力检测、风箱支管烟气流量检测、风箱支管烟气温度检测、天然气泄露检测等项目。所有检测通过安装在管道或整流罩上的压力传感器和流量计实现。自动检测子系统的主要功能是将所有检测项目采集到的数据同时送至自动控制子系统和安全管理子系统，作为基础数据，保证整个喷吹系统的正常运行。
2) 自动控制子系统。该子系统包括天然气压力控制、天然气流量控制、氮气压力控制、 氮气流量控制、压缩空气压力控制、压缩空气流量控制、整流罩内部烟气压力控制、整流罩内部烟气温度控制。所有控制通过安装在管道或整流罩上的自动调节阀实现。自动控制子系统的主要功能是先预定设置好喷吹系统的设计工作参数。当系统收到自动检测子系统反馈的数据后，根据生产需要自动调节相关的阀门开度，将系统参数调整至设计值，保证生产的正常运行。
3) 安全管理子系统。该子系统包括智能联锁安全防护系统、报警系统、放散管、快速切断阀、泄爆阀等。安全管理子系统的主要功能是预先设置好喷吹系统的报警和智能联锁的工作参数。当系统收到自动检测子系统反馈的数据后，智能联锁系统进行判定，如果参数达到报警值，将信号反馈给控制系统重新调整相关参数; 如果参数达到停机值，将信号反馈给控制系统自动关闭相应的快速切断阀。另外，为了防止富氢气体因某些不可控原因导致压力突然增大而损坏设备或发生爆炸的情况出现，可通过泄爆阀释放压力，保证系统的安全。
同时，考虑系统调试时不影响烧结机的正常运行，监控系统采用独立于烧结控制系统之外的单独控制系统，并可与烧结控制系统进行通讯。这样不但能够保证安全生产，而且还能够根据烧结生产的实际需要，实现天然气喷吹系统的独立自动控制与调节，不受烧结控制系统的约束。
3 系统特点
1) 喷吹装置采用模块化设计和制作，可实现在线安装，操作与维护简便。
2) 各模块的天然气喷吹装置可实现独立开启，可根据生产需要独立调节各模块的天然气喷吹量，调控手段灵活。
3) 燃气喷吹装置可根据用户要求预留相应的设备或装置的接口，为今后的扩容或改造创造有利的条件。
4) 配套设置了完善的监控手段，可实现天然气喷吹作业的合理化、均匀化、智能化。
5) 喷吹管道与烧结料面的高度可自主调节，实现各模块距离料面的孤独自主调节，满足烧结生产的需求。
6) 配套设置了完善的安全设施，确保天然气无逃逸、无异常着火、无爆炸。
4 结语
在现有条件下，当烧结工序主要采用碳基固体燃料为烧结供热时，生产 1 t 烧结矿的烧结工序能耗准入值为≤50 kg标煤 /t ［5］，CO2 排放量约为 150 kg / t ［6］。对比同等正常的烧结工况条件下，如果采用本烧结富氢气体喷吹系统，当天然气喷入量为 1 Nm3 /t 时，预期达到的技术指标为烧结工序能耗降低 3 ～ 5 kg标煤 /t，烧结工序CO2 排放量降低 10 ～ 15 kg / t。
参考文献:
［1］ 张真，杜宪军． 碳中和目标下氢冶金减碳经济性研究 ［J］．价格理论与实践，2021，( 05) : 65 － 68 + 184．
［2］ 王新东，郝良元． 现代炼铁工艺及低碳发展方向分析 ［J］．中国冶金，2021，31 ( 5) : 1 － 5．
［3］ 潘聪超，庞建明． 氢冶金技术的发展溯源与应用前景 ［J］．中国冶金，2021，31 ( 09) : 73 － 77 + 129．
［4］ 周浩宇，范晓慧，李谦，等． 氢系气体喷吹对烧结污染物释放的影响规律 ［J］． 东北大学学报 ( 自然学版) ，2021，42( 02) : 260 － 266 + 299．
［5］ 郦秀萍，张春霞，黄导，等． GB21256—2013 《粗钢生产主要工序单位产品能源消耗限额》标准解读与实施建议 ［J］．中国冶金． 2016，26 ( 03) : 47 － 52 + 61．
［6］ 李新创，李冰，霍咚梅，等． 推进中国钢铁行业低碳发展的碳排放标准思考［J］． 中国冶金，2021，31 ( 6) : 1 － 6．