单良杰 孙岳琦 杨利兴 王辉 刘宝奎 张靖雨
（鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司炼铁部 辽宁营口115007 ）
摘要：鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司超低排放技术改造，炼铁部针对大宗固废的综合治理工作，磨煤机系统的混合配煤工艺的综合再利用应用进行了一些研究,实现固废产品颗粒的资源化利用。本文对高炉冶炼磨煤机生产环节中的复合燃料颗粒处理工艺进行了分析，然后对其资源化混合喷吹利用展开了探索。
关键词：固废；磨煤机；复合燃料颗粒
近年来随着国家发改委近日修订发布了新版《产业结构调整指导目录》等相继出台，国家对钢铁冶金生产企业的环保生产，冶金综合利用提出了严格的要求。因此实施节能减排、实现清洁生产、实现大宗固废的综合利用工作，治理大宗固废颗粒、环保回收污染颗粒的综合再利用，已成为钢铁行业适应社会发展要求，是今后走可持续发展道路的一种必然选择和发展趋势。是钢铁冶金生产企业推进对提高资源利用效率、改善环境质量、促进全面绿色转型发展具有重要意义；国内重点钢企对等副产品颗粒的再利用应用进行了一些研究,实现固废产品颗粒的资源化利用。本文对高炉冶炼磨煤机生产环节中的复合燃料颗粒处理工艺进行了分析，然后对其资源化混合喷吹利用展开了探索。
1 工程背景与难点
鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司是具备全流程生产工艺的现代化冶金企业。高炉冶炼全套生产工艺，近年来随着鞍钢股份有限公司安全环保部、鲅鱼圈钢铁分公司炼铁部积极响应政府号召，有序稳步推进钢铁行业超低排放，2023年间，陆续对鲅鱼圈钢铁分公司内的设备设施实现了技术改造，特别是炼铁部的高炉、煤粉、运上料等系统扩充新增除尘设施，为了实现全流程生产过程中的生产颗粒物排放低于≤10mg/Nm3的要求，我们鲅鱼圈钢铁分公司陆续改造了部分超低排项目，其中的副产品回收的煤粉类的除尘灰等固废的综合利用工作也陆续实现了回收利用。通过环保设施回收的煤粉扬尘污染颗粒经过收集后混合进入煤粉原料煤中，实现高炉喷吹综合再利用、也相应实现了循环利用，对原有的干熄焦资源化利用实现了补充。
但是，对比原有的干法熄焦混合配煤工艺，也相应的需要进行适应性调整与进一步的研究。
2 关键问题分析及解决
2.1 原有的干熄焦颗粒制煤资源
随着干熄焦技术的普遍应用，产生数量可观的大量干熄焦除尘灰。相关资料表明，炼焦生产产生的除尘灰大约占到焦炭产量的4％左右。同行业单位一些钢厂将干熄焦除尘灰用于烧结生产原料，取代部分焦粉或无烟煤：或者收集焦粉都用在发电厂置换动力煤，这部分焦粉只能露天堆积存放在加湿后运输，全程开放式的操作，使现场环境污染严重，工艺是比较落后的。
基于以上的问题考虑，2018年以来我国国内大部分钢铁联合企业都相应的提出了干熄焦颗粒代替一定比例的无烟煤用来替代高炉喷吹煤原料的实验，经原料皮带系统输入磨煤机制备环节，经喷吹系统加压喷入高炉炉缸参与燃烧，用以置换昂贵的焦炭燃烧热量的设想。如果该设想能够实现，不仅可以缓解钢铁企业喷煤量需求不断增加，也缓解采购喷吹的无烟煤资源有限的矛盾。鲅鱼圈钢铁分公司也陆续实现干熄焦资源化利用。
鲅鱼圈钢铁分公司化工炼焦生产为干法熄焦，焦炭在熄焦和运输过程中产生大量粉尘。2018-2020年间，化工工序两套干熄焦装置产生焦粉数量预计年产为2万吨（60-100 t/d*365）, 其数量是相当可观的。一是这部分焦粉的理化性能从化学成份看与焦炭相仿。从粒度组成看与高炉用煤粉相差无几，燃烧理化指标基本相同，完全可以作为燃料喷入高炉，做到物尽其用，二是回收利用可以降低焦炭使用量，进一步平衡生铁成本。三是，通过干熄焦颗粒制煤资源的利用，相应减少原有的工艺堆放成本，可以优化鲅鱼圈钢铁分公司整体效益，处置环保固化物堆放，排放等一系列相关问题的解决，具有重要的现实应用价值，已投入使用十余年，设备运行非常稳定。
2.1.1干熄焦颗粒置换煤粉的理化分析与问题
决定喷煤置换比因素有：煤粉灰分，粒度，理论燃烧温度，煤气利用。
2.1.1.1喷煤灰分，粒度 目前我厂高炉使用无烟煤喷吹，灰分在14％～16％左右，灰分比较高，影响了置换比，一般经验表明，煤粉灰分降低1％，提高置换比1．4％～1．5％；煤粉粒度越细单位煤粉表面积越大，碳氧反应越快，相应的反应时间越短，置换比就高；
2.1.1.2理论燃烧温度：在一定范围内随理论燃烧温度升高置换比相应提高，当理论燃烧温度低于某界定值，由于煤粉的热补偿不够，影响炉缸煤气与渣铁之间的正常热交换，置换比会大幅下降，保持炉缸温度及提高理论燃烧温度，可适度提高置换比。
从理化分析可知，干熄焦除尘灰的性质与无烟煤非常相似，二者都具有固定碳含量高、挥发分低及硫含量低等特点。缺点是由于干熄焦除尘灰基本无黏结性，颗粒轻，物料吸水率极低，对煤粉生产中的配煤物料选择要求更高，当添加比例超过1％左右的时候，投注到原有配煤皮带上的干熄焦除尘灰，也会产生的除尘灰飞扬等颗粒逃逸的现象，可操作性降低，环保压力增加。需要提高工艺或者寻找更加合理的配煤工艺。
2.2 高炉区域环保尘灰物料收集处理工艺分析与问题
高炉区域内产生环保尘灰的工艺环节较多，由各级煤、矿原料皮带，运料仓储环节，烧结制备工艺，球团生产工艺环节、高炉本体除尘灰，高炉瓦斯灰等处产生。其中高炉炉尘灰是高炉冶炼过程中产生的副产品之一，是随高速上升的煤气流带离高炉的细粒炉料，含有铁和碳等多种元素的自由态和结合态以及复合物，是一种质量轻、颗粒微小且含有多种有害有毒的物质，是钢铁企业主要崮体排放物之一。其理化指标与原料燃烧的特性与原有的干熄焦除尘灰类似。
2023年间，陆续对鲅鱼圈钢铁分公司内的设备设施实现了技术改造，特别是炼铁部的高炉、煤粉、运上料等系统扩充新增除尘设施，为了实现全流程生产过程中的生产颗粒物排放低于≤10mg/Nm3的要求，我们鲅鱼圈钢铁分公司陆续改造了部分超低排项目，其中的副产品回收的煤粉类的除尘灰等固废的综合利用工作也陆续实现了回收利用。通过环保设施回收的煤粉扬尘污染颗粒经过收集后通过罐车运输到原有的煤粉干熄焦处，新建一套单独的布袋除尘装置与煤粉干熄焦输料装置连通，将其按特定的比例混合进入煤粉原料煤中，参与制备煤粉，通过喷吹系统供应高炉风口喷吹使用。这样可以实现高炉区域环保尘灰物料综合燃料的再利用、也可以把生产环节中每年产生的30-40吨大颗粒废固物集中返焦颗粒和煤粉外排颗粒，通过返料皮带或者车辆运输环节，送回煤粉上料系统皮带实现再利用。相应实现了大颗粒废固物循环利用，对原有的干熄焦资源化利用实现了补充。
3 混合料喷吹的喷吹工艺的改造
焦粉喷吹工艺：鲅鱼圈厂在2008年-2009年期间，委托鞍钢设计院，按60-100t/d设计新建设计一套焦粉罐装置，建设一套焦粉罐装置包括一组焦粉喷吹储罐，单体容积40m3 ,焦粉比重按0.6-0.7计算可储焦粉24t。在其下部装有隔离闸板阀，安装调速星形卸灰阀和双轮搅拌加湿机。实现颗粒的混合进入煤粉原料内，通过皮带运输到配煤仓，实现煤粉磨煤机生产用原料的混合生产。
焦粉工艺流程：鲅鱼圈厂利用密闭罐车从化工炼焦车间处，把集中收集的焦粉装车，运到制粉车间原煤胶带机上方的焦粉喷吹储罐处，用密闭罐车的气源动力把焦粉加压吹入焦粉喷吹储罐内。焦粉通过星形卸灰阀进入双轮搅拌加湿机，把焦粉通过雾状喷淋加湿搅拌成不再扬尘的胶粘状态后，输送原煤的原煤胶带机的上面，随同原煤均匀加入原煤仓，与原煤一起进入磨煤机，参与磨煤机制备生产干燥的200目合格煤粉颗粒，通过喷吹系统供应高炉风口喷吹使用。
原设计的问题在于，如果新增加环保尘灰物料来源多为煤皮带矿皮带的扬尘颗粒，直径较小，颗粒较轻，可能会导致混合料中干熄焦颗粒混合过多，因吸水率不均，结渣堵塞原煤通道。因此,考虑其特性性,应控制物料的上料混合速度,保证均匀上料,速度不能过快或过慢,以防止混合不均，集料等设计不足,如果条件允许,后期陆续加装设置了喷雾调流设备。以实现充分的混合搅拌，增强其胶合团聚，方便投料。
4 效果分析
4.1 如何将资源有效整合利用
绿色金融研究中心报告显示，在长流程冶金生产流程中：炼铁、炼钢、炼焦、烧结/球团、高炉工序等炼钢工艺的前置步骤，消耗了钢铁生产70%以上的能源，导致了额外的原料消耗、空气污染、能源消耗及二氧化碳排放。
根据2021年钢协会员单位能源消耗评述，国内重点钢企烧结工序能耗为48.5千克标煤/吨，最低能耗为38.48千克标煤/吨；球团工序能耗为25.23千克标煤/吨，最低能耗为15.29千克标煤/吨。绿色金融研究中心发布的报告指出，球团工艺各项污染物都处于较低水平，明显优于烧结工艺。若从造块环节减少碳排放，采用球团矿代替烧结矿作为高炉主要原料能带来巨大的碳减排效应。从技术上看，烧结与球团是对铁矿粉加工的两个重要工艺，均属于粉造块的工艺，为了生产适合高炉炼铁的原料。相比之下，球团生产对铁料原料的要求更为严格，要求铁精粉粒度较细，产生的粉尘颗粒较多，近年来国内所有的钢铁企业，为了实现生产过程中的生产颗粒物排放低于≤10mg/Nm3的要求，大量建设超低排项目，其中的副产品回收的煤粉类的除尘灰等固废的综合利用工作前景十分广阔，以有逐年升高的趋势。
4.2 混合料在社会层面中的应用分析
混合料喷吹是近年研究高炉喷吹多元化的新课题、废旧塑料，废旧橡胶轮胎垃圾等颗粒等物料颗粒的造粒，废固废弃物造粒入高炉风口喷吹替代部分人造焦炭，供应高炉反应热量，形成新的产业，还能够降低对天然煤的过度依赖开采,且燃烧热值等同或者略高于煤粉颗粒的燃烧值，废塑料是目前处理社会废塑料各种途径中能量利用最高、污染最少的一种替代焦碳煤粉的原料解决方案，只要解决废塑料颗粒造粒与煤粉物料的混合合理比率，同样的喷吹输送到高炉，因此研究废塑料气力输送是实现高炉喷吹废塑料的重要环节。
相关研究表明，在高炉喷吹环境中，气力输送的关键条件就是固气比，它是非常重要的一个输送参数，固气比提高、可以提高输送能力，可以节省能源；在输送等量废塑料的情况下，提高固气比，将减少鼓人高炉的冷风量，这将有助于提高炉内温度，帮助高炉减少热量消耗。相关研究表明，在实验室环境中给料速度及气流量一定的条件下，颗粒粒度在5～10 mm之间多种混合塑料颗粒，温度大约110～120℃造出的颗粒只是部分微热塑化，喷吹颗粒的密度受温度影响，粘结较松，密度较小。因而不超过150℃适当的提高造粒温度可以提高密度，从而进一步提高混合颗粒的流动能力。因此相应的也需要在工业生产的实际研究中，进一步验证与实验，如果其实际应用也在逐渐的被推广和应用。
4.3 工程中应用的主要问题
实验室环境表明，煤与废旧塑料颗粒的混合燃烧的最佳条件为空气流量为 400 ml／min，塑料粒度为0.8mm，塑料比例为30％， 在这个条件下添加废旧塑料可以对煤粉在高温下燃烧性能有所提高。两种主要的废塑料在高温燃烧下产生的灰烬量2％。8％皆低于煤粉所产生的灰烬量11％。 采用废塑料和粉煤混合实行高炉喷吹在技术上是可行的。随着国际市场上多元化的格局竞争，但不断的深入研究，提高了智能化操控水平和设备寿命的提高；未来开发了高炉冶炼过程中添加焦粉，高炉除尘灰，混合微塑料，废旧橡胶轮胎造粒，等合成颗粒的强化合成颗粒喷吹、从而进一步消纳全社会产生废固废弃物的工业实验，实现资源化利用；强化冶金企业消纳社会生产生活产生废固废弃物的应用，
4.4 建议
近年来随着社会经济科技的不断飞速发展,未来基于高炉喷吹颗粒物料的实际应用优势还会有一定进步,不仅能够降低整体采购成本，引导社会废固废弃物造粒入高炉风口喷吹替代部分人造焦炭，供应高炉反应热量，从而形成一套完整的产业循环体系，一方面消除社会产生废旧塑料，废旧橡胶轮胎垃圾等颗粒等物料颗粒的排放压力，形成新的产业，一方面还能够降低对天然煤的依赖开采,实际应用也在逐渐的被推广和应用。
伴随社会经济和科技两方面的不断发展,我国钢铁企业的现阶段生产工艺中对于废固物的使用逐渐趋于成熟化,不论是从生产工艺流程还是到原料替代生产中,颗粒燃料的替代燃烧、还是从球团矿料在反应器室内实验室观察理论指标到氢冶金实践实验工程中都积累了很多的实践经验,为我国钢铁企业的未来发展的相关研究工作奠定了一定的基础。现阶段虽然在混合喷吹生产稳定性以及对环境的和睦性方面仍存在一定的技术问题,但随着不断的深入研究，提高了智能化操控水平和设备寿命的提高；未来开发了高炉冶炼过程中添加混合微粉煤与废塑料合成颗粒的强化喷吹、混合废轮胎粉碎颗粒与煤颗粒的合成颗粒喷吹、从而进一步消纳全社会产生废固废弃物的工业实验，实现资源化利用；强化冶金企业消纳社会生产生活产生废固废弃物的应用，未来基于高炉喷吹颗粒物料的实际应用优势还会有一定进步,不仅能够降低整体采购成本，引导社会废固废弃物造粒入高炉风口喷吹替代部分人造焦炭，供应高炉反应热量，从而形成一套完整的产业循环体系，一方面消除社会产生废旧塑料，废旧橡胶轮胎垃圾等颗粒等物料颗粒的排放压力，形成新的产业，一方面还能够降低对天然煤的依赖开采,因此说,废固废弃物造粒混合生产应用问题在未来社会发展中的应用前景将非常的广阔。
参考文献
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