中國鋼鐵企業(yè)燒結工序節(jié)能減排技術回顧
鋼鐵是全球經濟的基礎產品。作為國民經濟的支柱，鋼鐵工業(yè)為中國的快速增長做出了積極的貢獻。自2000年以來，中國的鐵產量增長了408％，2016年已達7億噸。全球鋼鐵產量自二十一世紀以來也有所增加，但國外鋼鐵總產量仍維持在4.5億噸左右。中國鋼鐵產量的增長速率在2005年達到最高，2008年以后鋼鐵產量占全球產量的一半以上。在鋼鐵行業(yè)淘汰落后產能以及價格因素的背景下，2014年中國的鋼鐵產量開始下降，2015年鋼鐵產量年增長率為負。
鋼產量增長的同時，含鐵爐料的產量和質量得到了快速發(fā)展。2015年燒結礦產量達到10.08億噸。鐵礦石燒結是一種典型的高耗能、高耗材且高污染的工業(yè)過程。據(jù)報道，鐵礦石燒結的能耗約占鋼鐵企業(yè)總能耗的6~10％。燒結礦是高爐主要的含鐵爐料之一，占高爐爐料結構的75％左右。燒結工序總能耗的75~80％是礦物燃料，如焦粉和無煙煤。礦物燃料的使用會產生大量溫室氣體，如CO2，SOx，NOx和二噁英，它們是鋼鐵工業(yè)主要的空氣污染源。因此，降低燒結能耗、減少環(huán)境污染、緩解能源短缺的問題變得突出。
圖1二十一世紀全球和中國的鐵和燒結礦產量：
（a）全球和中國鐵產量的變化;
（b）中國在世界鐵產量中的份額演變和中國鐵產量的增長率;
（c）中國燒結礦產量;（d）中國燒結工藝能耗。
圖2中國燒結工藝能源結構
長期以來，專家們一直致力于燒結工藝節(jié)能減排技術的研發(fā)并積累了大量的研究成果。在過去的十年里，中國在燒結工序節(jié)能減排方面取得了實質性進展。燒結過程的能耗從70 kgce/噸降至50 kgce/噸。根據(jù)以往的研究成果，燒結工藝的節(jié)能技術主要集中在以下幾個方面。
首先，使用更清潔和更高效的能源（例如半焦，生物質和天然氣）來代替焦粉和煤，以此優(yōu)化燒結燃料結構。
第二，在燒結過程中回收利用余熱。據(jù)統(tǒng)計，燒結過程的余熱總量達50％，理論二次發(fā)電量為1.62 GJ/噸？梢钥闯觯瑹Y煙氣余熱和燒結礦顯熱的二次能源利用是燒結過程節(jié)能減排的重要方向。
第三，燒結過程中燃料的高效燃燒。例如，厚料層燒結可以充分利用自蓄熱功能并降低能耗，或采用支架支撐燒結技術以提高燒結層的透氣性，促使燃料充分燃燒并提高效率。
第四，在設備改造中采用大型燒結機和燒結機系統(tǒng)漏風綜合治理技術。
我們將詳細介紹幾項先進節(jié)能技術，包括復合造塊工藝、高比例煙氣再循環(huán)燒結、燒結礦冷卻顯熱回收、均質厚料層燒結技術、燒結機系統(tǒng)漏風綜合治理技術的開發(fā)和應用。
1復合造塊技術
復合造塊技術的開發(fā)是為了平衡中國高爐的酸性和堿性爐料。細粒鐵精礦經造球機被制成酸性球團。較粗的粉礦、熔劑、燃料和返礦混合料等高堿性粗粒原料與造好的球團經過充分混合后被送入燒結機中。在點火、焙燒和燒結之后，制成了嵌有超高堿度燒結礦中的酸性球團。就成礦機理而言，復合爐料中的酸性球團通過固相反應被固化，而堿性基質與液相粘結。復合造塊技術具有以下優(yōu)點：
（1）可解決高爐酸堿爐料偏析的問題；
（2）可用于回收超細鐵精粉、灰分和其他難加工和利用的礦石資源；
（3）可將生產率提高20％以上，并節(jié)省10％以上的固體燃耗。
復合造塊技術已于2008年在包鋼投入使用，并達到了燒結層透氣性更好以及能耗更低的預期效果。具有燃耗更低的優(yōu)點，且在相同超細鐵精礦配比條件下，產量更高。
2高比例煙氣再循環(huán)燒結
煙氣的熱量占燒結工藝總熱量的20％，燒結煙氣中含有30％以上的SO2、NOx、二噁英、重金屬和其他有害物質。煙氣再循環(huán)可充分利用物理熱和化學能，并減少燒結過程中的燃耗。針對高比例煙氣再循環(huán)燒結技術，日本、德國、荷蘭、奧地利等國家已開發(fā)出多種技術。高比例煙氣再循環(huán)燒結技術在中國鋼鐵企業(yè)得到了快速發(fā)展。根據(jù)循環(huán)煙氣分為兩類：內循環(huán)技術和外循環(huán)技術。內循環(huán)中的煙氣來自燒結機主煙道，經過簡單的除塵后將氣體送入燒結機，重新參與燒結過程。反之，外循環(huán)中的煙氣來自燒結環(huán)冷機，無需除塵便可使用。
氣體溫度、氧氣體積分數(shù)和煙氣壓力是整個工藝技術的關鍵參數(shù)。針對這些參數(shù)，研究人員通過實驗室研究、數(shù)值模擬和工業(yè)測試，開展了大量的研究工作。在實驗室條件下，研究了氧含量和氣體溫度對燒結礦冶金性能的影響。結果顯示，外循環(huán)延長了高溫維持時間。此外，當循環(huán)煙氣的氧含量控制在18％或更高時，便可獲得優(yōu)質燒結礦。通過模擬氧含量和氣體溫度對燒結礦燃燒區(qū)的影響。結果表明，煙氣外循環(huán)可顯著提高燃料效率，優(yōu)化熱量分布，并改善燒結礦質量。燒結機前段和后段的煙氣具有低硫、高氧和高溫的特點，可用作循環(huán)煙氣。目前，已有超過17家鋼鐵企業(yè)采用了該項技術，并取得了良好的節(jié)能效果。
3燒結礦顯熱回收燒結工藝能耗有效利用率僅為28~29％。低效余熱資源主要包括燒結礦和廢氣顯熱。燒結機尾部的燒結礦溫度約為800~950℃。廢氣顯熱是指燒結機下風箱煙氣所攜帶的物理熱。它們分別占燒結工藝總熱量的40％和20％左右。燒結顯熱的有效利用是燒結熱回收的核心。目前，余熱回收主要是通過傳統(tǒng)的鼓風式環(huán)冷機完成。該方法的缺點是漏風率高（25~60％），余熱利用率低。干熄焦技術的豎罐式冷
圖3燒結礦余熱回收用豎罐式冷卻系統(tǒng)示意圖
豎罐式燒結冷卻系統(tǒng)起源于2009年。它的實施涉及兩個關鍵問題：（1）氣固傳熱特性決定燒結礦的冷卻效率、熱載體質量和余熱回收；（2）流阻特性決定氣體流經料層時的阻力大小和回收利用的經濟性。為了研究燒結礦豎罐式冷卻系統(tǒng)的氣固傳熱，開發(fā)了一個氣固傳熱數(shù)值模型，用該模型確定了氣固比和料層高度、研究了氣固傳熱過程的基本規(guī)律及其影響因素。了解熱燒結礦顆粒填充層/床上的壓降對于燒結礦冷卻機的分析和優(yōu)化至關重要，因為它不僅與鼓風成本直接相關，而且對整體傳熱性能也有著顯著影響。豎罐式燒結冷卻系統(tǒng)采用全封閉式換熱器，優(yōu)化了氣體比例，延長了冷卻時間，并采用了其他方法提高換熱效率。通過使用這項技術，天津天豐鋼鐵公司的噸礦發(fā)電量為27 kWh，年發(fā)電量達6600 kWh。該技術已引起廣泛關注，中國得到了普及。
4均質厚料層燒結技術
厚料層燒結技術的開發(fā)于20世紀70年代，并在中國經歷了快速發(fā)展。早期中國，燒結礦料層的厚度僅為300厘米左右。通過強力混合制粒、優(yōu)化熔劑和燃料顆粒尺寸，并采用其他措施提高燒結過程中的透氣性后，當前，料層的平均厚度已達700-1000mm。馬鋼的料層厚度已超過900厘米。料層厚度的增加可以提高燒結生產率和燒結礦質量。更重要的是，料層厚度增加后，可通過自蓄熱效應，有效降低能耗。值得注意的是，料層厚度每增加100厘米便可使能耗降低10kgce/噸。
圖4中國平均料層厚度的變化
（縱坐標為料層厚度）
料層厚度的增加也會給燒結帶來一系列問題。根據(jù)圖像分析描述的燒結塊內孔隙三維結構特征？梢杂^察到由重力引起的壓縮力對燒結塊的結構形成（尤其是在下層）有很大影響。通過高能X射線掃描成像技術，以三維方式證實了燒結塊的透氣性變化情況。燒結過程中存在自蓄熱功能，燃燒區(qū)的溫度隨火焰減少而提高。熔融帶的透氣性很大程度上取決于燒結過程中燃燒。
如何通過減少燃燒區(qū)上部的荷重來改善料層透氣性的研究很少。支架支撐燒結法是將燒結塊由安裝在燒結臺車上的棒或板支撐。通過試驗發(fā)現(xiàn)支架支撐燒結大大縮短了燒結時間，且產量也提高了近20％。這項技術已被新日鐵旗下的多座燒結機所采用，生產率得到了提高了，燒結礦質量的影響也極其微。
圖5支架支撐燒結技術安裝圖：
（a）支架支撐燒結示意圖;
（b）減載燒結工藝機理圖;
（c）生產中的支架支撐燒結。
5支架支撐燒結技術
支架支撐燒結技術的研究始于2005年。通過燒結杯試驗進一步研究了燒結混合料中的水分、支架高度和支撐面積對生產率和轉鼓指數(shù)的影響。在臺車上安裝支架后，燒結過程的燃耗平均降低了1.32％，燒結機生產率提高了6.34％，燒結礦的轉鼓指數(shù)下降了0.07％，燒結礦的篩分和耐磨指數(shù)也得到了改善。短時間內復雜的氣氛和溫度變化使支撐板在燒結期間經受快速的冷卻和加熱，致使其嚴重受損。對不同構造（一體式、兩體式和三體式）的支撐板進行了熱應力分析，提出了最合理的支撐板構造。支撐燒結已被開發(fā)用于改善重力影響下的燒結料層的透氣性。這種技術使下部料層獲得了更好的透氣性。理論分析和實驗表明，支架支撐燒結工藝對燒結料層透氣性有積極影響，由此可降低燃耗并提高燒結礦質量。
圖6支撐板的損壞與熱疲勞：
（a）實際應用中損壞的架子;
（b）疲勞試驗后超耐熱鋼的SEM掃描電鏡圖像;
（c）燒結過程中支架的熱應力分布。
6燒結機系統(tǒng)漏風綜合治理技術
燒結期間料層阻力和風箱負壓隨料層高度增加而增加，從而導致臺車側壁漏氣。風扇的功耗占燒結過程總功率的65~75％。較高的漏風率將大大降低風扇的有效功率并增加燒結過程的功耗。更重要的是，高漏風率會降低燒結礦產量并最終增加燒結能耗。漏風率降低10％便可使燒結礦產量增加6％，能耗降低2kWh，煤粉量減少1kg/噸，燒成率提高1.5~2.0％。燒結機漏風率每降低10％，就代表產量增加6％，功耗減少2kWh，燃耗減少1千克/噸。由此可見，降低漏風率是增加燒結礦產量和降低能耗的最有效方法之一。燒結漏風主要反映在彈性密封板的彈性降低、臺車欄板變形、篦條與小車之間配合松動以及臺車間縫隙增大。經過長時間的努力，開發(fā)出了一種綜合治理技術。用金屬柔磁性密封裝置替換彈簧式密封結構。臺車欄板換成復合欄板以確保欄板翹曲不會導致間隙產生。在臺車端部預埋一塊鋼銷，另一端嵌入鋼板，使該部分不會漏風。中國已完全掌握了低漏風率燒結機的設計和制造技術。中國設計的新型燒結機的漏風率可控制在30％。
通過回顧中國鐵礦石燒結節(jié)能減排方面的最新進展和研究現(xiàn)狀。雖然這些技術的應用大大降低了燒結工序的能耗，但仍存在一些缺陷需要進一步研究改進：
高比例煙氣再循環(huán)燒結：（1）需進一步研究循環(huán)煙氣對燒結過程中的燃料燃燒和燒結礦物質演變的影響；（2）目前的煙氣再循環(huán)技術未能將“污染物減排”和“余熱利用”結合起來。也就是說，為了“污染物減排”，煙氣的循環(huán)比會達到30~50％。但煙氣中的氧含量很低，且燒結各項指標明顯劣化。當利用煙氣余熱時，煙氣的循環(huán)比不超過20％。因此，迫切需要開發(fā)出能同時實現(xiàn)上述兩個目標的技術。
理論分析和實驗表明，支架支撐燒結工藝對燒結礦料層的透氣性有積極影響，它可有效降低燃耗，并提高燒結礦質量。由普通材料制成的支撐板可使用5~6個月，這會對生產帶來諸多不便。因此需要繼續(xù)研究開發(fā)出耐高溫和耐腐蝕的支撐板。支撐板的使用顯著提高了料層的透氣性，增強了燒結過程中的還原氣氛，燃料的燃燒性也得到了提高。然而，SO2和NOx的排放機制還不明晰，尚待進一步研究。
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