燒結工序節能減排技術應用研究

王 瑩

（天津市新天鋼聯合特鋼有限公司，天津 301500）

0 引言

近年來，隨著我國對大氣污染防治的重視力度的不斷加大，鋼鐵行業已經成為節能減排中的重要行業之一，而作為鋼鐵行業的重要環節，燒結工序在實際生產中存在高耗能和高污染問題。

截至2022 年底，我國電力行業針對節能減排技術的設備改造完成率已經達到92%，大氣污染的防治方向已經從電力行業向鋼鐵行業轉移[1]。根據相關數據顯示，2021 年我國鋼鐵行業中顆粒物、二氧化硫及氮氧化物等主要大氣污染物的排放量分別占到工業行業的30%、14%和16%，位居非電行業的首位，已經成為目前排放污染物的重要來源。而對于鋼鐵行業來說，燒結工序具有高耗能、高污染的特點，在整個鋼鐵生產和作業中的能耗可達到20%，因此燒結工序也是目前鋼鐵生產中主要的污染來源，其污染物排放量在鋼鐵行業中所占比例達到50%，針對燒結工序的節能減排工作具有巨大的發展潛力[2]。為了進一步推動燒結工序的節能減排，本文針對燒結工序排放物的特點和利用現狀進行深入分析和研究，對厚料層燒結、燒結煙氣循環等利用技術的優點和劣勢進行綜合分析，為燒結工序的節能減排技術優化提供借鑒和參考。

1 燒結工序排放煙氣的特點

燒結工序在具體生產過程中，具有參數波動性大、煙氣排放量大的特點，每噸燒結礦所排放的煙氣可以達到5 000～6 000 m3，排放的煙氣溫度最高可達180 ℃，φ（O2）≈16%，φ（H2O2）≈12%，ρ（SO2）=4000mg/m3，氮氧化物的質量濃度能夠達到300 mg/m3，φ（CO）能夠達到2%左右，φ（CO2）能夠達到5%左右，在燒結工序煙氣中還含有大量的氟化物等顆粒物[3]。

以天津市新天鋼聯合特鋼有限公司燒結機為例，在燒結機的整個框架中遍布了25 個風箱，其中煙氣的溫度和各零部件的風箱分布特點均呈現火山型，煙氣中的二氧化硫在長度方向分布也呈現火山型。礦物質和燃料經過燃燒之后，所生成的二氧化硫被冷凝水吸入，濕氣較重，尤其在過濕帶消失之后，氮氧化物被大量釋放，氮氧化物在燃燒帶發展后顯著增加，并呈現逐漸穩定的變化趨勢，在燒結結束時逐漸降至零。其主要原因是氮氧化物的主要來源是燃料衍生的氮氧化物，而氧氣和二氧化碳是燃燒后的主要反應物，兩者常見的趨勢為相反趨勢[4]。

2 燒結工序余熱利用技術現狀

在燒結工序中會產生余熱富集，該熱量在整個鋼鐵生產所產生的總熱中占比15%，燒結礦產生的余熱約為1.05 GJ/t。燒結余熱的回收主要利用燒結礦的顯熱，因為燒結產生的廢氣顯熱占32%，燒結礦的顯熱占68%。在回收過程中，燒結礦的顯熱主要利用環形冷卻器部件進行回收，根據煙氣溫度的不同，環形冷卻器分為高、中、低三個溫度段。目前，我國采用的燒結工藝余熱利用技術主要是對煙氣高溫部分的余熱進行充分回收，回收的余熱資源主要用于加熱高溫鍋爐，而中、低溫煙氣的余熱回收主要用于熱風燒結和余熱混合[5]。

我國目前采用的冷卻工藝在設計和施工上存在一定問題，導致燒結余熱回收過程中存在以下主要問題：

1）由于橡膠板磨損和老化造成的漏風以及熱廢氣的低溫問題比較嚴重，造成風箱和轉向架的靜態和動態橡膠密封沒有充分擰緊，容易導致大量的受到污染的空氣被排放到空氣中。

2）冷空氣容易通過架扶手和集塵罩的縫隙進入環形冷卻器，在整個冷卻過程中，漏風率高達45%左右。環形冷卻過程中采用的空氣-固體傳熱方式主要是交叉交錯傳熱，由于材料層相對較薄，這導致了相對大量的熱廢氣被排出且溫度較低。

3）從臺車欄板和集氣罩縫隙中所進入的冷空氣，會造成熱廢氣溫度的不斷下降，最終導致熱廢氣存在品位低的問題。

燒結余熱在回收過程中所存在的主要問題是造成燒結余熱回收率較低的主要原因，目前我國燒結余熱回收利用率只有46%左右，這與日本的鋼鐵行業燒結余熱回收率95%的差距較大，因此燒結工序中余熱的回收利用率有待進一步提高。

3 燒結工序中節能減排技術的應用

通過對燒結煙氣的特點進行分析，探討燒結廢熱利用技術的具體情況，可以看出要使燒結工序中節能減排技術得到應用，主要可以從降低固體燃料的燃燒以及提高燒結余熱回收效率入手。本文通過借助厚料層燒結技術和燒結廢氣回收技術，對燒結廢氣的節能減排技術進行了詳細分析。

3.1 厚料層燒結技術

厚料層是指在低能耗標準下的燒結料層高，主要是在一定約束條件下為提高燒結礦的燒成質量而采用的燒結料層厚度。厚料層燒結技術是最先進的燒結技術之一，主要通過發展自動蓄熱來節約能源和提高燒結礦的質量。

增加燒結料層的厚度可以提高燒結料層的儲熱能力，從而大大減少固體燃料的使用。研究表明，燒結料層的厚度每增加10 mm，就可以節省作為固體燃料的焦粉0.4 kg/t，還可以減少燃料燃燒產生的二氧化硫等污染物的排放。同時，由于燃料的使用明顯減少，進一步增加氧化氣氛，可以使燒結礦中的氧化鐵含量不斷降低，也能使燒結體的還原性能得到改善。垂直燒結增加了燒結礦的點火時間，使燒結礦上部熱量供應豐富，表層的原礦比例不斷降低。同時，厚燒結層的厚度增加，降低了點火溫度，減少了熱應力，進一步避免了因表面溫度驟降而造成的破碎，使表面燒結礦的鼓風強度進一步提高、平均粉體質量進一步降低，從而使整個燒結礦的溫度保持時間進一步延長，還可以實現礦物結晶度的提高及燒結礦結構的進一步富集。

在燒結工序中，整個過程自動積聚熱量，燒結過程的上部比較冷、下部比較熱，這種現象因材料層厚度的增加而加劇，最終導致燒結材料層下部的過度填充，進一步降低了燒結礦石的質量。在燒結過程中，垂直燒結的速度明顯降低，這使得燒結機的利用率和燒結礦的產量下降。所以通過利用多種措施對燒結料層的溫度分布加以改善，能夠使垂直燒結速度有效降低，也會使燒結礦的質量不斷提高，主要措施有：通過加強混合造粒，提高料層的透氣性；通過使用大容量風機，進一步增加燒結過程中的空氣流量；進一步加強燒結機漏料塞的運行，進一步降低漏風率；通過調整燃料分布，有效解決過熔底造成的漏風問題。

近年來，在不斷普及厚料層燒結技術的同時，伴隨而來的是燒結層材料厚度的不斷增加。根據相關數據顯示，近年來我國所使用的燒結機的燒結層厚度已經達到500 mm 以上，尤其在2022 年，部分鋼鐵企業的燒結層厚度已經突破1 000 mm。

3.2 燒結廢氣回收技術

燒結廢氣回收技術（見圖1）是一種將排出的廢氣返回燒結臺車并以節能減排的方式重新利用的燒結技術。燒結后的廢氣通過燒結層將其顯熱和含有的二氧化碳及其他污染物進行二次燃燒，進一步減少了固體燃料的使用。而循環煙氣中所包含的一氧化碳等污染物會使料層的局部被還原，在鐵氧體鈣等礦物的催化作用下，廢氣中的氮氧化物減少，循環廢氣中的污染物二惡英在高溫燃燒后被分解。此外，煙氣循環也會降低煙氣的排放量，煙氣中產生的大量二氧化硫等污染物在污染物的控制設備中也得到有效回收。

圖1 燒結廢氣回收技術示意圖

循環煙氣的成分和溫度變化對燒結礦的產量和質量有很大影響，主要表現在以下幾個方面：

1）循環煙氣中φ（O2）降到12%以后，燒結礦的質量明顯變差；

2）在循環煙氣中，所產生的二氧化硫大量富集，會使燒結礦的煉鐵工序更為復雜；

3）在循環煙氣中，過氧化氫的大量排出使料層的過濕情況更加嚴重，同時也使惡化料層的透氣性進一步惡化；

4）循環煙氣會使燒結料層的溫度分布情況明顯改善，尤其在燒結礦產質量不斷提升、溫度達到240 ℃之后，如果循環煙氣的溫度繼續上升，燒結礦的質量會逐漸下降。

從上述原因可以看出，循環煙氣中φ（O2）一般應不低于12%，φ（H2O2）應該小于7%，ρ（SO2）也應該小于1 300 mg/m3，溫度應該控制在240 ℃左右。

由于抽氣點分布的不同，在燒結環節中從抽氣扇抽氣稱為外循環工藝，而從鼓風室直接抽氣則稱為內循環工藝。外循環工藝的優點是操作簡單、工時少，但由于循環廢氣的含水量高、含氧量低，燒結床的透氣性不斷下降，特別是在原料燃燒時，如果燃燒不充分，會導致燒結質量大幅度下降，所以外循環工藝在國內燒結工藝中適用范圍較窄。然而，采用內循環工藝時可以靈活調整，通過調整循環煙氣的溫度和成分，最終達到減少廢氣、節能減排的效果，因此在實際的燒結工藝中，內循環工藝的使用更為廣泛。

4 結論

1）對于厚料層燒結技術來說，增加燒結料層厚度，可以有效提高料層蓄熱率，減少固體燃料的燃燒，進而減少污染物的產生。

2）在應用厚料層燒結技術時，解決燒結材料層厚度與垂直燒結率之間的矛盾是最重要的。

3）燒結廢氣的內循環工藝是未來鋼鐵行業燒結綠色化的主要趨勢，其關鍵技術在于結合煙氣的實際排放特點及工藝水平，選取合適的取氣風箱和煙氣循環率。