中國鋼鐵企業(yè)燒結(jié)工序節(jié)能減排技術(shù)回顧
鋼鐵是全球經(jīng)濟的基礎產(chǎn)品。作為國民經(jīng)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(chǎn)量增長了408％，2016年已達7億噸。全球鋼鐵產(chǎn)量自二十一世紀以來也有所增加，但國外鋼鐵總產(chǎn)量仍維持在4.5億噸左右。中國鋼鐵產(chǎn)量的增長速率在2005年達到最高，2008年以后鋼鐵產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的一半以上。在鋼鐵行業(yè)淘汰落后產(chǎn)能以及價格因素的背景下，2014年中國的鋼鐵產(chǎn)量開始下降，2015年鋼鐵產(chǎn)量年增長率為負。
鋼產(chǎn)量增長的同時，含鐵爐料的產(chǎn)量和質(zhì)量得到了快速發(fā)展。2015年燒結(jié)礦產(chǎn)量達到10.08億噸。鐵礦石燒結(jié)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(jié)的能耗約占鋼鐵企業(yè)總能耗的6~10％。燒結(jié)礦是高爐主要的含鐵爐料之一，占高爐爐料結(jié)構(gòu)的75％左右。燒結(jié)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(chǎn)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(jié)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(jié)礦產(chǎn)量：
（a）全球和中國鐵產(chǎn)量的變化;
（b）中國在世界鐵產(chǎn)量中的份額演變和中國鐵產(chǎn)量的增長率;
（c）中國燒結(jié)礦產(chǎn)量;（d）中國燒結(jié)工藝能耗。
圖2中國燒結(jié)工藝能源結(jié)構(gòu)
長期以來，專家們一直致力于燒結(jié)工藝節(jié)能減排技術(shù)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(jié)工序節(jié)能減排方面取得了實質(zhì)性進展。燒結(jié)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(jié)工藝的節(jié)能技術(shù)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(zhì)和天然氣）來代替焦粉和煤，以此優(yōu)化燒結(jié)燃料結(jié)構(gòu)。
第二，在燒結(jié)過程中回收利用余熱。據(jù)統(tǒng)計，燒結(jié)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，燒結(jié)煙氣余熱和燒結(jié)礦顯熱的二次能源利用是燒結(jié)過程節(jié)能減排的重要方向。
第三，燒結(jié)過程中燃料的高效燃燒。例如，厚料層燒結(jié)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(jié)技術(shù)以提高燒結(jié)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(jié)機和燒結(jié)機系統(tǒng)漏風綜合治理技術(shù)。
我們將詳細介紹幾項先進節(jié)能技術(shù)，包括復合造塊工藝、高比例煙氣再循環(huán)燒結(jié)、燒結(jié)礦冷卻顯熱回收、均質(zhì)厚料層燒結(jié)技術(shù)、燒結(jié)機系統(tǒng)漏風綜合治理技術(shù)的開發(fā)和應用。
1復合造塊技術(shù)
復合造塊技術(shù)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(jīng)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(jīng)過充分混合后被送入燒結(jié)機中。在點火、焙燒和燒結(jié)之后，制成了嵌有超高堿度燒結(jié)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(zhì)與液相粘結(jié)。復合造塊技術(shù)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(chǎn)率提高20％以上，并節(jié)省10％以上的固體燃耗。
復合造塊技術(shù)已于2008年在包鋼投入使用，并達到了燒結(jié)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(chǎn)量更高。
2高比例煙氣再循環(huán)燒結(jié)
煙氣的熱量占燒結(jié)工藝總熱量的20％，燒結(jié)煙氣中含有30％以上的SO2、NOx、二噁英、重金屬和其他有害物質(zhì)。煙氣再循環(huán)可充分利用物理熱和化學能，并減少燒結(jié)過程中的燃耗。針對高比例煙氣再循環(huán)燒結(jié)技術(shù)，日本、德國、荷蘭、奧地利等國家已開發(fā)出多種技術(shù)。高比例煙氣再循環(huán)燒結(jié)技術(shù)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(nèi)循環(huán)技術(shù)和外循環(huán)技術(shù)。內(nèi)循環(huán)中的煙氣來自燒結(jié)機主煙道，經(jīng)過簡單的除塵后將氣體送入燒結(jié)機，重新參與燒結(jié)過程。反之，外循環(huán)中的煙氣來自燒結(jié)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(shù)的關(guān)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(jié)礦冶金性能的影響。結(jié)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(zhì)燒結(jié)礦。通過模擬氧含量和氣體溫度對燒結(jié)礦燃燒區(qū)的影響。結(jié)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(jié)礦質(zhì)量。燒結(jié)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(shù)，并取得了良好的節(jié)能效果。
3燒結(jié)礦顯熱回收燒結(jié)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(jié)礦和廢氣顯熱。燒結(jié)機尾部的燒結(jié)礦溫度約為800~950℃。廢氣顯熱是指燒結(jié)機下風箱煙氣所攜帶的物理熱。它們分別占燒結(jié)工藝總熱量的40％和20％左右。燒結(jié)顯熱的有效利用是燒結(jié)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(shù)的豎罐式冷
圖3燒結(jié)礦余熱回收用豎罐式冷卻系統(tǒng)示意圖
豎罐式燒結(jié)冷卻系統(tǒng)起源于2009年。它的實施涉及兩個關(guān)鍵問題：（1）氣固傳熱特性決定燒結(jié)礦的冷卻效率、熱載體質(zhì)量和余熱回收；（2）流阻特性決定氣體流經(jīng)料層時的阻力大小和回收利用的經(jīng)濟性。為了研究燒結(jié)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(jié)礦顆粒填充層/床上的壓降對于燒結(jié)礦冷卻機的分析和優(yōu)化至關(guān)重要，因為它不僅與鼓風成本直接相關(guān)，而且對整體傳熱性能也有著顯著影響。豎罐式燒結(jié)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(shù)，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(shù)已引起廣泛關(guān)注，中國得到了普及。
4均質(zhì)厚料層燒結(jié)技術(shù)
厚料層燒結(jié)技術(shù)的開發(fā)于20世紀70年代，并在中國經(jīng)歷了快速發(fā)展。早期中國，燒結(jié)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(jié)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(jié)生產(chǎn)率和燒結(jié)礦質(zhì)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(jié)帶來一系列問題。根據(jù)圖像分析描述的燒結(jié)塊內(nèi)孔隙三維結(jié)構(gòu)特征。可以觀察到由重力引起的壓縮力對燒結(jié)塊的結(jié)構(gòu)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(shù)，以三維方式證實了燒結(jié)塊的透氣性變化情況。燒結(jié)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(jié)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(jié)法是將燒結(jié)塊由安裝在燒結(jié)臺車上的棒或板支撐。通過試驗發(fā)現(xiàn)支架支撐燒結(jié)大大縮短了燒結(jié)時間，且產(chǎn)量也提高了近20％。這項技術(shù)已被新日鐵旗下的多座燒結(jié)機所采用，生產(chǎn)率得到了提高了，燒結(jié)礦質(zhì)量的影響也極其微。
圖5支架支撐燒結(jié)技術(shù)安裝圖：
（a）支架支撐燒結(jié)示意圖;
（b）減載燒結(jié)工藝機理圖;
（c）生產(chǎn)中的支架支撐燒結(jié)。
5支架支撐燒結(jié)技術(shù)
支架支撐燒結(jié)技術(shù)的研究始于2005年。通過燒結(jié)杯試驗進一步研究了燒結(jié)混合料中的水分、支架高度和支撐面積對生產(chǎn)率和轉(zhuǎn)鼓指數(shù)的影響。在臺車上安裝支架后，燒結(jié)過程的燃耗平均降低了1.32％，燒結(jié)機生產(chǎn)率提高了6.34％，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)下降了0.07％，燒結(jié)礦的篩分和耐磨指數(shù)也得到了改善。短時間內(nèi)復雜的氣氛和溫度變化使支撐板在燒結(jié)期間經(jīng)受快速的冷卻和加熱，致使其嚴重受損。對不同構(gòu)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(gòu)造。支撐燒結(jié)已被開發(fā)用于改善重力影響下的燒結(jié)料層的透氣性。這種技術(shù)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(jié)工藝對燒結(jié)料層透氣性有積極影響，由此可降低燃耗并提高燒結(jié)礦質(zhì)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(jié)過程中支架的熱應力分布。
6燒結(jié)機系統(tǒng)漏風綜合治理技術(shù)
燒結(jié)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(cè)壁漏氣。風扇的功耗占燒結(jié)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(jié)過程的功耗。更重要的是，高漏風率會降低燒結(jié)礦產(chǎn)量并最終增加燒結(jié)能耗。漏風率降低10％便可使燒結(jié)礦產(chǎn)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(jié)機漏風率每降低10％，就代表產(chǎn)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(jié)礦產(chǎn)量和降低能耗的最有效方法之一。燒結(jié)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(jīng)過長時間的努力，開發(fā)出了一種綜合治理技術(shù)。用金屬柔磁性密封裝置替換彈簧式密封結(jié)構(gòu)。臺車欄板換成復合欄板以確保欄板翹曲不會導致間隙產(chǎn)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(jié)機的設計和制造技術(shù)。中國設計的新型燒結(jié)機的漏風率可控制在30％。
通過回顧中國鐵礦石燒結(jié)節(jié)能減排方面的最新進展和研究現(xiàn)狀。雖然這些技術(shù)的應用大大降低了燒結(jié)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(jié)：（1）需進一步研究循環(huán)煙氣對燒結(jié)過程中的燃料燃燒和燒結(jié)礦物質(zhì)演變的影響；（2）目前的煙氣再循環(huán)技術(shù)未能將“污染物減排”和“余熱利用”結(jié)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(jié)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(shù)。
理論分析和實驗表明，支架支撐燒結(jié)工藝對燒結(jié)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(jié)礦質(zhì)量。由普通材料制成的支撐板可使用5~6個月，這會對生產(chǎn)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(jié)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。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
