燒結工序的節能減碳技術分析

王志荃(中冶南方工程技術有限公司，湖北 武漢 430223)

0 引言

鋼鐵行業是國民經濟的重要基礎產業，是重要的原材料工業，也是中國高耗能、高碳排放量的行業之一。中國鋼鐵行業能耗約占全國總能耗的13%左右，碳排放量占全國碳排放總量的15%左右，是31個制造業門類中能耗量及碳排放量最大的行業。以煤、焦粉為主的高爐、轉爐長流程工藝結構在中國鋼鐵工業發展中長期占主導地位，轉爐鋼產量約占粗鋼產量的80%。而長流程鋼鐵工藝中，通常采用酸性球團礦和高堿度燒結礦合理搭配，以燒結礦為主，作為高爐煉鐵的原料。因此燒結工序是整個鋼鐵生產流程中重要的一環。燒結工序的物料處理量在鋼鐵企業中僅次于煉鐵，其能耗、碳排放量約占鋼鐵生產總能耗的10%～15%。研究燒結過程節能、降碳措施有利于提高能源、資源利用效率，降低二氧化碳排放，促進鋼鐵行業實現生態化轉型和綠色發展。

1 燒結工藝碳素流、能量流分析

1.1 燒結工藝主要功能

燒結的生產過程是把精礦粉、燃料(焦粉、無煙煤)和熔劑(石灰石、白云石、生石灰)按一定比例配料混勻后，在燒結機上點火燃燒，利用燃料和鐵氧化物氧化反應放出熱量，使混合料局部熔化，并將散粒顆粒黏結成塊狀燒結礦，作為煉鐵原料。

燒結工藝主要功能：燒結工藝過程是將粉狀含鐵原料與化石燃料混合，用煤氣點燃燃燒產生高溫繼而發生一系列物理化學反應，生成一定數量的液相，將粉狀含鐵原料黏結成多孔塊狀的燒結礦。在此過程中可去除結晶水、硫等有害雜質；生產具有高強度、高品位、合理堿度、優良冶金性能的燒結礦是高爐降低能源消耗的基礎。通過燒結混料回收鋼鐵聯合企業的含鐵固廢，形成含鐵物料的有效循環，提高資源利用率；原燃料中的硫大部分在燒結的高溫及氧化性氣氛下，發生分解和氧化反應，最終以氣態二氧化硫的形式被脫除。

1.2 燒結能量流、碳素流

燒結工藝是鐵素流在碳素流的作用下發生的物理、化學變化，造成礦物形態改變的過程。從燒結的碳素流、能量流中可以準確地找到燒結的節能降耗和降低碳排放的關鍵點。

2.1 燒結能量流分析

2.1.1 燒結工藝耗能分析

燒結工藝其中消耗的一次能源為無煙煤粉；消耗的二次能源為：碎焦、燃氣、電力；消耗的耗能工質為：氮氣、新水、壓縮空氣、脫鹽水。在常規的工藝設計中，將回收煙氣中的余熱產生蒸汽外供。各能源介質消耗量如下：

化石燃料(以焦粉計)：49.9 kg/t(48.5 kgce/t)

燃氣：58.62 MJ/t(2.0 kgce/t)

電力：41.5 kWh/t(5.1 kgce/t)

耗能工質(氮氣、新水、壓縮空氣、脫鹽水)：0.6 kgce/t

回收的余能：蒸汽 85 kg/t(0.12 kgce/t)

工序能耗：46 kgce/t

燒結消耗的主要能源介質為化石燃料，所占的能源消耗比例為86%。其次為電力和燃氣分占比為9%和4%。因此合理地控制化石燃料的消耗量是燒結節能的關鍵點。在燒結前序混料過程中，鐵精粉、化石燃料和熔劑充分混合。燒結臺車上，化石燃料所含的碳粒散布在料層中，燒結混合料中的碳燃燒最終轉換為CO2、CO。又由于化石燃料在燒結混合料中分布不均勻，部分燃燒不完全，而成為燒結礦及返礦中的殘碳[1]。

2.1.2 燒結工序能量流向分析

燒結工序的能量來源主要是化石燃料、氣體燃料以及各種物料中殘碳等燃燒的化學熱，也包括前部混合工序中生石灰遇水發熱所帶來的顯熱。燒結能源流向分析示意圖如圖1所示。

圖1 燒結能源流向分析示意圖

燒結工藝過程的能量支出主要是：燒結礦和燒結煙氣帶走的物理熱、化學不完全燃燒與殘碳損失的化學熱、水分蒸發、碳酸鹽分解以及散熱損失等。能量支出中燒結餅物理熱及燒結機頭廢氣排放的物理熱占比最高，分別為34.68%和21.16%。因此，燒結機頭及燒結機尾環冷煙氣顯熱的再回收，是燒結工序節能的重點。

2.2 燒結工藝碳排放分析

根據《溫室氣體排放核算與報告要求 第5部分 鋼鐵生產企業》(GB/T 32151.5—2015)，燒結工序的CO2排放總量等于邊界內所有的化石燃料燃燒排放量、工業生產過程排放量及企業凈購入電力和凈購入熱力隱含產生的CO2排放量之和，還應扣除固碳產品隱含的排放量：

CO2排放：

化石燃燒排放量:1.43 GJ/t燒結礦(0.144 t CO254.75%)

氣體燃料燃燒排放量：58.62 MJ/t燒結礦(0.015 t CO25.7%)

熔劑：150 kg/t燒結礦(～0.071 t CO227%)

電力：41.5 kWh/t燒結礦(0.033 t CO212.55%)

CO2排放量扣除：

燒結礦殘碳：30 kgC/t(0.030 t CO2)

輸出熱力(蒸汽)：0.299 GJ/t燒結礦(0.033 t CO2)

排放CO2最主要來源是化石燃燒排放量以及石灰石、白云石分解產生的碳排。兩者占燒結工序CO2排放量的81.75%，因此控制化石燃料和熔劑的加入量是控制燒結工序CO2排放量的關鍵。

2.3 燒結工藝的節能減碳重點

從燒結工藝的能量流和碳排放分析可知，燒結工藝主要的用能點在是化石燃料的投入，主要造成的CO2排放的因子也是化石燃料。因此最大限度地提高化石能源利用效率，減少消耗量，是燒結工藝節能減排的關鍵途徑之一。另外，碳酸鹽熔劑加熱分解產生的CO2排放也是燒結工序碳排放的主要因素之一。燒結產品及燒結煙氣含有大量顯熱，這部分熱能損失占工藝過程熱消耗的55.81%，因此提高煙氣余熱回收率，有利于提高燒結工藝整體能源利用效率。

3 燒結工藝節能減碳措施分析

3.1 降低化石燃料投入

化石燃料的燃燒為燒結過程提供了絕大部分的熱量，其燃燒效果和燃燒行為決定了燒結礦產的質量和各項冶金性能。

3.1.1 固體燃料種類優化

燒結所使用的固體燃料有煤粉和焦粉兩種。可單獨使用焦粉、煤粉或將焦粉和煤粉混合使用。

焦粉的發熱值比較高，灰分和揮發分含量都比較低，有利于提高燒結料層的透氣性和垂直燒結速度，提升燒結機利用系數。同時，燒結礦的中溫還原性能加強。然而，由于使用焦粉與無煙煤燃燒速度不同，作為固體燃料時焦粉的速度比使用無煙煤時要快，使燒結過程中料層高溫停留時間變短，成品礦結晶程度降低，玻璃質含量增加，從而影響燒結礦的冷態機械強度和低溫還原粉化性能。這就表明，單獨使用焦粉作為固體燃料時必須加大燃料比，提高燒結過程中高溫停留時間。有資料表明，單純使用焦粉作為固體燃料比單獨使用煤粉時大0.3%[2]。

在選用煤粉作固體燃料時，由于其良好的反應性和較快的固體碳燃燒速率，使得燒結料層溫度較高，再加上垂直燒結速度較低，導致燒結礦的結晶程度和成礦質量得以改善，降低熱應力。此外，由于增加了燒結礦中的交織-熔蝕結構，對改善燒結礦的低溫還原粉化性能以及冷態強度比較有利。但是，煤粉中揮發分較多，其燃燒揮發后在燒結料層溫度比較低的下部會重新凝結下來，使燒結料層的透氣性惡化，給燒結機利用系數和垂直燒結速度的提高帶來了不利的影響。

因此目前較多采用焦粉和煤粉混合使用。在攀鋼開展了燃料結構與比例的系統試驗并對試驗結果進行綜合評價：“25%焦+75%煤”總體效果最好,“50%焦+50%煤”次之，但這兩種結構比例均優于單獨使用焦或煤，且燒結礦礦物組成與結構及冶金性能基本不受影響[3]。

3.1.2 合理控制燃料粒度組成

在燒結生產過程中，燃料粒度的大小對于燒結料層的最高溫度也有決定性的影響。燃料粒度偏小，小顆粒的燃料較易被氣流帶走，燃燒速度加快，料層產生液相量的產生量不足。若此時含鐵原料的粒度偏大，會造成返礦量增加，導致能耗增加。燃料粒度偏粗，混合后分布不均，會在燃料顆粒周圍產生過燒現象，出現大孔薄壁結構，在遠離燃料顆粒部位，由于熱量不足，無法形成液相，使燒結粉料不能產生黏連。最終造成燃燒帶不均勻、變厚、透氣性變差最終導致產量下降，返礦量增加，而使固體燃耗增加。攀鋼對燃料粒度進行了試驗分析得出3種燃料最佳綜合效果的燃料粒級組合是：“焦粉 ( ＞3 mm)5%+(1～3 mm)50%+(0.5～1 mm)20%+( ＜0.5 mm)25%”； “煤粉( ＞3 mm)25%+(1～3 mm)65%+(0.5～1 mm)5%+( ＜0.5 mm)5%”；“蘭炭( ＞3 mm)10%+(1～3 mm)50%+(0.5～1 mm)20%+ ( ＜0.5 mm)20%”[4]。

3.1.3 采用厚料層燒結技術

厚料層燒結可以發揮燒結過程的自動蓄熱作用，是降低化石燃料消耗的有效辦法。在厚料層燒結過程中料層自動蓄熱，保持長時間高溫，表層返礦量降低，轉鼓強度和成品率提高，固體燃耗降低。厚料層對燒結料層透氣性、混勻料的制粒性能要求較高，而熔劑結構對制粒性能等影響較大。寶鋼燒結生產實踐證明，燒結料層每提高100 mm，能降低煤氣消耗0.64 m3/t，降低配碳1.04 kg/t，降低成品礦FeO含量0.6%，提高成品礦轉鼓指數2.3個百分點[5]。中國燒結機料層平均厚度逐年增加，2005年國內大中型燒結機的料層厚度已達到600～800 mm。2020年，鞍鋼、天鋼聯合特鋼、湘鋼、陜鋼、馬鋼等部分鋼鐵企業的燒結機料層厚度均已經超過900 mm，其中天鋼聯合特鋼2臺230 m2燒結機厚度均達到1 000 mm。陜鋼漢鋼265 m2燒結機進行了超厚料層1 000 mm改造，設備改造之后，成品燒結礦轉鼓指數由73%增加至75%，粒徑≥16 mm質量分數由55%增加至65%，入爐固體單耗由60 kg/t降低至55 kg/t[6]。

3.1.4 偏析布料

厚料層燒結由于料層的自動蓄熱作用會造成料層的上下熱量分布不均現象。偏析布料可以改善下部透氣性差的不足問題，提高燒結礦強度，減少返礦量。

3.1.5 提高混合料的溫度

在混合料中加入生石灰，生石灰在混合機中與水反應發熱，增加了混合料帶入的物理熱，可以提高混合料的溫度，降低后續燒結過程中固體燃耗，達到降耗的目的。

3.1.6 微波燒結技術

微波燒結是一種新型的粉末冶金燒結致密化工藝，是利用微波加熱來對材料進行燒結。微波燒結技術利用電能替代煤炭，目前已在寶鋼進行實驗性生產，每天可生產出1.8 t左右的燒結塊原料。

3.2 控制熔劑使用量

在燒結生產中加入熔劑，熔劑中的堿性物質與含鐵物料中的鐵氧化物以及酸性脈石，在高溫下發生一系列復雜的物化反應，生成性能優良的黏結相，可以提高燒結質量。改善高爐爐渣性能，減輕燒結礦在高爐冶煉過程中的低溫還原粉化現象。但是石灰石、白云石在高溫下分解會產生大量的二氧化碳排放，占燒結工序CO2排放量的27%，因此如何減少石灰石、白云石的加入量是控制燒結工序CO2排放量的關鍵。

3.2.1 合理添加生石灰替代石灰石

較常采用的是熔劑中配加生石灰的做法減少石灰石的使用。石灰石除了起到黏結劑的作用強化制粒之外，在混合料加水時，生石灰遇水放熱，可以提高混合料的溫度。由于消石灰粒度極細，與混合料中其他成分能更好的接觸，更快發生固液相反應，有利于燒結過程的進行。但生石灰過多時，其成分波動會影響燒結礦堿度的穩定，也會使混合料堆密度下降，使燒結礦強度降低，返礦率增加。鞍鋼針對不同生石灰配比對燒結礦綜合性能的影響進行了實驗分析，結果表明：全精礦燒結時生石灰的配比為6%最為適宜；富礦粉配比10%～40%時，生石灰配比為5%～3.5%最為適宜[7]。

3.2.2 使用尾渣替代熔劑

鋼渣磁選后尾渣作為燒結熔劑添加入燒結混合料中，部分替代石灰石和白云石熔劑，也是目前比較成熟的冶金渣二次利用方式。鋼渣中CaO和MgO總量大于50%，并含有殘鐵、MnO等有益成分。但鋼渣的配入也會對燒結礦的質量產生影響：降低垂直燒結速度，使燒結過程液相增多，料層透氣性變差；鋼渣中磷含量為1%～5%，磷元素無法在燒結過程中去除，導致鋼渣中的磷富集。有文獻表明：當燒結原料中鋼渣配入量小于5%時，燒結礦的成品率、強度均增大。當鋼渣配入量高于5%時，使燒結礦軟熔區間變大，不利于高爐順行[8]。

3.3 燒結余熱回收

燒結工序余熱主要包括燒結煙氣顯熱及燒結礦成品顯熱。目前燒結環冷機中燒結礦顯熱回收已比較成熟。燒結機尾部大煙道內高溫煙氣余熱近年來逐漸普及。寶鋼燒結機通過改造,實現了余熱的多途徑、梯級化利用：主要有常規雙壓余熱鍋爐產生蒸汽,直聯罩式余熱鍋爐產蒸汽，環冷機3號排氣筒增設的余熱回收裝置與鍋爐次低壓蒸汽組合利用產熱水，低溫余熱ORC發電等[9]。

4 結語

(1)在燒結工序能源消耗結構中，化石燃料消耗占能源消耗比例約為86%；生產過程中碳排放主要來源是化石燃燒以及石灰石、白云石分解，兩者占燒結工序碳排放量的81.75%。降低燒結化石燃料和熔劑的使用量，是燒結工序節能，降低碳排放的關鍵。燒結產品及燒結煙氣含有大量顯熱，這部分熱能損失占工藝過程熱消耗的55.81%，因此提高煙氣余熱回收率，有利于提高燒結工藝整體能源利用效率。(2)降低燒結化石燃料使用量的措施主要有：采用25%焦+75%煤的固體原料配比以及合理控制燃料粒度組成；厚料層燒結；偏析布料等節能技術。(3)在熔劑中配加6%左右的生石灰可以增加混合料溫度，減少石灰石的使用量。鋼渣磁選后尾渣作為燒結熔劑添加入燒結混合料中，也可以部分替代石灰石和白云石熔劑，從而減少石灰石和白云石受熱分解產生的碳排放。