燒結(jié)工序節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用研究

王 瑩

（天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)大氣污染防治的重視力度的不斷加大，鋼鐵行業(yè)已經(jīng)成為節(jié)能減排中的重要行業(yè)之一，而作為鋼鐵行業(yè)的重要環(huán)節(jié)，燒結(jié)工序在實(shí)際生產(chǎn)中存在高耗能和高污染問(wèn)題。

截至2022 年底，我國(guó)電力行業(yè)針對(duì)節(jié)能減排技術(shù)的設(shè)備改造完成率已經(jīng)達(dá)到92%，大氣污染的防治方向已經(jīng)從電力行業(yè)向鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)移[1]。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2021 年我國(guó)鋼鐵行業(yè)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(yè)行業(yè)的30%、14%和16%，位居非電行業(yè)的首位，已經(jīng)成為目前排放污染物的重要來(lái)源。而對(duì)于鋼鐵行業(yè)來(lái)說(shuō)，燒結(jié)工序具有高耗能、高污染的特點(diǎn)，在整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)和作業(yè)中的能耗可達(dá)到20%，因此燒結(jié)工序也是目前鋼鐵生產(chǎn)中主要的污染來(lái)源，其污染物排放量在鋼鐵行業(yè)中所占比例達(dá)到50%，針對(duì)燒結(jié)工序的節(jié)能減排工作具有巨大的發(fā)展?jié)摿2]。為了進(jìn)一步推動(dòng)燒結(jié)工序的節(jié)能減排，本文針對(duì)燒結(jié)工序排放物的特點(diǎn)和利用現(xiàn)狀進(jìn)行深入分析和研究，對(duì)厚料層燒結(jié)、燒結(jié)煙氣循環(huán)等利用技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和劣勢(shì)進(jìn)行綜合分析，為燒結(jié)工序的節(jié)能減排技術(shù)優(yōu)化提供借鑒和參考。

1 燒結(jié)工序排放煙氣的特點(diǎn)

燒結(jié)工序在具體生產(chǎn)過(guò)程中，具有參數(shù)波動(dòng)性大、煙氣排放量大的特點(diǎn)，每噸燒結(jié)礦所排放的煙氣可以達(dá)到5 000～6 000 m3，排放的煙氣溫度最高可達(dá)180 ℃，φ（O2）≈16%，φ（H2O2）≈12%，ρ（SO2）=4000mg/m3，氮氧化物的質(zhì)量濃度能夠達(dá)到300 mg/m3，φ（CO）能夠達(dá)到2%左右，φ（CO2）能夠達(dá)到5%左右，在燒結(jié)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(lián)合特鋼有限公司燒結(jié)機(jī)為例，在燒結(jié)機(jī)的整個(gè)框架中遍布了25 個(gè)風(fēng)箱，其中煙氣的溫度和各零部件的風(fēng)箱分布特點(diǎn)均呈現(xiàn)火山型，煙氣中的二氧化硫在長(zhǎng)度方向分布也呈現(xiàn)火山型。礦物質(zhì)和燃料經(jīng)過(guò)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(guò)濕帶消失之后，氮氧化物被大量釋放，氮氧化物在燃燒帶發(fā)展后顯著增加，并呈現(xiàn)逐漸穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，在燒結(jié)結(jié)束時(shí)逐漸降至零。其主要原因是氮氧化物的主要來(lái)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(yīng)物，兩者常見(jiàn)的趨勢(shì)為相反趨勢(shì)[4]。

2 燒結(jié)工序余熱利用技術(shù)現(xiàn)狀

在燒結(jié)工序中會(huì)產(chǎn)生余熱富集，該熱量在整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)所產(chǎn)生的總熱中占比15%，燒結(jié)礦產(chǎn)生的余熱約為1.05 GJ/t。燒結(jié)余熱的回收主要利用燒結(jié)礦的顯熱，因?yàn)闊Y(jié)產(chǎn)生的廢氣顯熱占32%，燒結(jié)礦的顯熱占68%。在回收過(guò)程中，燒結(jié)礦的顯熱主要利用環(huán)形冷卻器部件進(jìn)行回收，根據(jù)煙氣溫度的不同，環(huán)形冷卻器分為高、中、低三個(gè)溫度段。目前，我國(guó)采用的燒結(jié)工藝余熱利用技術(shù)主要是對(duì)煙氣高溫部分的余熱進(jìn)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?zé)煔獾挠酂峄厥罩饕糜跓犸L(fēng)燒結(jié)和余熱混合[5]。

我國(guó)目前采用的冷卻工藝在設(shè)計(jì)和施工上存在一定問(wèn)題，導(dǎo)致燒結(jié)余熱回收過(guò)程中存在以下主要問(wèn)題：

1）由于橡膠板磨損和老化造成的漏風(fēng)以及熱廢氣的低溫問(wèn)題比較嚴(yán)重，造成風(fēng)箱和轉(zhuǎn)向架的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)橡膠密封沒(méi)有充分?jǐn)Q緊，容易導(dǎo)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(guò)架扶手和集塵罩的縫隙進(jìn)入環(huán)形冷卻器，在整個(gè)冷卻過(guò)程中，漏風(fēng)率高達(dá)45%左右。環(huán)形冷卻過(guò)程中采用的空氣-固體傳熱方式主要是交叉交錯(cuò)傳熱，由于材料層相對(duì)較薄，這導(dǎo)致了相對(duì)大量的熱廢氣被排出且溫度較低。

3）從臺(tái)車欄板和集氣罩縫隙中所進(jìn)入的冷空氣，會(huì)造成熱廢氣溫度的不斷下降，最終導(dǎo)致熱廢氣存在品位低的問(wèn)題。

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

3 燒結(jié)工序中節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用

通過(guò)對(duì)燒結(jié)煙氣的特點(diǎn)進(jìn)行分析，探討燒結(jié)廢熱利用技術(shù)的具體情況，可以看出要使燒結(jié)工序中節(jié)能減排技術(shù)得到應(yīng)用，主要可以從降低固體燃料的燃燒以及提高燒結(jié)余熱回收效率入手。本文通過(guò)借助厚料層燒結(jié)技術(shù)和燒結(jié)廢氣回收技術(shù)，對(duì)燒結(jié)廢氣的節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

3.1 厚料層燒結(jié)技術(shù)

厚料層是指在低能耗標(biāo)準(zhǔn)下的燒結(jié)料層高，主要是在一定約束條件下為提高燒結(jié)礦的燒成質(zhì)量而采用的燒結(jié)料層厚度。厚料層燒結(jié)技術(shù)是最先進(jìn)的燒結(jié)技術(shù)之一，主要通過(guò)發(fā)展自動(dòng)蓄熱來(lái)節(jié)約能源和提高燒結(jié)礦的質(zhì)量。

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

在燒結(jié)工序中，整個(gè)過(guò)程自動(dòng)積聚熱量，燒結(jié)過(guò)程的上部比較冷、下部比較熱，這種現(xiàn)象因材料層厚度的增加而加劇，最終導(dǎo)致燒結(jié)材料層下部的過(guò)度填充，進(jìn)一步降低了燒結(jié)礦石的質(zhì)量。在燒結(jié)過(guò)程中，垂直燒結(jié)的速度明顯降低，這使得燒結(jié)機(jī)的利用率和燒結(jié)礦的產(chǎn)量下降。所以通過(guò)利用多種措施對(duì)燒結(jié)料層的溫度分布加以改善，能夠使垂直燒結(jié)速度有效降低，也會(huì)使燒結(jié)礦的質(zhì)量不斷提高，主要措施有：通過(guò)加強(qiáng)混合造粒，提高料層的透氣性；通過(guò)使用大容量風(fēng)機(jī)，進(jìn)一步增加燒結(jié)過(guò)程中的空氣流量；進(jìn)一步加強(qiáng)燒結(jié)機(jī)漏料塞的運(yùn)行，進(jìn)一步降低漏風(fēng)率；通過(guò)調(diào)整燃料分布，有效解決過(guò)熔底造成的漏風(fēng)問(wèn)題。

近年來(lái)，在不斷普及厚料層燒結(jié)技術(shù)的同時(shí)，伴隨而來(lái)的是燒結(jié)層材料厚度的不斷增加。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，近年來(lái)我國(guó)所使用的燒結(jié)機(jī)的燒結(jié)層厚度已經(jīng)達(dá)到500 mm 以上，尤其在2022 年，部分鋼鐵企業(yè)的燒結(jié)層厚度已經(jīng)突破1 000 mm。

3.2 燒結(jié)廢氣回收技術(shù)

燒結(jié)廢氣回收技術(shù)（見(jiàn)圖1）是一種將排出的廢氣返回?zé)Y(jié)臺(tái)車并以節(jié)能減排的方式重新利用的燒結(jié)技術(shù)。燒結(jié)后的廢氣通過(guò)燒結(jié)層將其顯熱和含有的二氧化碳及其他污染物進(jìn)行二次燃燒，進(jìn)一步減少了固體燃料的使用。而循環(huán)煙氣中所包含的一氧化碳等污染物會(huì)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(huán)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(huán)也會(huì)降低煙氣的排放量，煙氣中產(chǎn)生的大量二氧化硫等污染物在污染物的控制設(shè)備中也得到有效回收。

圖1 燒結(jié)廢氣回收技術(shù)示意圖

循環(huán)煙氣的成分和溫度變化對(duì)燒結(jié)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量有很大影響，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）循環(huán)煙氣中φ（O2）降到12%以后，燒結(jié)礦的質(zhì)量明顯變差；

2）在循環(huán)煙氣中，所產(chǎn)生的二氧化硫大量富集，會(huì)使燒結(jié)礦的煉鐵工序更為復(fù)雜；

3）在循環(huán)煙氣中，過(guò)氧化氫的大量排出使料層的過(guò)濕情況更加嚴(yán)重，同時(shí)也使惡化料層的透氣性進(jìn)一步惡化；

4）循環(huán)煙氣會(huì)使燒結(jié)料層的溫度分布情況明顯改善，尤其在燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量不斷提升、溫度達(dá)到240 ℃之后，如果循環(huán)煙氣的溫度繼續(xù)上升，燒結(jié)礦的質(zhì)量會(huì)逐漸下降。

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

由于抽氣點(diǎn)分布的不同，在燒結(jié)環(huán)節(jié)中從抽氣扇抽氣稱為外循環(huán)工藝，而從鼓風(fēng)室直接抽氣則稱為內(nèi)循環(huán)工藝。外循環(huán)工藝的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、工時(shí)少，但由于循環(huán)廢氣的含水量高、含氧量低，燒結(jié)床的透氣性不斷下降，特別是在原料燃燒時(shí)，如果燃燒不充分，會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)質(zhì)量大幅度下降，所以外循環(huán)工藝在國(guó)內(nèi)燒結(jié)工藝中適用范圍較窄。然而，采用內(nèi)循環(huán)工藝時(shí)可以靈活調(diào)整，通過(guò)調(diào)整循環(huán)煙氣的溫度和成分，最終達(dá)到減少?gòu)U氣、節(jié)能減排的效果，因此在實(shí)際的燒結(jié)工藝中，內(nèi)循環(huán)工藝的使用更為廣泛。

4 結(jié)論

1）對(duì)于厚料層燒結(jié)技術(shù)來(lái)說(shuō)，增加燒結(jié)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(jìn)而減少污染物的產(chǎn)生。

2）在應(yīng)用厚料層燒結(jié)技術(shù)時(shí)，解決燒結(jié)材料層厚度與垂直燒結(jié)率之間的矛盾是最重要的。

3）燒結(jié)廢氣的內(nèi)循環(huán)工藝是未來(lái)鋼鐵行業(yè)燒結(jié)綠色化的主要趨勢(shì)，其關(guān)鍵技術(shù)在于結(jié)合煙氣的實(shí)際排放特點(diǎn)及工藝水平，選取合適的取氣風(fēng)箱和煙氣循環(huán)率。