烧结工序的节能减碳技术分析

王志荃(中冶南方工程技术有限公司，湖北 武汉 430223)

0 引言

钢铁行业是国民经济的重要基础产业，是重要的原材料工业，也是中国高耗能、高碳排放量的行业之一。中国钢铁行业能耗约占全国总能耗的13%左右，碳排放量占全国碳排放总量的15%左右，是31个制造业门类中能耗量及碳排放量最大的行业。以煤、焦粉为主的高炉、转炉长流程工艺结构在中国钢铁工业发展中长期占主导地位，转炉钢产量约占粗钢产量的80%。而长流程钢铁工艺中，通常采用酸性球团矿和高碱度烧结矿合理搭配，以烧结矿为主，作为高炉炼铁的原料。因此烧结工序是整个钢铁生产流程中重要的一环。烧结工序的物料处理量在钢铁企业中仅次于炼铁，其能耗、碳排放量约占钢铁生产总能耗的10%～15%。研究烧结过程节能、降碳措施有利于提高能源、资源利用效率，降低二氧化碳排放，促进钢铁行业实现生态化转型和绿色发展。

1 烧结工艺碳素流、能量流分析

1.1 烧结工艺主要功能

烧结的生产过程是把精矿粉、燃料(焦粉、无烟煤)和熔剂(石灰石、白云石、生石灰)按一定比例配料混匀后，在烧结机上点火燃烧，利用燃料和铁氧化物氧化反应放出热量，使混合料局部熔化，并将散粒颗粒黏结成块状烧结矿，作为炼铁原料。

烧结工艺主要功能：烧结工艺过程是将粉状含铁原料与化石燃料混合，用煤气点燃燃烧产生高温继而发生一系列物理化学反应，生成一定数量的液相，将粉状含铁原料黏结成多孔块状的烧结矿。在此过程中可去除结晶水、硫等有害杂质；生产具有高强度、高品位、合理碱度、优良冶金性能的烧结矿是高炉降低能源消耗的基础。通过烧结混料回收钢铁联合企业的含铁固废，形成含铁物料的有效循环，提高资源利用率；原燃料中的硫大部分在烧结的高温及氧化性气氛下，发生分解和氧化反应，最终以气态二氧化硫的形式被脱除。

1.2 烧结能量流、碳素流

烧结工艺是铁素流在碳素流的作用下发生的物理、化学变化，造成矿物形态改变的过程。从烧结的碳素流、能量流中可以准确地找到烧结的节能降耗和降低碳排放的关键点。

2.1 烧结能量流分析

2.1.1 烧结工艺耗能分析

烧结工艺其中消耗的一次能源为无烟煤粉；消耗的二次能源为：碎焦、燃气、电力；消耗的耗能工质为：氮气、新水、压缩空气、脱盐水。在常规的工艺设计中，将回收烟气中的余热产生蒸汽外供。各能源介质消耗量如下：

化石燃料(以焦粉计)：49.9 kg/t(48.5 kgce/t)

燃气：58.62 MJ/t(2.0 kgce/t)

电力：41.5 kWh/t(5.1 kgce/t)

耗能工质(氮气、新水、压缩空气、脱盐水)：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

烧结消耗的主要能源介质为化石燃料，所占的能源消耗比例为86%。其次为电力和燃气分占比为9%和4%。因此合理地控制化石燃料的消耗量是烧结节能的关键点。在烧结前序混料过程中，铁精粉、化石燃料和熔剂充分混合。烧结台车上，化石燃料所含的碳粒散布在料层中，烧结混合料中的碳燃烧最终转换为CO2、CO。又由于化石燃料在烧结混合料中分布不均匀，部分燃烧不完全，而成为烧结矿及返矿中的残碳[1]。

2.1.2 烧结工序能量流向分析

烧结工序的能量来源主要是化石燃料、气体燃料以及各种物料中残碳等燃烧的化学热，也包括前部混合工序中生石灰遇水发热所带来的显热。烧结能源流向分析示意图如图1所示。

图1 烧结能源流向分析示意图

烧结工艺过程的能量支出主要是：烧结矿和烧结烟气带走的物理热、化学不完全燃烧与残碳损失的化学热、水分蒸发、碳酸盐分解以及散热损失等。能量支出中烧结饼物理热及烧结机头废气排放的物理热占比最高，分别为34.68%和21.16%。因此，烧结机头及烧结机尾环冷烟气显热的再回收，是烧结工序节能的重点。

2.2 烧结工艺碳排放分析

根据《温室气体排放核算与报告要求 第5部分 钢铁生产企业》(GB/T 32151.5—2015)，烧结工序的CO2排放总量等于边界内所有的化石燃料燃烧排放量、工业生产过程排放量及企业净购入电力和净购入热力隐含产生的CO2排放量之和，还应扣除固碳产品隐含的排放量：

CO2排放：

化石燃烧排放量:1.43 GJ/t烧结矿(0.144 t CO254.75%)

气体燃料燃烧排放量：58.62 MJ/t烧结矿(0.015 t CO25.7%)

熔剂：150 kg/t烧结矿(～0.071 t CO227%)

电力：41.5 kWh/t烧结矿(0.033 t CO212.55%)

CO2排放量扣除：

烧结矿残碳：30 kgC/t(0.030 t CO2)

输出热力(蒸汽)：0.299 GJ/t烧结矿(0.033 t CO2)

排放CO2最主要来源是化石燃烧排放量以及石灰石、白云石分解产生的碳排。两者占烧结工序CO2排放量的81.75%，因此控制化石燃料和熔剂的加入量是控制烧结工序CO2排放量的关键。

2.3 烧结工艺的节能减碳重点

从烧结工艺的能量流和碳排放分析可知，烧结工艺主要的用能点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，减少消耗量，是烧结工艺节能减排的关键途径之一。另外，碳酸盐熔剂加热分解产生的CO2排放也是烧结工序碳排放的主要因素之一。烧结产品及烧结烟气含有大量显热，这部分热能损失占工艺过程热消耗的55.81%，因此提高烟气余热回收率，有利于提高烧结工艺整体能源利用效率。

3 烧结工艺节能减碳措施分析

3.1 降低化石燃料投入

化石燃料的燃烧为烧结过程提供了绝大部分的热量，其燃烧效果和燃烧行为决定了烧结矿产的质量和各项冶金性能。

3.1.1 固体燃料种类优化

烧结所使用的固体燃料有煤粉和焦粉两种。可单独使用焦粉、煤粉或将焦粉和煤粉混合使用。

焦粉的发热值比较高，灰分和挥发分含量都比较低，有利于提高烧结料层的透气性和垂直烧结速度，提升烧结机利用系数。同时，烧结矿的中温还原性能加强。然而，由于使用焦粉与无烟煤燃烧速度不同，作为固体燃料时焦粉的速度比使用无烟煤时要快，使烧结过程中料层高温停留时间变短，成品矿结晶程度降低，玻璃质含量增加，从而影响烧结矿的冷态机械强度和低温还原粉化性能。这就表明，单独使用焦粉作为固体燃料时必须加大燃料比，提高烧结过程中高温停留时间。有资料表明，单纯使用焦粉作为固体燃料比单独使用煤粉时大0.3%[2]。

在选用煤粉作固体燃料时，由于其良好的反应性和较快的固体碳燃烧速率，使得烧结料层温度较高，再加上垂直烧结速度较低，导致烧结矿的结晶程度和成矿质量得以改善，降低热应力。此外，由于增加了烧结矿中的交织-熔蚀结构，对改善烧结矿的低温还原粉化性能以及冷态强度比较有利。但是，煤粉中挥发分较多，其燃烧挥发后在烧结料层温度比较低的下部会重新凝结下来，使烧结料层的透气性恶化，给烧结机利用系数和垂直烧结速度的提高带来了不利的影响。

因此目前较多采用焦粉和煤粉混合使用。在攀钢开展了燃料结构与比例的系统试验并对试验结果进行综合评价：“25%焦+75%煤”总体效果最好,“50%焦+50%煤”次之，但这两种结构比例均优于单独使用焦或煤，且烧结矿矿物组成与结构及冶金性能基本不受影响[3]。

3.1.2 合理控制燃料粒度组成

在烧结生产过程中，燃料粒度的大小对于烧结料层的最高温度也有决定性的影响。燃料粒度偏小，小颗粒的燃料较易被气流带走，燃烧速度加快，料层产生液相量的产生量不足。若此时含铁原料的粒度偏大，会造成返矿量增加，导致能耗增加。燃料粒度偏粗，混合后分布不均，会在燃料颗粒周围产生过烧现象，出现大孔薄壁结构，在远离燃料颗粒部位，由于热量不足，无法形成液相，使烧结粉料不能产生黏连。最终造成燃烧带不均匀、变厚、透气性变差最终导致产量下降，返矿量增加，而使固体燃耗增加。攀钢对燃料粒度进行了试验分析得出3种燃料最佳综合效果的燃料粒级组合是：“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%”；“兰炭( ＞3 mm)10%+(1～3 mm)50%+(0.5～1 mm)20%+ ( ＜0.5 mm)20%”[4]。

3.1.3 采用厚料层烧结技术

厚料层烧结可以发挥烧结过程的自动蓄热作用，是降低化石燃料消耗的有效办法。在厚料层烧结过程中料层自动蓄热，保持长时间高温，表层返矿量降低，转鼓强度和成品率提高，固体燃耗降低。厚料层对烧结料层透气性、混匀料的制粒性能要求较高，而熔剂结构对制粒性能等影响较大。宝钢烧结生产实践证明，烧结料层每提高100 mm，能降低煤气消耗0.64 m3/t，降低配碳1.04 kg/t，降低成品矿FeO含量0.6%，提高成品矿转鼓指数2.3个百分点[5]。中国烧结机料层平均厚度逐年增加，2005年国内大中型烧结机的料层厚度已达到600～800 mm。2020年，鞍钢、天钢联合特钢、湘钢、陕钢、马钢等部分钢铁企业的烧结机料层厚度均已经超过900 mm，其中天钢联合特钢2台230 m2烧结机厚度均达到1 000 mm。陕钢汉钢265 m2烧结机进行了超厚料层1 000 mm改造，设备改造之后，成品烧结矿转鼓指数由73%增加至75%，粒径≥16 mm质量分数由55%增加至65%，入炉固体单耗由60 kg/t降低至55 kg/t[6]。

3.1.4 偏析布料

厚料层烧结由于料层的自动蓄热作用会造成料层的上下热量分布不均现象。偏析布料可以改善下部透气性差的不足问题，提高烧结矿强度，减少返矿量。

3.1.5 提高混合料的温度

在混合料中加入生石灰，生石灰在混合机中与水反应发热，增加了混合料带入的物理热，可以提高混合料的温度，降低后续烧结过程中固体燃耗，达到降耗的目的。

3.1.6 微波烧结技术

微波烧结是一种新型的粉末冶金烧结致密化工艺，是利用微波加热来对材料进行烧结。微波烧结技术利用电能替代煤炭，目前已在宝钢进行实验性生产，每天可生产出1.8 t左右的烧结块原料。

3.2 控制熔剂使用量

在烧结生产中加入熔剂，熔剂中的碱性物质与含铁物料中的铁氧化物以及酸性脉石，在高温下发生一系列复杂的物化反应，生成性能优良的黏结相，可以提高烧结质量。改善高炉炉渣性能，减轻烧结矿在高炉冶炼过程中的低温还原粉化现象。但是石灰石、白云石在高温下分解会产生大量的二氧化碳排放，占烧结工序CO2排放量的27%，因此如何减少石灰石、白云石的加入量是控制烧结工序CO2排放量的关键。

3.2.1 合理添加生石灰替代石灰石

较常采用的是熔剂中配加生石灰的做法减少石灰石的使用。石灰石除了起到黏结剂的作用强化制粒之外，在混合料加水时，生石灰遇水放热，可以提高混合料的温度。由于消石灰粒度极细，与混合料中其他成分能更好的接触，更快发生固液相反应，有利于烧结过程的进行。但生石灰过多时，其成分波动会影响烧结矿碱度的稳定，也会使混合料堆密度下降，使烧结矿强度降低，返矿率增加。鞍钢针对不同生石灰配比对烧结矿综合性能的影响进行了实验分析，结果表明：全精矿烧结时生石灰的配比为6%最为适宜；富矿粉配比10%～40%时，生石灰配比为5%～3.5%最为适宜[7]。

3.2.2 使用尾渣替代熔剂

钢渣磁选后尾渣作为烧结熔剂添加入烧结混合料中，部分替代石灰石和白云石熔剂，也是目前比较成熟的冶金渣二次利用方式。钢渣中CaO和MgO总量大于50%，并含有残铁、MnO等有益成分。但钢渣的配入也会对烧结矿的质量产生影响：降低垂直烧结速度，使烧结过程液相增多，料层透气性变差；钢渣中磷含量为1%～5%，磷元素无法在烧结过程中去除，导致钢渣中的磷富集。有文献表明：当烧结原料中钢渣配入量小于5%时，烧结矿的成品率、强度均增大。当钢渣配入量高于5%时，使烧结矿软熔区间变大，不利于高炉顺行[8]。

3.3 烧结余热回收

烧结工序余热主要包括烧结烟气显热及烧结矿成品显热。目前烧结环冷机中烧结矿显热回收已比较成熟。烧结机尾部大烟道内高温烟气余热近年来逐渐普及。宝钢烧结机通过改造,实现了余热的多途径、梯级化利用：主要有常规双压余热锅炉产生蒸汽,直联罩式余热锅炉产蒸汽，环冷机3号排气筒增设的余热回收装置与锅炉次低压蒸汽组合利用产热水，低温余热ORC发电等[9]。

4 结语

(1)在烧结工序能源消耗结构中，化石燃料消耗占能源消耗比例约为86%；生产过程中碳排放主要来源是化石燃烧以及石灰石、白云石分解，两者占烧结工序碳排放量的81.75%。降低烧结化石燃料和熔剂的使用量，是烧结工序节能，降低碳排放的关键。烧结产品及烧结烟气含有大量显热，这部分热能损失占工艺过程热消耗的55.81%，因此提高烟气余热回收率，有利于提高烧结工艺整体能源利用效率。(2)降低烧结化石燃料使用量的措施主要有：采用25%焦+75%煤的固体原料配比以及合理控制燃料粒度组成；厚料层烧结；偏析布料等节能技术。(3)在熔剂中配加6%左右的生石灰可以增加混合料温度，减少石灰石的使用量。钢渣磁选后尾渣作为烧结熔剂添加入烧结混合料中，也可以部分替代石灰石和白云石熔剂，从而减少石灰石和白云石受热分解产生的碳排放。