燒結(jié)工序的節(jié)能減碳技術(shù)分析

王志荃(中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

0 引言

鋼鐵行業(yè)是國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是重要的原材料工業(yè)，也是中國高耗能、高碳排放量的行業(yè)之一。中國鋼鐵行業(yè)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(yè)門類中能耗量及碳排放量最大的行業(yè)。以煤、焦粉為主的高爐、轉(zhuǎn)爐長流程工藝結(jié)構(gòu)在中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展中長期占主導(dǎo)地位，轉(zhuǎn)爐鋼產(chǎn)量約占粗鋼產(chǎn)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(jié)礦合理搭配，以燒結(jié)礦為主，作為高爐煉鐵的原料。因此燒結(jié)工序是整個鋼鐵生產(chǎn)流程中重要的一環(huán)。燒結(jié)工序的物料處理量在鋼鐵企業(yè)中僅次于煉鐵，其能耗、碳排放量約占鋼鐵生產(chǎn)總能耗的10%～15%。研究燒結(jié)過程節(jié)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(yè)實現(xiàn)生態(tài)化轉(zhuǎn)型和綠色發(fā)展。

1 燒結(jié)工藝碳素流、能量流分析

1.1 燒結(jié)工藝主要功能

燒結(jié)的生產(chǎn)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(jié)機上點火燃燒，利用燃料和鐵氧化物氧化反應(yīng)放出熱量，使混合料局部熔化，并將散粒顆粒黏結(jié)成塊狀燒結(jié)礦，作為煉鐵原料。

燒結(jié)工藝主要功能：燒結(jié)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(chǎn)生高溫繼而發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，生成一定數(shù)量的液相，將粉狀含鐵原料黏結(jié)成多孔塊狀的燒結(jié)礦。在此過程中可去除結(jié)晶水、硫等有害雜質(zhì)；生產(chǎn)具有高強度、高品位、合理堿度、優(yōu)良冶金性能的燒結(jié)礦是高爐降低能源消耗的基礎(chǔ)。通過燒結(jié)混料回收鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的含鐵固廢，形成含鐵物料的有效循環(huán)，提高資源利用率；原燃料中的硫大部分在燒結(jié)的高溫及氧化性氣氛下，發(fā)生分解和氧化反應(yīng)，最終以氣態(tài)二氧化硫的形式被脫除。

1.2 燒結(jié)能量流、碳素流

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

2.1 燒結(jié)能量流分析

2.1.1 燒結(jié)工藝耗能分析

燒結(jié)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(zhì)為：氮氣、新水、壓縮空氣、脫鹽水。在常規(guī)的工藝設(shè)計中，將回收煙氣中的余熱產(chǎn)生蒸汽外供。各能源介質(zhì)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(zhì)(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(jié)消耗的主要能源介質(zhì)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(jié)節(jié)能的關(guān)鍵點。在燒結(jié)前序混料過程中，鐵精粉、化石燃料和熔劑充分混合。燒結(jié)臺車上，化石燃料所含的碳粒散布在料層中，燒結(jié)混合料中的碳燃燒最終轉(zhuǎn)換為CO2、CO。又由于化石燃料在燒結(jié)混合料中分布不均勻，部分燃燒不完全，而成為燒結(jié)礦及返礦中的殘?zhí)糩1]。

2.1.2 燒結(jié)工序能量流向分析

燒結(jié)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?zhí)嫉热紵幕瘜W(xué)熱，也包括前部混合工序中生石灰遇水發(fā)熱所帶來的顯熱。燒結(jié)能源流向分析示意圖如圖1所示。

圖1 燒結(jié)能源流向分析示意圖

燒結(jié)工藝過程的能量支出主要是：燒結(jié)礦和燒結(jié)煙氣帶走的物理熱、化學(xué)不完全燃燒與殘?zhí)紦p失的化學(xué)熱、水分蒸發(fā)、碳酸鹽分解以及散熱損失等。能量支出中燒結(jié)餅物理熱及燒結(jié)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(jié)機頭及燒結(jié)機尾環(huán)冷煙氣顯熱的再回收，是燒結(jié)工序節(jié)能的重點。

2.2 燒結(jié)工藝碳排放分析

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

CO2排放：

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

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

熔劑：150 kg/t燒結(jié)礦(～0.071 t CO227%)

電力：41.5 kWh/t燒結(jié)礦(0.033 t CO212.55%)

CO2排放量扣除：

燒結(jié)礦殘?zhí)迹?0 kgC/t(0.030 t CO2)

輸出熱力(蒸汽)：0.299 GJ/t燒結(jié)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(chǎn)生的碳排。兩者占燒結(jié)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(jié)工序CO2排放量的關(guān)鍵。

2.3 燒結(jié)工藝的節(jié)能減碳重點

從燒結(jié)工藝的能量流和碳排放分析可知，燒結(jié)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(jié)工藝節(jié)能減排的關(guān)鍵途徑之一。另外，碳酸鹽熔劑加熱分解產(chǎn)生的CO2排放也是燒結(jié)工序碳排放的主要因素之一。燒結(jié)產(chǎn)品及燒結(jié)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(jié)工藝整體能源利用效率。

3 燒結(jié)工藝節(jié)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(jié)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(jié)礦產(chǎn)的質(zhì)量和各項冶金性能。

3.1.1 固體燃料種類優(yōu)化

燒結(jié)所使用的固體燃料有煤粉和焦粉兩種?？蓡为毷褂媒狗?、煤粉或?qū)⒔狗酆兔悍刍旌鲜褂谩?/p>

焦粉的發(fā)熱值比較高，灰分和揮發(fā)分含量都比較低，有利于提高燒結(jié)料層的透氣性和垂直燒結(jié)速度，提升燒結(jié)機利用系數(shù)。同時，燒結(jié)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(jié)過程中料層高溫停留時間變短，成品礦結(jié)晶程度降低，玻璃質(zhì)含量增加，從而影響燒結(jié)礦的冷態(tài)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(jié)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(yīng)性和較快的固體碳燃燒速率，使得燒結(jié)料層溫度較高，再加上垂直燒結(jié)速度較低，導(dǎo)致燒結(jié)礦的結(jié)晶程度和成礦質(zhì)量得以改善，降低熱應(yīng)力。此外，由于增加了燒結(jié)礦中的交織-熔蝕結(jié)構(gòu)，對改善燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能以及冷態(tài)強度比較有利。但是，煤粉中揮發(fā)分較多，其燃燒揮發(fā)后在燒結(jié)料層溫度比較低的下部會重新凝結(jié)下來，使燒結(jié)料層的透氣性惡化，給燒結(jié)機利用系數(shù)和垂直燒結(jié)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(jié)構(gòu)與比例的系統(tǒng)試驗并對試驗結(jié)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(jié)構(gòu)比例均優(yōu)于單獨使用焦或煤，且燒結(jié)礦礦物組成與結(jié)構(gòu)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(jié)生產(chǎn)過程中，燃料粒度的大小對于燒結(jié)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(chǎn)生液相量的產(chǎn)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(dǎo)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(chǎn)生過燒現(xiàn)象，出現(xiàn)大孔薄壁結(jié)構(gòu)，在遠離燃料顆粒部位，由于熱量不足，無法形成液相，使燒結(jié)粉料不能產(chǎn)生黏連。最終造成燃燒帶不均勻、變厚、透氣性變差最終導(dǎo)致產(chǎn)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(jié)技術(shù)

厚料層燒結(jié)可以發(fā)揮燒結(jié)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(jié)過程中料層自動蓄熱，保持長時間高溫，表層返礦量降低，轉(zhuǎn)鼓強度和成品率提高，固體燃耗降低。厚料層對燒結(jié)料層透氣性、混勻料的制粒性能要求較高，而熔劑結(jié)構(gòu)對制粒性能等影響較大。寶鋼燒結(jié)生產(chǎn)實踐證明，燒結(jié)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(zhuǎn)鼓指數(shù)2.3個百分點[5]。中國燒結(jié)機料層平均厚度逐年增加，2005年國內(nèi)大中型燒結(jié)機的料層厚度已達到600～800 mm。2020年，鞍鋼、天鋼聯(lián)合特鋼、湘鋼、陜鋼、馬鋼等部分鋼鐵企業(yè)的燒結(jié)機料層厚度均已經(jīng)超過900 mm，其中天鋼聯(lián)合特鋼2臺230 m2燒結(jié)機厚度均達到1 000 mm。陜鋼漢鋼265 m2燒結(jié)機進行了超厚料層1 000 mm改造，設(shè)備改造之后，成品燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)由73%增加至75%，粒徑≥16 mm質(zhì)量分數(shù)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(jié)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(xiàn)象。偏析布料可以改善下部透氣性差的不足問題，提高燒結(jié)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(yīng)發(fā)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(xù)燒結(jié)過程中固體燃耗，達到降耗的目的。

3.1.6 微波燒結(jié)技術(shù)

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

3.2 控制熔劑使用量

在燒結(jié)生產(chǎn)中加入熔劑，熔劑中的堿性物質(zhì)與含鐵物料中的鐵氧化物以及酸性脈石，在高溫下發(fā)生一系列復(fù)雜的物化反應(yīng)，生成性能優(yōu)良的黏結(jié)相，可以提高燒結(jié)質(zhì)量。改善高爐爐渣性能，減輕燒結(jié)礦在高爐冶煉過程中的低溫還原粉化現(xiàn)象。但是石灰石、白云石在高溫下分解會產(chǎn)生大量的二氧化碳排放，占燒結(jié)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(jié)工序CO2排放量的關(guān)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(jié)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(fā)生固液相反應(yīng)，有利于燒結(jié)過程的進行。但生石灰過多時，其成分波動會影響燒結(jié)礦堿度的穩(wěn)定，也會使混合料堆密度下降，使燒結(jié)礦強度降低，返礦率增加。鞍鋼針對不同生石灰配比對燒結(jié)礦綜合性能的影響進行了實驗分析，結(jié)果表明：全精礦燒結(jié)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(jié)熔劑添加入燒結(jié)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(jié)礦的質(zhì)量產(chǎn)生影響：降低垂直燒結(jié)速度，使燒結(jié)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(jié)過程中去除，導(dǎo)致鋼渣中的磷富集。有文獻表明：當燒結(jié)原料中鋼渣配入量小于5%時，燒結(jié)礦的成品率、強度均增大。當鋼渣配入量高于5%時，使燒結(jié)礦軟熔區(qū)間變大，不利于高爐順行[8]。

3.3 燒結(jié)余熱回收

燒結(jié)工序余熱主要包括燒結(jié)煙氣顯熱及燒結(jié)礦成品顯熱。目前燒結(jié)環(huán)冷機中燒結(jié)礦顯熱回收已比較成熟。燒結(jié)機尾部大煙道內(nèi)高溫煙氣余熱近年來逐漸普及。寶鋼燒結(jié)機通過改造,實現(xiàn)了余熱的多途徑、梯級化利用：主要有常規(guī)雙壓余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽,直聯(lián)罩式余熱鍋爐產(chǎn)蒸汽，環(huán)冷機3號排氣筒增設(shè)的余熱回收裝置與鍋爐次低壓蒸汽組合利用產(chǎn)熱水，低溫余熱ORC發(fā)電等[9]。

4 結(jié)語

(1)在燒結(jié)工序能源消耗結(jié)構(gòu)中，化石燃料消耗占能源消耗比例約為86%；生產(chǎn)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(jié)工序碳排放量的81.75%。降低燒結(jié)化石燃料和熔劑的使用量，是燒結(jié)工序節(jié)能，降低碳排放的關(guān)鍵。燒結(jié)產(chǎn)品及燒結(jié)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(jié)工藝整體能源利用效率。(2)降低燒結(jié)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(jié)；偏析布料等節(jié)能技術(shù)。(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(jié)熔劑添加入燒結(jié)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(chǎn)生的碳排放。