科技新进展:基于碳氧重构的大型烧结机降碳减排关键技术集成
一、研究的背景与问题
钢铁长流程中，烧结工序的能耗水平仅次于高炉工序，占钢铁流程总能耗的10%左右，是钢铁企业实现降碳的关键工序。同时，烧结工序是污染物排放大户。烧结生产过程中会产生颗粒物、SO2、NOx、二噁英、CO等多种污染物，并且外排烟气量巨大。
截至2022年12月，中钢协144家钢铁企业中，有41家完成了超低排放改造，平均完成率28.5%，其中400m2以上大型烧结机完成率76.7%，说明大型烧结机在污染物减排方面起到了引领作用，京唐两台500m2烧结机亦在其中。对于已完成超低排放改造的烧结机，污染物进一步减排面临瓶颈，考虑到烧结巨大的外排烟气量（京唐500m2烧结机小时烟气外排量在300万立左右），污染物控制需要从“浓度控制”向“浓度兼顾总量控制”转变；从能耗角度看，未实施超低排放改造的7台大型烧结机中，有5台达到了GB21256规定的烧结工序能耗先进值（45kgce/t），达标率71.4%；完成超低排放改造的23台大型烧结机中，达到能耗先进值的仅为8台，达标率为34.8%，说明在能耗双控，烧结实施超低排放后，烧结工序能耗达到先进值面临困难。图1对烧结工序能耗的统计结果也在一定程度上印证了上述结论，随着2019年开始超低排放改造的陆续实施，烧结工序能耗结束降低的趋势开始小幅升高。
图1 2000年至今国内烧结工序能耗统计
围绕烧结降碳减排，各大钢铁企业和科研院校开发了多项技术，包括超厚料层烧结技术，富氢气体喷吹技术，烟气循环技术等，并取得了显著的效果。不过上述技术在实施过程中也遇到了一些瓶颈，如料层厚度提至800mm以上时降碳效果下降；富氢气体喷吹的热量置换比很难突破1:5（日本JFE为1:4.6）；烟气循环受18%氧含量限制，烟气循环利用比例很难稳定突破20%。
在此背景下，首钢集团有限公司技术研究院联合首钢京唐钢铁联合有限责任公司与北京科技大学开展了基于碳氧重构的大型烧结机降碳减排关键技术集成攻关。从烧结工艺理论出发，探索不同烧结阶段对氧和碳的实际需求，将烧结烟气中的氧与烧结燃料中的碳有机结合，提高烧结能源利用效率和成矿效率，实现减排与降碳协同发展。
二、解决问题的思路与技术方案
图2 项目技术思路
课题研发过程中主要面临三个难点：1）突破18%氧含量限制，提高废烟气中显热和化学能回收量，污染物减排30%以上；2）进一步优化料层热量需求与分布，提高超厚料层烧结的降耗效果；3）进一步提高富氢气体置换比至1:6以上，提高能源利用效率。
为解决上述技术难题，首先通过烧结过程热量迁移规律和氧势变化规律研究，明晰不同烧结阶段的热量需求和氧需求，据此提出烧结全过程碳氧重构的技术思路。在碳氧重构工艺理论的指导下，项目攻关团队先后研发应用了欠氧冷却与低氧烧结技术、低碳高效烧结技术、超厚料层烧结、兼顾低温烧结性能的原料结构优化技术、废烟气协同天然气喷吹技术，最终通过大量理论分析、实验室试验和现场测试测算，设计开发了京唐烧结综合喷吹系统，实现了天然气喷吹+烟气内循环+外循环技术集成创新和协同强化，提出了前段天然气喷吹、中段烟气内循环、后段烟气外循环的合理工艺布局，有力促进了烧结工序降碳减排。
三、主要创新性成果
1.揭示了烧结热量迁移、氧势变化规律，明确了烧结分段氧过剩系数和理论需氧量，为烧结过程碳氧重构提供了理论基础。
通过开展烧结过程热量迁移规律和氧势变化规律研究，探索出不同烧结阶段的热量需求和氧需求。从碳分布规律来看，烧结料层的自蓄热作用给下层带来了充沛的热量，表现为燃烧带宽，温度高，烧结矿质量好；上层热量显得不足，烧结矿质量差；从氧分布规律来看，烧结燃料燃烧对氧的需求表现为前高后低的趋势，尤其在烧结尾段对氧的需求大幅度降低；烧结矿冷却过程对氧的需求是氧含量越低越好。在此基础上构建了碳氧重构工艺理论，从提高能源利用效率、降低碳排放和污染物排放的角度考虑，对整个烧结过程的碳氧进行重构，使热量在上下层之间分布更合理，氧在各段配置更科学。主要从如下几个方面着手：1）充分发挥料层的自蓄热作用，继续提高中、下层热量水平，超厚料层烧结是最有效的实现途径；2）料层提高后上部热量不足的矛盾将更加突出，可从两方面来解决，一是通过天然气喷吹等技术直接提高上部料层热量；二是通过调整原料结构降低上部料层热量需求；3）将烧结过程的氧需求与烧结烟气特性有机结合，开发基于碳氧重构的烧结烟气循环技术，实现节能、减排协同发展。
2. 首次利用低氧低温废气实现了烧结中后段低氧烧结和欠氧冷却，抑制了烧结矿冷却过程中FeO的氧化，优化了烧结矿矿相结构，烧结矿RDI+3.15和RI指数分别提高2.35和1.37个百分点。
根据实验室研究结论，结合不同部位烧结烟气的热工特性，提出了烧结内外烟气协同双循环的技术思路，在中、低氧需求区域实施欠氧冷却和低氧烧结。
中氧烟气选择机尾高温、中氧风箱，这部分烟气不仅氧含量满足需求，而且含有大量的物理热，将该烟气引至烧结中部区域。由于料层的自蓄热作用，燃烧带逐渐变宽，烧结中段过湿带逐渐积累的阶段，料层透气性差。这个阶段对于热量的需求具有两面性，一方面增加热量可促进液相生成，改善烧结矿质量；另一方面热量过高会带来燃烧带加宽，进一步恶化料层透气性，影响烧结利用系数。
通过不同温度下烧结中部区域分段理论氧需求量分析可知，烟气温度在25-350℃范围内，理论氧需求量在19.5%左右，烧结机机尾风箱中的烟气氧含量满足该要求，从热量需求以及烧结产质量平衡角度，需要将烟气温度控制在150-200℃。为此，选取机尾高温风箱烟气换热后送至烧结中部区域进行烟气循环烧结。
低氧烟气有两个选择：一是中前部风箱支管中的烧结烟气，氧含量10-12%，温度80℃左右；二是烧结主抽风机之后的大烟道烟气，氧含量13-15%。二者的氧含量均可满足烧结尾段对氧含量的需求。综合能量利用、投资、后期运行等，取主抽后大烟道烟气循环至烧结机尾进行烧结矿欠氧冷却。
综上，通过尾部风箱烟气至烧结机中段的内循环，协同外循环烟气至烧结机尾段的外循环，形成了烧结内外烟气协同双循环的工艺布局。实施后烧结矿中再生赤铁矿生成量得到有效抑制，烧结矿矿物组成得到改善，冶金性能提升。
3. 开发了烧结废烟气协同天然气喷吹技术，解决了超厚料层烧结上部料层的热量不足的问题，烧结矿质量纵向均匀性提升39%以上。采用梯级喷吹工艺，提升热效率，热量置换比达到1:7。
为了改善烧结上部料层热量水平，提出了利用烧结热废烟气取代冷空气协同天然气喷吹的技术思路。选择机尾除尘烟气与其耦合喷吹，根据烧结烟气热工特性测试结果，机尾除尘烟气温度在150℃左右，氧气含量21%。
为分析该技术思路的可行性，一方面需要确认机尾除尘烟气的氧含量是否能够达到理论需氧量的要求；另一方面需要分析150℃左右烟气与天然气喷吹耦合对于上部料层热量水平的改善效果。利用修正后的理论需氧量计算模型，对150℃天然气喷吹罩内的理论需氧量进行了多次测算，从计算结果来看，当烟气温度在150℃时，使用机尾除尘烟气协同天然气喷吹可保证烧结燃料在料层内充分燃烧。通过废烟气协同天然气喷吹仿真模拟，使用150℃废烟气对天然气和烧结料层进行预热后，料层最高温度由1297℃提高至1323℃，1200℃高温区宽度由67mm提高至73mm，燃烧带热流强度CTI值由4958（℃.mm）提高至5686（℃.mm），提升14.7%。
为了进一步提高热量利用效率，提出了梯级喷吹的技术思路，即按烧结料层热量需求从前至后逐步降低天然气喷吹量。采用梯级喷吹后，前段和中前段的燃烧带热量水平明显提高，中后段和后段燃烧带热流强度略有降低，一方面改善表层烧结矿质量的效果更加明晰，另一方面使得料层在纵向方向上热量分布更加均匀，有利于改善烧结矿质量的纵向均匀性。
4. 集成创新了废烟气耦合天然气+废气双循环+烟道加湿复合喷吹系统。通过喷吹制度等关键工艺参数优化，实现烧结过程风、氧、碳高效匹配，烧结工序能耗下降15%，吨烧结矿废气排放量降低36.9%，污染物减排40%。
基于大量实测数据，通过理论分析、实验室试验，设计开发了京唐烧结复合喷吹系统，实现了天然气喷吹+烟气内循环+外循环技术集成创新和协同强化，提出了前段天然气喷吹、中段烟气内循环、后段烟气外循环的合理工艺布局，实现了烧结工序降碳减排。
具体来看，烧结机前端为天然气喷吹段，并且使用机尾除尘热烟气作为烧结助燃空气；烧结机中段为烟气内循环段，并采用加湿循环喷吹技术降低烧结烟气污染物；烧结机尾段为烟气外循环段，从烧结主抽后的大烟道抽取烟气返回烧结料面，降低污染物排放同时改善烧结矿质量。
四、应用情况与效果
通过基于碳氧重构的大型烧结机降碳减排关键技术集成项目，京唐两台大型烧结机料层厚度由基准期的860mm水平逐步提高并稳定在应用期的930mm以上，尤其是2号机料层厚度提高至950mm水平。烧结固体燃耗出现明显的降低趋势，由基准期的53.55kg/t降低至45.74kg/t，大幅降低了7.81kg/t。点火煤气消耗由2.391m³/t降至1.996m³/t。蒸汽回收量从51.99kg/t提升到99.00kg/t，余热回收效率大副度提高。烧结工序能耗由基准期的48.39kgce/t降低至应用期的40.88kgce/t，降幅达到7.51kgce/t，实现了烧结工序能耗的大幅度降低，有力支撑了烧结绿色低碳发展。项目实施后，烧结烟气污染物排放大幅度降低。与基准期相比，烟气中SO2浓度下降幅度达到16.06%，NOx浓度下降6.18%，CO浓度下降幅度达到17.6%。对比项目实施前后，SO2小时排放量降低38.66%，NOx小时排放量降低31.44%，CO小时排放量降低39.79%，吨烧结矿外排废烟气量（标况）降低36.92%，综合减排效果十分显著。烧结利用系数由1.27t/(m2·h)提高至1.35t/(m2·h)的较高水平，烧结自返率由21.85%降低至21.10%，烧结矿低温还原粉化指数（RDI+3.15）明显提高，由68.16%提高到70.51%；平均粒径增加。通过实施基于碳氧重构的大型烧结机降碳减排关键技术集成项目，实现了首钢京唐烧结长期降碳减排、提质增效目标，为烧结绿色低碳技术发展提供了良好的借鉴。
表1 烧结工序能耗相关指标
表2 吨矿污染物排放量变化
表 3 烧结矿质量指标变化情况
图3 首钢京唐烧结机综合喷吹系统现场图
技术创新成果应用以来，京唐烧结实现了固体燃料、烧结工序耗电量以及焦炉煤气消耗量的大幅度降低，本项目研究以2019年1-12月为基准期，2020年1月-2022年10月为应用期，累计实现直接经济效益达1.36亿元。同时通过项目攻关研究，共获授权专利13件（其中发明专利6件），主持行业标准2项，经济和社会效益显著，应用前景广阔。
信息来源：首钢集团有限公司、首钢京唐钢铁联合有限责任公司