基于燃料偏聚的低碳均热烧结关键技术与装备

烧结法对原料的适应性强、生产成本低，是钢铁冶金中重要的炼铁精料加工工序。我国烧结矿年产量超过10亿吨，占世界总产量的65%以上。但烧结法能耗高、碳排放量大、污染负荷重，我国烧结年消耗煤炭约为5500万吨，排放CO2超过2亿吨，烟气中多种污染物排放量居钢铁工业首位。在国家“双碳”战略和钢铁工业推进超低排放的时代背景下，开发清洁、低碳的烧结技术具有重要意义。

高料层烧结是实现低碳绿色烧结生产的重要途径，是21世纪以来国内外烧结研究最活跃的领域之一。但由于“蓄热效应”导致“烧结料层上部热量不足、下部热量过剩”的固有难题始终未能从根本上解决，导致烧结生产能耗和排放明显高于球团法，并存在产品质量不均、返矿率高等问题。尤其当料层厚度提升到1000毫米以上时，料层热量分布不均的问题更加突出。因此，实现料层热量均衡分布，是高料层烧结实现高效、低碳、稳定生产的关键。

针对这一问题，中南大学和湖南华菱湘潭钢铁有限公司面向国家“双碳”战略和钢铁烧结行业重大需求，自2014年起，在深入研究烧结料层热量分布和传热规律的基础上，明确了解决热量不均问题的重点目标——表层料层，首次提出表层燃料偏聚烧结的技术思路，开发出基于燃料偏聚的低碳均热烧结关键技术与装备，并实现工业应用，取得了清洁低碳烧结的重大突破，获得了显著的经济效益以及社会和环境效益。

解决问题的思路与技术方案

该项目围绕料层均热理论和清洁低碳烧结关键技术开展深入研究，提出了表层燃料偏聚烧结的技术思路：由于下部料层热量过剩，通过减少下部料层燃料的配加量，并将部分燃料精准分布到最需要热量的表层（距离料面约50毫米范围内），形成表层燃料偏聚状态。该方法既针对性解决了表层热量不足、下层热量过剩的问题，又减少了固体燃料总消耗。同时，该工艺仅涉及燃料分流，相比传统分层烧结，其物料流程更加简便，流程更短、投资更省，具有明显的技术特色和优势。

该项目研发团队在国家自然科学基金项目和校企合作项目基础上，通过产学研协同攻关，完成了表层燃料偏聚低碳均热烧结的基础理论、关键技术、工艺与装备的系统研发工作。该研究揭示了实现低碳均热烧结的料层燃料分布规律，研发了基于表层燃料偏聚的低碳烧结关键技术，建立了与表层燃料偏聚烧结相匹配的点火工艺制度，开发了实现表层燃料精准偏聚的关键装置与设备，形成了绿色低碳、均质均热烧结的完整技术体系，并全部成功应用于工业生产。

主要创新性成果

该成果的主要创新性体现在以下4个方面：

一是建立了燃料偏聚实现料层热量均匀分布的基础理论。该成果首次提出表层燃料偏聚烧结的技术思路，通过烧结料层热状态模拟模型分析发现，燃料偏聚是同步提高表层温度、延长高温持续时间、降低冷却速度的有效方法，揭示了实现低碳均热烧结的料层燃料偏聚原则和方法，奠定了均热烧结的理论基础。

二是研发了基于表层燃料偏聚的低碳烧结关键技术。该成果揭示了表层燃料偏聚程度与烧结产量、质量、能耗和排放等指标之间的内在关系，探明了厚料层烧结燃料偏聚的适宜工艺参数，形成了基于表层燃料偏聚的提质减碳关键技术，实现1050毫米超厚料层烧结稳定运行，突破了厚料层烧结热量分布不均的技术难题，固体燃料总消耗较传统工艺降低6.4%。

三是开发了与表层燃料偏聚烧结相匹配的点火工艺技术。该成果阐明了燃料偏聚模式下点火制度对烧结过程的影响规律与作用机理，确立了一套与之相匹配的点火工艺新制度，使点火温度降低200℃以上，率先在国内外实现850℃以下超低温点火，点火能耗降低约50%。

四是研制了实现表层燃料精准偏聚的关键设备。该成果首创集“燃料高效气力输送—双螺旋均匀布料—表层均匀化分布调控”于一体的燃料精准偏聚核心设备，建成国内外首台套基于燃料偏聚的低碳均热烧结示范线，并在大型烧结机上实现工业应用，使产量、质量、能耗和排放指标均得到全面优化。

应用情况与效果

该项目技术成果已成功应用于湖南华菱湘潭钢铁有限公司3台烧结机，年均应用规模超过1000万吨。在基于燃料偏聚的低碳均热烧结关键技术与装备的支撑下，实现了低能耗、低排放、高质量、高产量的清洁烧结生产，取得了显著的经济效益以及社会和环境效益：

一是新工艺应用后，湘钢实现了1050毫米超高料层烧结工业生产，返矿率由13.65%进一步降低至12.21%，达到国内外最优水平。

二是吨矿固体燃耗由42.33千克降低至39.62千克，为国内外最优水平；近3年累计节约固体燃料9.3万吨，减排CO2和CO分别达24.4万吨和14万吨。

三是点火温度由1054℃降低至829℃，吨矿点火能耗由53.7兆焦耳降低至26.7兆焦耳，点火温度和点火能耗均达到国内外最优水平。

四是烧结烟气CO排放浓度由8270 毫克/立方米降低至5360毫克/立方米，过程减排比例达到35%，过程减排率处于国内外领先水平。

五是该项目实施后取得显著经济效益，近3年累计效益超过4亿元。

该项目开发出拥有完全自主知识产权的超高料层烧结燃料精准偏聚关键技术和核心装备，获得国家授权发明专利15件，发表学术论文11篇。该项目成果显著提升了我国清洁低碳烧结技术水平，为钢铁企业实现烧结提质、降耗、减排提供了新的有效途径，为我国钢铁工业绿色低碳发展做出了重要贡献。（中国冶金报）