引言钢铁企业为加大节能减排力度，持续推进清洁生产，需要加强污染前削减，将节能减排压力消解在生产全过程中[1-3]。钢铁联合企业的烧结具有高能耗、高污染物含量、高粉尘等特点。因此，烧结节能减排工作是钢铁厂“双碳”目标实现的关键环节之一[4-5]。对于烧结过程综合节能减排，国内外大量研究集中在烟气循环、烧结料面燃气喷吹、蒸汽喷吹和节能点火等技术路线、过程反应机理、污染物减排模型和实际应用情况[5-13]等方面。Fan[6]等根据烧结烟气组成特征，将烧结划分为5个区域，建立烧结烟气循环污染物减排和废热回收精细化模式。在合适的循环气体成分和温度条件下，烟气循环率高达41.9%，NOX和SO2排放分别减少28.6%和8.15%。李国良[12]等从低水低碳厚料层烧结、低热值煤气低负压点火和料面喷吹天然气等多工艺协同处理角度出发，结合漏风治理、增设边缘压料装置，优化烧结料面布料等生产控制措施，在改善烧结矿产、质量的同时，取得降低工序能耗的良好效果，使能耗由53.66 千克标准煤/t降至46.32 千克标准煤/t。针对某钢铁厂烧结机实施综合节能减排优化提升技术进行阐述，基于烧结过程整体优化节能减排技术耦合，对综合应用效果进行分析，以期为烧结从业者提供借鉴，共同探索未来发展方向。1烧结节能减排综合技术方案某钢铁厂2×500 m2烧结机实际年产量1 082.9 万t，单台机产生废气量约270 万m3/h，温度约150 ℃，烧结料层厚度915~930 mm。烧结过程产生的废气含多种污染物，如粉尘、CO、CO2、SO2、NOX、HF、HCl、二噁英等。为响应国家节能减排、提质增效号召，文章对烧结机实施烧结烟气循环技术、烧结料面喷吹技术和点火节能技术，对烧结机进行综合节能减排系统优化提升。烧结节能减排综合技术工艺流程如图1所示。针对烧结机系统进行烧结烟气内循环、外循环、料面天然气与机尾除尘或环冷机尾气耦合喷吹、料面蒸汽喷吹、点火炉低负压点火技术和点火自动控制等技术应用。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.023.F001图1烧结节能减排综合技术流程分析烧结过程，将烧结料面大体分为四个区域段：点火保温段（1#~3#风箱）、烧结前段（4#~11#风箱）、烧结中段（12#~19#风箱）和烧结后段（20#~27#风箱）。点火保温段烟气特征为高氧气、低水蒸气，需要保持稳定、较低的点火负压，并避免调节蝶阀堵塞，实现低燃耗和高质量点火；烧结前段烟气特征为高NOx、高水蒸气，料层表面存在快速降温现象，蓄热作用弱，固体燃料相对不足；烧结中段烟气特征为高污染物、较高水蒸气，蓄热作用中，固体燃料相对适中；烧结后段烟气特征为高氧气、低水蒸气和高温度，蓄热作用强，在厚料层条件下固体燃料相对过剩。因此，为进一步降低整体燃耗，烧结机从前段到后段需要阶梯补热。前段通过料面天然气与机尾除尘或环冷机尾气耦合，喷吹不含水热风以增加烧结矿表层热量；中段补充内循环含水低高温热风；后段补充外循环含水高的低温热风。1.1烧结烟气循环技术烧结机烟气热风循环工艺：烧结机排放的大烟道烟气通过回收再循环，实现减少烟气排放总量，同时有效利用烧结大烟道高温烟气，降低燃料消耗和改善烧结矿质量，实现节能、减排、改善质量的目的。1.1.1工艺方案及流程从烟气选取部位划分，将烧结烟气循环工艺分为[14]：外循环模式和内循环模式。外循环模式，烧结主抽风机后分流部分烟气循环使用，无须配置除尘器，工艺配置简单，不影响烧结生产操作，投资和运行费用较低，减排效果明显。但烟气温度不高，回收显热效果不明显；内循环模式，烧结机部分风箱烟气混合，经多管除尘器除尘，由内循环风机送至烧结料面重新参与烧结过程，减排和回收显热效果明显，但工艺配置复杂，对烧结生产操作影响大，投资和运行费用较高。针对外循环和内循环模式特点，从机头除尘、脱硫、污染物减排和挖潜增效等角度比较，比较效果如表1所示。结合烧结厂实际情况，综合考虑，采用外循环和内循环组合方案。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.023.T001表1内循环和外循环主要效果对比观察角度主要效果内循环模式外循环模式机头除尘减少处理风量明显无降低电场烟气流速明显无增加停留时间，提高除尘效率明显无脱硫烟气SO2富集微弱明显减少处理风量明显明显烧结矿S富集微弱明显污染物减排外排烟气量减少明显明显降低排污费明显明显二噁英分解微弱明显循环烟气中颗粒物被料层拦截明显微弱挖潜增效挖掘设备潜力提高产量明显微弱提高烧结矿质量明显微弱回收烟气显热，降低固体燃料消耗明显微弱（1）内循环方案。内循环取风，选择烧结机尾部25#~27#风箱，烟气特征为高氧气、高含尘和低水蒸气，温度360~400 ℃。烟气循环热风补充在烧结中段，所需补热量不多，为提高烟气在料层表面吸收率，增加余热锅炉系统，将烟气温度约降至200 ℃，通过烟气循环罩进入烧结料面。烧结机为双侧抽风，检修跨分布在厂房南侧，考虑在北侧区域设置烟气循环设施。方便烧结机主平台检修，烟气循环罩采用侧进风弧形罩，降低厂房高度占用空间。将大烟道局部截断，烧结机25#~27#风箱对应烟道串联汇集一个总集气管内，多管除尘后，进入余热锅炉产蒸汽，由内循环风机提供动力重新返回烧结12#~19#风箱对应的料面上。（2）外循环方案。外循环烟气，取自烧结主抽风机后，烟气特征为低氧气、低含尘、高污染物和高水蒸气，温度约120 ℃。烟气循环热风补充在烧结后段，所需补热量少，且对循环烟气含水不敏感，是外循环烟气比较理想的回风位置。通过外循环风机，把循环烟气返回至20#~23#风箱对应的烧结料面。系统设置安全旁路，当热风循环系统回风外溢，通过配置8个安全阀直接与大烟道相通，保证系统安全，保证主厂房内无废气外泄。系统同时配置安全泄压旁路，当烧结系统或脱硫系统发生故障，烟气循环风量急剧增加，可通过主厂房外部配置的安全阀直接泄压，排出管内余压。（3）烟气条件及循环率。根据以上循环方案，结合生产实测数据，烟气条件及总循环风量如表2所示。理论循环率为：35.19÷149.41×100%=23.55%，实际循环率为：34.14÷149.41×100%=22.85%。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.023.T002表2烟气条件及总循环风量计算循环模式位置风量（工况）/(万m³/h)温度/℃压力/kPa风量（标况）/(万m³/h)烟气内循环前大烟道汇总（实测）276.62151.11-16.09149.4125#~27#风箱（理论）45.00380.00-15.5915.88烟气内循环后大烟道汇总（理论）233.52123.27-16.09133.53大烟道汇总（实测）232.80120.80-16.61134.58烟气外循环实测28.21126.300.1119.31总循环风量理论———35.19实测———34.14注：“—”表示未进行此项检测。1.1.2关键设备（1）烟气循环罩。烟气循环罩为侧进风弧形罩，如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.023.F002图2烧结烟气循环罩采用框架组合式结构，模块化设计，每节长4 m，横截面尺寸为6 642 mm×7 650 mm，贴近料面处配置挡风板，各节间采用卡式连接，带4个车轮组，烟罩在轨道上可移动，为点火器检修提供条件。烟气循环罩与框架间采用刚性支撑，罩中上部有热风导入接口，采用外保温形式，下连接梁的下表面两端具有不锈钢导板，防止热风从台车栏板溢出。为控制循环烟气在烟气罩内流动状态，实现循环烟气均布于料面，提升烟气循环应用效果，助力实现均质化烧结，流场仿真结果如图3所示，设置固定导流板和活动导流板。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.023.F003图3烧结烟气循环罩截面速度云图（2）内、外循环风机。为调整烟气循环量和协调烧结生产，内、外循环风机均采用变频式。内循环风机设计流量34 万m3/h，温度约200 ℃，全压21 kPa，叶片采用后弯弧板式设计。外循环风机设计流量25 万m3/h，温度90~180 ℃，全压3 kPa。（3）多管除尘器。多管除尘器采用卧式+立式组合结构。旋风子采用精密铸造的高耐磨合金材料，确保高浓度工况下的整体除尘效率，延长后续余热锅炉和循环风机的使用寿命。烟气处理量（工况）45 万m3/h，入口烟气温度360~420 ℃，除尘效率高于94%。（4）余热锅炉。余热锅炉采用立式自除氧汽包炉，由烟气系统、锅炉本体、除氧给水系统、主蒸汽及循环系统、排放系统等组成。锅炉的本体包括锅筒、除氧器、过热器、蒸发器、预热器、钢架、护板、平台扶梯、锅炉本体炉壳以及本体上安装的一次阀门仪表、检修人孔门等。锅炉进气风量45 万m3/h，进气温度360~400 ℃，排气温度约200 ℃，最大蒸汽产量13.2 t/h。主蒸汽为过热蒸汽，设置旁路，通过减温减压装置调至0.3 MPa饱和蒸汽给烧结自用。1.2点火节能技术1.2.1低负压点火技术低负压点火技术在常规节能点火炉的基础上，将风箱下常规蝶阀更换为特制自动控制风箱压力的防堵料蝶板阀，如图4所示。蝶板阀的阀板轴在阀体气流入口方向的右上端，带有阀板沉槽，阀板全部打开实现100%通风面积，不存在因堵料和阀板转动失灵的问题。与传统翻板式蝶阀相比，在通风面积相同的条件下，阀板有效“过料开度”是翻板式阀门的2倍[15]。基于对点火风箱下低负压自动稳定控制，使得点火过程更稳定、机头漏风率更低、系统更节能。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.023.F004图4自动控制风箱压力的防堵料蝶板阀风箱负压从-14~-16 kPa降至-9~-10 kPa，点火炉膛负压从-70 Pa降至-2~-6 Pa，烧结料面经点火的收缩现象减轻，透气性改善，利于烧结焦炉煤气消耗的减少，烧结点火焦炉煤气消耗降低量约0.2 m3/t。1.2.2点火自动控制技术烧结厚料层、布料等工艺技术的进步与自动控制检测等硬件设施的技术进步，为烧结实现点火的自动控制提供更好的基础。布料工艺采用平料措施，优先目标温度的控制方式，规避煤气质量的影响因素。综合考虑机速、合理空燃比等因素影响，实现点火的自动控制。以流量控制目标温度的自动控制方式，可实现点火目标的长期稳定控制。目标温度±10 ℃时，命中率可达95%以上；目标温度±30 ℃，命中率可达100%。但通过生产实践，在维持高命中率条件下，每一个周期均需进行流量调整，判断周期20 s，相当于每20 s调整一次阀位。调节阀每日需要动作高达4 000次以上，设备故障率提高，煤气流量调节阀设备寿命降低。以阀位控制目标温度的自动控制方式，目标温度±30 ℃，命中率可达80%以上；目标温度±50 ℃，命中率可达95%。该控制模式条件下显著降低调节阀的调整次数，可满足生产需要的同时，显著降低设备故障率。综合考虑各因素，采取阀位控制目标温度的点火自动控制方式，稳定投用后，点火煤气消耗降低量约0.2 m³/t，效果显著。1.3烧结料面喷吹技术1.3.1料面蒸汽喷吹技术烧结料面喷洒蒸汽可利用蒸汽的喷射引射空气加速进入料层，提高烧结过程空气的渗入速度，蒸汽较空气的扩散能力更强，加快烧结燃烧反应。水蒸气与固体C的气化反应改善碳的燃烧状况，提高烧结料中C完全燃烧比例，加快烧结燃烧和传热速度，达到节能减排的目的。蒸汽料面喷吹实际效果如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.023.F005图5蒸汽料面喷吹实际效果实测的各风箱CO含量如图6所示。CO含量在烧结机前段后部和中段比较高，机头和机尾比较低，10#风箱达到最高15 646.65。蒸汽料面喷吹位置的选择，应尽量在CO浓度比较高、规避过湿带最严重的风箱。因此，选取8#~18#风箱作为蒸汽喷吹位置比较理想。蒸汽喷吹量根据生产经验，按照5 kg/t烧结矿设计，最大喷吹量3.4 t/h。每组喷吹管均配置手动调节球阀，根据生产微调，总体原则烧结前段略少，烧结中段略多。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.023.F006图6各风箱CO含量1.3.2料面天然气喷吹耦合技术烧结机为抽风生产作业，在生产运行中，烧结机台车中、下部的料层受到上部料层热风的蓄热影响，发生烧结反应所需的固体燃料量并不需要跟上层一样多，应逐渐减少。现有烧结机偏析布料条件下，存在以下问题：（1）中、下部的料层发生过烧；（2）烧结工序整体固体燃耗指标居高不下；（3）部分烧结料温度超过1 400 ℃，导致复合铁酸钙分解生成玻璃相硅酸盐，损害成品烧结矿质量。料面天然气喷吹技术可强化烧结过程。通过在烧结料面喷吹气体燃料，使其在烧结负压作用下进入烧结料层，在料层中、上部特定位置燃烧，达到减少固体燃耗、降低烧结最高温度、拓宽燃烧带、提高烧结矿质量、降低大烟道CO、CO2排放量等多个有益化技术效果。液相量随温度区间的适当扩展而增大，促使气孔融合，提高烧结矿强度。此项技术通过改变烧结过程中加热或冷却速度，能够在不提高料层厚度的前提下，生产出高强度烧结矿，达到节能、减排、提质、增产的目的。气体燃料在紧邻燃料燃烧区的位置燃烧，补偿燃烧带热量不足，拓宽燃烧带；减缓烧结矿冷却速度，提高烧结矿强度；减少烧结固体燃料配比，促进优质复合铁酸钙组分的生成[16]。国内某些钢厂应用为直接在料面架设喷吹装置，占用料层上部位置，导致在燃气喷吹区域无法实施热风循环等节能减排工艺。为提高烧结料层上部空间的综合利用率，采用料面天然气喷吹和机尾除尘或环冷机尾气耦合技术，在同一个烟气罩内实现天然气喷吹和热风循环。目前使用除尘后机尾除尘废气，流量约20 万m3/h，进气温度约80 ℃，实现烧结烟气循环外的环境除尘减排。参照烧结烟气循环率的算法，减排风量15.47 万m3/h，增加10.35%循环率。天然气喷吹系统设计的最大天然气喷吹量≥0.75 m3/t，天然气喷吹量≥525 m3/h，目前实际喷吹量约230 m3/h。料面天然气喷吹现场照片如图7所示，包括烟气整流、导流装置、燃气防逃逸装置、燃气着火监测装置、安全报警及切断装置、侧部多层密封装置、喷吹高度调节装置和喷吹自动监控系统等。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.023.F007图7料面天然气喷吹现场照片2综合应用效果通过上述节能减排综合技术的应用，2021年12月工序能耗从48.9 千克标准煤/t降低至45.2 千克标准煤/t，烧结矿产量提高186 t/d，RDI升高0.17%，烧结返矿率降低0.35%，烧结固体燃耗从49.06 kg/t降低至47.7 kg/t，烧结点火焦炉煤气消耗降低0.4 m3/t。烧结矿粒度为16~40 mm的比例提高4.55%，粒度小于10 mm比例下降0.17%，平均粒度下降0.84 mm。烟气循环余热锅炉实际蒸汽产量约10.1 t/h，烧结大烟道温度约降低30.31 ℃，烧结主抽外排标况风量降低22.85%。内循环和外循环实际标态烟气循环率22.85%，机尾除尘参比烟气循环率10.35%，综合烟气循环率达33.2%。天然气喷吹工艺对烧结过程影响比较复杂，且系统刚投入，喷吹量较低，处于优化调试阶段，因此现阶段观测的最高温度(BTP)下降显著，烧结矿小于10 mm比例呈现升高趋势，其他指标有待进一步分析。3结语通过对国内某钢铁厂2台烧结机实施综合节能减排的优化提升，节能减排效果明显。精细化烧结技术发展大背景下，结合烧结厂实际情况，分析各技术间的关联性，综合应用多重技术的耦合效应。未来深入加强对烧结烟气循环、喷吹天然气、料面蒸汽喷吹、配矿技术、富氧烧结和环冷机零排放等综合应用工艺的研究，逐步调整各种热量的来源方式，优化烧结过程，进一步降低固体燃料消耗，提高节能减排效益。