引言钢铁工业能够推动能源电力、机械制造、交通运输、国防建设、航空航天等工业领域的发展[1]。为了达到降本增效及节能降耗的需求，对现有钢铁生产技术进行节能环保改造具有重要意义[2-3]。烧结工序的能源消耗量约占钢铁企业能耗的10%~20%[4]。目前，国内钢铁厂针对烧结余热的回收利用主要有4种方式，分别为利用热废气对烧结混合料进行预热、烧结余热用于生产蒸汽或热水进行循环利用、余热发电、利用烧结热废气进行热风烧结或烟气循环。部分企业将热能直接排放，造成能源浪费和环境污染[5-6]。钢铁行业中的研究重点包括降低工序能耗、节约生产成本[7-8]。新钢烧结厂烧结机的固体燃耗较高，采取热风烧结工艺技术对新钢360 m2烧结机进行余热高效利用技术改造。1生产现状分析新钢烧结厂目前有3台360 m2烧结机，分别为6#、7#、8#烧结机，于2008年、2009年及2012年投产，年产烧结矿约1 171万t，占烧结厂产量的83.6%，整体设计的节能措施和理念均处于先进水平[9-10]。新钢烧结厂烧结机的固体燃耗较高，平均约61.5 kg/t。新钢6#、7#、8#烧结机设计时未配备动力热风烧结系统；虽然6#、7#烧结机配备了无动力热风管道，但前期设计安装时未考虑环冷机高温段废气余热发电，随着后续余热发电项目的投运，热风管道与余热发电相互影响。（1）管道采热点为环冷机入口，与余热发电采热罩连接，采热点处烟气温度较高（300 ℃以上），直接取出影响发电。（2）通过检测和试验得出，余热发电引风机频率从42 Hz上调至48 Hz时，管道内烟气流速从6.33 m/s降至4 m/s，标况风量从2.46万m³/h降至1万m³/h左右。管道原本的风量小，余热发电上调导致风量减小，改善烧结固耗指标的作用不明显。（3）无动力热风烧结，依靠环冷机废气自然拔力简单引至烧结料面。无动力运行造成热风管道积灰严重，循环风量有限，热废气使用率低，使用效果不明显。因此，拟对新钢6#、7#烧结机新建一套有动力热风烧结余热高效利用系统，从而降低烧结工序能耗。2热风烧结工艺2.1热风烧结余热高效利用技术机理热风烧结余热高效利用技术将烧结矿环冷过程中产生的中低温热废气循环至烧结机料面，以热风的物理热代替固体燃料的化学热进行热风烧结。热风烧结余热高效利用技术可以有效改善因布料偏析导致的料层上下温度分布不均问题，表层烧结矿受热时间延长，在料层自蓄热效果的作用下，可以有效避免料层上部热量不足导致液相生成不充分及因急速冷却造成烧结矿强度降低等现象。热风烧结余热高效利用技术可以降低烧结固体燃料的消耗，有助于加强烧结料层中的氧化性气氛，有效改善烧结矿的冶金性能，大幅提升烧结矿的质量指标。2.2热风烧结工艺流程热风烧结工艺系统将环冷机烧结矿环冷过程中产生的中低温（150~250 ℃）热风沿着环冷循环烟道经多管除尘器降尘，由一台新设的回热风机将中低温热废气通过烟气分配器进行均匀分配，送入烧结料面上部的循环密封罩内进行热风烧结生产，并将多管除尘器收集的灰尘通过气力输送装置送入生石灰与粉尘配加室除尘灰仓。有动力热风烧结工艺流程如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.014.F001图1有动力热风烧结工艺流程热风烧结系统立体模型如图2所示。有动力型热风烧结系统为附属系统，系统部分或全部出现故障时，烧结生产仍能正常进行，或对生产影响较小。采用热风烧结工艺不会影响烧结矿的质量指标及传统的烧结现场生产工艺流程。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.014.F002图2热风烧结系统立体模型借助三维仿真软件设计了一种烟气分配器，用于实现均匀送风。烟气分配器流场分布如图3所示。烟气分配器具有管道阻力损失小、分配器各支管风量均匀分配、投资成本低等特点。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.014.F003图3烟气分配器流场分布3热风烧结相关计算与改造根据热风烧结系统配置，主要新增烧结回热风机、多管除尘器、烟气分配器、循环烟气罩及连接设备之间的管路系统等设施。3.1风量计算以一台360 m2烧结机为计算模型，一台烧结机配备两台主抽风机。烧结机风量计算相关参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.014.T001表1烧结机风量计算相关参数烧结机风量计算依据计算参数主抽风机入口风量Q1/(m3/min)18 000主抽风机入口压力P/Pa-16 500主抽风机入口温度T/℃130烧结机台车长度L1/m90点火炉长度L2/m6保温罩长度L2/m6环冷鼓风机冷却风机风量Q2（5台）/[m3/(min·台)]8 066正常生产条件下，开启2#、3#、4#鼓风机，热风烧结余热高效利用技术拟在3#、4#鼓风机处取风，风温设为180 ℃。主抽风机总风量Q总=2Q1=2×18 000=36 000 m³/min，标准大气压下，主抽风机总风量为Q标≈20 416 m3/min。研究拟设计48 m烟气罩，从5#风箱处开始，罩住5#~16#风箱（总风箱24个），由现场采集数据得到5#~16#风箱的总风量为9 843 m³/min。在风量计算模型中，假设烧结机的漏风率为40%，风箱的漏风率为5%，烟气中水蒸气含量为7%。烧结机顶的进风率q1为51.15%。则5#~16#风箱部分烧结机顶进风量Q3=9 843×51.15%≈5 035 m³/min。换算为工况下的循环风量8 000 m3/min（温度为160 ℃，考虑20 ℃的温降），循环风量预留一定富余，取8 500 m3/min，换算为标况为5 280 m3/min。3.2余热利用技术设备改造余热高效利用技术改造主要包括环冷机采热罩改造、环冷机骨架改造、烧结机轨道改造、烧结机循环烟气罩改造、给排水改造、电气自动化改造等，增设烧结机回热风机、多管除尘器等。3.2.1烧结回热风机烧结回热风机的风量初定为8 500 m3/min，工作温度约180 ℃，进口负压约-1 500 Pa，出口压力1 000 Pa。回热风机考虑外表面设置隔音隔热层。烧结回热风机参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.014.T002表2烧结回热风机参数项目数值工况风量/(m3/min)8 500进口压力/Pa-1 500出口压力/Pa+1 000工况温度/℃180风机耐温/℃250功率/kW5603.2.2多管除尘器多管除尘器的作用是降低烧结烟气中颗粒物含量，减少颗粒物对管道系统及设备的磨损。多管除尘器的工作温度设为180 ℃，工作压力约-1 200 Pa，最大风量约8 500 m3/min。为了减少循环烟气在多管除尘器内的热量损耗，需在其外表面涂设保温材料进行保温，多管除尘器下设置1个灰仓，收集的灰尘通过气力输送装置送入生石灰与粉尘配加室除尘灰仓。4效益分析4.1节能效益烟气比热C空气为1.292 kJ/(m³·℃)，环冷机烟气温度取150 ℃。假设环冷机烟气输送过程的温度损失为20 ℃，烧结机附近环境温度为30 ℃，烧结机台车面的烟气温度ΔT=150-20-30=100 ℃。环冷机烟气带入热量E环为：E环=Q标×C空气×ΔT (1)式中：Q标——热风烧结新增循环风机标况风量，取7 146 m³/min（根据主抽抽风量计算）。经计算，环冷机烟气带入热量为32 千克标准煤/min。烟气带入热量有效利用率η取50%，焦粉折算标准煤系数取0.82计算，采用热风烧结后吨烧结矿节约标准煤为：m=E环×η/Y (2)Y=S×a (3)式中：m——节标煤与1 t烧结矿的质量比；Y——烧结矿产量，t/h；S——烧结面积，为360 m2；a——利用系数，为1.3。经计算，节标煤与1 t烧结矿的质量比为2.05。未考虑自耗电的情况下，每吨烧结矿节约焦粉量约2.5 kg/吨烧结矿。按固体燃料（焦粉）配比降低2.5 kg/吨烧结矿，焦粉价格按照720元/t计，每吨烧结矿可以降低燃料成本约1.8元；回热风机功率为560 kW，电机效率取0.85，每吨烧结矿自耗电量上升1.2 kWh，按电价0.63元/kWh计，消耗成本约0.76元，收支相抵扣后，每吨烧结矿可以节约成本约1.04元。6#、7#、8#烧结机年产烧结矿1 171万t，总成本可以节省约1 200万元/a。4.2分析效益目前，环冷机热废气以外排形式放散，影响环冷机周边操作环境；使用热风烧结技术后，每台烧结机每年可循环利用约32 059万m³的废气，对减排、改善环境具有重要意义。因为利用物理热代替了部分固体燃耗，有利于降低烧结生产过程中CO2的排放量，CO2排放量预计可以减少2~4 kg/吨烧结矿。增产方面，烧结机的综合成品率可以提高1%，单台烧结机年产成品矿可以增加约390万t。提质方面，采用热风烧结工艺技术后，成品矿的转鼓强度预计可以提高0.6%左右；热风烧结技术降低了烧结生产过程中的固体燃料消耗，减少了烧结过程中的还原性气氛，降低了烧结矿中FeO含量，增加了烧结矿分散的小气孔数量，提高了烧结矿的气孔率，有利于改善烧结矿的RI、RDI等指标。通过对新钢360 m2烧结机进行余热高效利用技术改造，热风烧结工艺应用于实际烧结生产过程中在节能减排提质增产方面具有良好的效益。5生产实践新钢6#、7#烧结机率先采用余热高效利用技术，通过调控设计热风烧结工艺参数，保持热废气烟气温度为(250±25) ℃之间，控制热风烧结作用时间占烧结总时间的50%左右，烟气中粉尘含量低于200 mg/m³。生产实践表明，热风烧结工艺技术对降低烧结工艺能耗以及改善烧结矿产质量具有良好的效果。新钢6#、7#烧结机实施热风烧结工艺前后的技术指标对比如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.014.T003表3新钢6#、7#烧结机实施热风烧结工艺前后的技术指标对比烧结机采用热风烧结工艺烧结工艺指标烧结矿指标利用系数/[t/(m2·h)]固体燃耗/(kg/t)转鼓强度/%筛分指数/%FeO含量/%6#无1.2363.1276.004.148.03有1.2560.7976.504.007.717#无1.2463.1675.964.168.06有1.2560.8176.504.047.72由表3可知，采用热风烧结工艺可以有效提高烧结矿产质量指标。6#烧结机烧结利用系数提高0.02 t/(m2·h)，7#烧结机烧结利用系数提高0.01 t/(m2·h)；6#烧结机固体燃耗降低2.33 kg/t，7#烧结机固体燃耗降低2.35 kg/t。因为热风的物理热代替固体燃料化学热，降低了烧结固体燃料用量；此外，热风烧结工艺主动调控烧结烟气温度及热风烧结时间，有利于均匀分布烧结各料层中的热量，避免料层局部热量过大产生过熔现象，有效减小了烧结料层燃烧带的厚度，改善了烧结料层的透气性，从而提高了烧结利用系数。6#和7#烧结机的烧结矿转鼓强度分别提高0.50%和0.54%，筛分指数分别降低0.14%和0.12%，FeO含量分别降低0.32%和0.34%。利用烧结余热进行热风烧结有效提高了烧结矿强度，改善了烧结矿冶金性能指标。新钢6#和7#烧结机的热风烧结工艺实践结果表明，采用热风烧结工艺对烧结余热进行高效利用，烧结矿的CO2排放量减少约2.31 kg/t。此外，烧结余热高效利用可以有效减少烧结矿环冷过程中热废气的无组织排放问题，年处理热废气排放量约25 800万m3。6结语（1）有动力型热风烧结充分利用环冷机废气中的物理显热代替部分混合料中固定燃料的化学热，在新钢6#、7#烧结机上进行工业应用后，有效降低固体燃耗2.33~2.35 kg/t。（2）采用热风烧结工艺后，烧结料层的温度分布均匀，烧结过程物理化学反应更加充分，减少了烧结矿的内应力形成，有效提高了烧结矿的物理强度，降低了烧结矿的粉化率，改善了烧结矿冶金性能指标。在新钢6#、7#烧结机上实施应用后，烧结利用系数提高0.01~0.02 t/(m2·h)，固体燃耗降低2.33~2.35 kg/t，烧结矿转鼓强度提高了0.50%~0.54%，筛分指数降低0.12%~0.14%，FeO含量降低0.32%~0.34%。（3）环冷机密封罩内的热废气被抽回至烧结机循环烧结，减少了环冷机中低温废气的无组织排放，每台烧结机每年可减少环冷机热废气排放量约25 800万m3，环冷机的操作环境得到有效改善。（4）烧结余热高效利用技术有利于钢铁企业烧结生产过程的降本增效，避免烧结热废气的无组织排放造成的环境污染，实现钢铁厂的循环经济及零排放目标。