一、研究的背景與問(wèn)題

燒結(jié)法對(duì)原料的適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)成本低，是鋼鐵冶金最重要的煉鐵精料加工工序。我國(guó)燒結(jié)礦年產(chǎn)量超10億噸，占世界總產(chǎn)量的65%以上。但燒結(jié)法能耗高、碳排放大、污染負(fù)荷重，我國(guó)燒結(jié)年消耗煤炭5500萬(wàn)t、排放CO超過(guò)2億t，煙氣中多種污染物的排放量居鋼鐵工業(yè)首位。在國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略和鋼鐵工業(yè)推進(jìn)超低排放的時(shí)代背景下，開(kāi)發(fā)清潔低碳的燒結(jié)技術(shù)意義重大。

高料層燒結(jié)是實(shí)現(xiàn)低碳綠色燒結(jié)生產(chǎn)的重要途徑，是新世紀(jì)以來(lái)國(guó)內(nèi)外燒結(jié)研究最活躍的領(lǐng)域，但由于“蓄熱效應(yīng)”導(dǎo)致的“燒結(jié)料層上部熱量不足、下部熱量過(guò)?！钡墓逃须y題始終未能根本解決，導(dǎo)致燒結(jié)生產(chǎn)能耗和排放明顯高于球團(tuán)法并存在產(chǎn)品質(zhì)量不均、返礦率高等問(wèn)題。尤其料層厚度提升到1000mm以上時(shí)，料層熱量不均的問(wèn)題更為突出。因此，料層熱量均衡分布是實(shí)現(xiàn)高料層燒結(jié)高效、低碳、穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵。對(duì)此，中南大學(xué)和湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司面向國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略和鋼鐵燒結(jié)行業(yè)重大需求，從2014年開(kāi)始，在深入研究燒結(jié)料層熱量分布和傳熱規(guī)律的基礎(chǔ)上，明確了解決熱量不均問(wèn)題的重點(diǎn)目標(biāo)——表面料層，首次提出了表層燃料偏聚燒結(jié)的技術(shù)思路，開(kāi)發(fā)出了基于燃料偏聚的低碳均熱燒結(jié)關(guān)鍵技術(shù)與裝備，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，取得了清潔低碳燒結(jié)的重大突破，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)環(huán)境效益。

二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案

本項(xiàng)目圍繞料層均熱理論和清潔低碳燒結(jié)關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展深入研究，提出了表層燃料偏聚燒結(jié)的技術(shù)思路（見(jiàn)圖1）：因下部料層熱量過(guò)剩，減少下部料層燃料的配加量，將其部分精準(zhǔn)分布到最需要熱量的表層（距離料面約50mm的范圍內(nèi)），形成表層燃料偏聚的狀態(tài)，既針對(duì)性解決了表層熱量不足、下層熱量過(guò)剩的難題，還減少了固體燃料總消耗，同時(shí)該工藝僅燃料分流，相比傳統(tǒng)的分層燒結(jié)，其物料流更簡(jiǎn)便，因而流程更短、投資更省，具有明顯的特色和優(yōu)勢(shì)。

圖1 基于燃料偏聚的低碳均熱燒結(jié)思路圖

項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、校企合作項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作聯(lián)合攻關(guān)，完成了表層燃料偏聚低碳均熱燒結(jié)的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、工藝與裝備的全套研發(fā)工作，揭示了實(shí)現(xiàn)低碳均熱燒結(jié)的料層燃料分布規(guī)律，研發(fā)了基于表層燃料偏聚的低碳燒結(jié)關(guān)鍵技術(shù)，建立了與表層燃料偏聚燒結(jié)相匹配的點(diǎn)火工藝制度，開(kāi)發(fā)了實(shí)現(xiàn)表層燃料精準(zhǔn)偏聚的關(guān)鍵裝置及設(shè)備，形成了綠色低碳、均質(zhì)均熱燒結(jié)的技術(shù)體系（見(jiàn)圖2），并全部成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

圖2 表層燃料偏聚低碳均熱燒結(jié)技術(shù)路線

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

（1）建立了燃料偏聚實(shí)現(xiàn)料層熱量均勻分布的基礎(chǔ)理論。首次提出了表面層燃料偏聚燒結(jié)的技術(shù)思路，通過(guò)燒結(jié)料層熱狀態(tài)模擬模型解析，發(fā)現(xiàn)燃料偏聚是同步提高表層溫度、延長(zhǎng)高溫時(shí)間、降低冷卻速度的最佳方法，揭示了實(shí)現(xiàn)低碳均熱燒結(jié)的料層燃料偏聚原則和方法，奠定了均熱燒結(jié)的理論基礎(chǔ)。

（2）研發(fā)了基于表層燃料偏聚的低碳燒結(jié)關(guān)鍵技術(shù)。揭示了表層燃料偏聚程度與燒結(jié)產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗、排放等指標(biāo)的內(nèi)在關(guān)系，探明了厚料層燒結(jié)燃料偏聚的適宜工藝參數(shù)，形成了基于表層燃料偏聚的提質(zhì)、減碳關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)1050mm超厚料層燒結(jié)穩(wěn)定運(yùn)行，突破了厚料層燒結(jié)熱量分布不均的難題，固體燃料總消耗較傳統(tǒng)工藝降低6.4%。

（3）開(kāi)發(fā)了與表層燃料偏聚燒結(jié)相匹配的點(diǎn)火工藝技術(shù)。闡明了燃料偏聚模式下點(diǎn)火制度影響燒結(jié)的規(guī)律與作用機(jī)理，確立了一套相匹配的點(diǎn)火工藝新制度，點(diǎn)火溫度降低200℃以上，率先在國(guó)內(nèi)外實(shí)現(xiàn)850℃以下超低溫點(diǎn)火，點(diǎn)火能耗降低約50%。

（4）研制了實(shí)現(xiàn)表層燃料精準(zhǔn)偏聚的關(guān)鍵設(shè)備。首創(chuàng)了集“燃料高效氣力輸送-雙螺旋均勻布料-表層均勻化分布調(diào)控”于一體的燃料精準(zhǔn)偏聚核心設(shè)備，建成國(guó)內(nèi)外首臺(tái)套基于燃料偏聚的低碳均熱燒結(jié)示范線，在大型燒結(jié)機(jī)上實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗、排放指標(biāo)全面提升。

四、應(yīng)用情況與效果

本項(xiàng)目技術(shù)成果成功應(yīng)用于湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司3臺(tái)燒結(jié)機(jī)，年均應(yīng)用規(guī)模超過(guò)1000萬(wàn)噸。在基于燃料偏聚的低碳均熱燒結(jié)關(guān)鍵技術(shù)與裝備支撐下，實(shí)現(xiàn)了低能耗、低排放、高質(zhì)高產(chǎn)的清潔燒結(jié)生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)環(huán)境效益顯著：

（1）新工藝應(yīng)用后，湘鋼實(shí)現(xiàn)了1050mm超高料層燒結(jié)工業(yè)生產(chǎn)，返礦率從13.65%進(jìn)一步降低至12.21%，為國(guó)內(nèi)外最低值。

（2）噸礦固體燃耗從42.33kg?t^-1降低至39.62 kg?t^-1，是國(guó)內(nèi)外最低的固體燃耗，近三年累計(jì)節(jié)約固體燃料9.3萬(wàn)噸，減排CO、CO分別達(dá)24.4萬(wàn)噸、14萬(wàn)噸。

（3）點(diǎn)火溫度從1054℃降低至829℃，噸礦點(diǎn)火能耗從53.7MJ?t^-1降低至26.7MJ?t^-1，點(diǎn)火溫度和燃耗均為國(guó)內(nèi)外最低值。

（4）燒結(jié)煙氣CO排放濃度從8270mg?m^-3降低至5360mg?m^-3，過(guò)程減排比例達(dá)35%，過(guò)程減排率為國(guó)內(nèi)外最高水平。

（5）項(xiàng)目實(shí)施后，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，近三年累計(jì)效益超過(guò)4億元。

項(xiàng)目開(kāi)發(fā)出擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超高料層燒結(jié)燃料精準(zhǔn)偏聚關(guān)鍵技術(shù)和核心裝備，獲得國(guó)家授權(quán)發(fā)明專利15件，發(fā)表學(xué)術(shù)論文11篇。中國(guó)金屬學(xué)會(huì)組織了成果評(píng)價(jià)會(huì)，七位專家一致認(rèn)為本成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。項(xiàng)目成果顯著提升了我國(guó)清潔低碳燒結(jié)的科學(xué)技術(shù)水平，為鋼鐵企業(yè)燒結(jié)提質(zhì)、降耗、減排提供了新的有效途徑，為我國(guó)鋼鐵工業(yè)的綠色低碳發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

圖3 料面燃料偏聚工藝工業(yè)應(yīng)用示意圖

信息來(lái)源：中南大學(xué)、湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司

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