一、研究的背景與問題

燒結(jié)法對原料的適應性強、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、污染負荷重，我國燒結(jié)年消耗煤炭5500萬t、排放CO超過2億t，煙氣中多種污染物的排放量居鋼鐵工業(yè)首位。在國家“雙碳”戰(zhàn)略和鋼鐵工業(yè)推進超低排放的時代背景下，開發(fā)清潔低碳的燒結(jié)技術意義重大。

高料層燒結(jié)是實現(xiàn)低碳綠色燒結(jié)生產(chǎn)的重要途徑，是新世紀以來國內(nèi)外燒結(jié)研究最活躍的領域，但由于“蓄熱效應”導致的“燒結(jié)料層上部熱量不足、下部熱量過?！钡墓逃须y題始終未能根本解決，導致燒結(jié)生產(chǎn)能耗和排放明顯高于球團法并存在產(chǎn)品質(zhì)量不均、返礦率高等問題。尤其料層厚度提升到1000mm以上時，料層熱量不均的問題更為突出。因此，料層熱量均衡分布是實現(xiàn)高料層燒結(jié)高效、低碳、穩(wěn)定生產(chǎn)的關鍵。對此，中南大學和湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司面向國家“雙碳”戰(zhàn)略和鋼鐵燒結(jié)行業(yè)重大需求，從2014年開始，在深入研究燒結(jié)料層熱量分布和傳熱規(guī)律的基礎上，明確了解決熱量不均問題的重點目標——表面料層，首次提出了表層燃料偏聚燒結(jié)的技術思路，開發(fā)出了基于燃料偏聚的低碳均熱燒結(jié)關鍵技術與裝備，并實現(xiàn)工業(yè)應用，取得了清潔低碳燒結(jié)的重大突破，獲得了顯著的經(jīng)濟效益和社會環(huán)境效益。

二、解決問題的思路與技術方案

本項目圍繞料層均熱理論和清潔低碳燒結(jié)關鍵技術開展深入研究，提出了表層燃料偏聚燒結(jié)的技術思路（見圖1）：因下部料層熱量過剩，減少下部料層燃料的配加量，將其部分精準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)，既針對性解決了表層熱量不足、下層熱量過剩的難題，還減少了固體燃料總消耗，同時該工藝僅燃料分流，相比傳統(tǒng)的分層燒結(jié)，其物料流更簡便，因而流程更短、投資更省，具有明顯的特色和優(yōu)勢。

圖1 基于燃料偏聚的低碳均熱燒結(jié)思路圖

項目研發(fā)團隊在國家自然科學基金項目、校企合作項目的基礎上，通過產(chǎn)學研合作聯(lián)合攻關，完成了表層燃料偏聚低碳均熱燒結(jié)的基礎理論、關鍵技術、工藝與裝備的全套研發(fā)工作，揭示了實現(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)關鍵技術，建立了與表層燃料偏聚燒結(jié)相匹配的點火工藝制度，開發(fā)了實現(xiàn)表層燃料精準偏聚的關鍵裝置及設備，形成了綠色低碳、均質(zhì)均熱燒結(jié)的技術體系（見圖2），并全部成功應用于工業(yè)生產(chǎn)。

圖2 表層燃料偏聚低碳均熱燒結(jié)技術路線

三、主要創(chuàng)新性成果

（1）建立了燃料偏聚實現(xiàn)料層熱量均勻分布的基礎理論。首次提出了表面層燃料偏聚燒結(jié)的技術思路，通過燒結(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、延長高溫時間、降低冷卻速度的最佳方法，揭示了實現(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。

（2）研發(fā)了基于表層燃料偏聚的低碳燒結(jié)關鍵技術。揭示了表層燃料偏聚程度與燒結(jié)產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗、排放等指標的內(nèi)在關系，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)、減碳關鍵技術，實現(xiàn)1050mm超厚料層燒結(jié)穩(wěn)定運行，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）開發(fā)了與表層燃料偏聚燒結(jié)相匹配的點火工藝技術。闡明了燃料偏聚模式下點火制度影響燒結(jié)的規(guī)律與作用機理，確立了一套相匹配的點火工藝新制度，點火溫度降低200℃以上，率先在國內(nèi)外實現(xiàn)850℃以下超低溫點火，點火能耗降低約50%。

（4）研制了實現(xiàn)表層燃料精準偏聚的關鍵設備。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”于一體的燃料精準偏聚核心設備，建成國內(nèi)外首臺套基于燃料偏聚的低碳均熱燒結(jié)示范線，在大型燒結(jié)機上實現(xiàn)工業(yè)應用，產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗、排放指標全面提升。

四、應用情況與效果

本項目技術成果成功應用于湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司3臺燒結(jié)機，年均應用規(guī)模超過1000萬噸。在基于燃料偏聚的低碳均熱燒結(jié)關鍵技術與裝備支撐下，實現(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)濟效益和社會環(huán)境效益顯著：

（1）新工藝應用后，湘鋼實現(xiàn)了1050mm超高料層燒結(jié)工業(yè)生產(chǎn)，返礦率從13.65%進一步降低至12.21%，為國內(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，是國內(nèi)外最低的固體燃耗，近三年累計節(jié)約固體燃料9.3萬噸，減排CO、CO分別達24.4萬噸、14萬噸。

（3）點火溫度從1054℃降低至829℃，噸礦點火能耗從53.7MJ?t^-1降低至26.7MJ?t^-1，點火溫度和燃耗均為國內(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，過程減排比例達35%，過程減排率為國內(nèi)外最高水平。

（5）項目實施后，取得了顯著的經(jīng)濟效益，近三年累計效益超過4億元。

項目開發(fā)出擁有完全自主知識產(chǎn)權的超高料層燒結(jié)燃料精準偏聚關鍵技術和核心裝備，獲得國家授權發(fā)明專利15件，發(fā)表學術論文11篇。中國金屬學會組織了成果評價會，七位專家一致認為本成果達到國際領先水平。項目成果顯著提升了我國清潔低碳燒結(jié)的科學技術水平，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，為我國鋼鐵工業(yè)的綠色低碳發(fā)展做出了重要貢獻。

圖3 料面燃料偏聚工藝工業(yè)應用示意圖

信息來源：中南大學、湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司

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