一、研究背景與問題
燒結(jié)是鋼鐵工業(yè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，2021年我國燒結(jié)礦產(chǎn)量近12億噸，燒結(jié)工序年CO2排放量達2.77億噸，開發(fā)先進的低碳燒結(jié)技術(shù)，對鋼鐵工業(yè)碳減排意義重大。近年來，國內(nèi)外在提高燒結(jié)料層厚度、減少燒結(jié)漏風率等能效強化方面做了大量研究工作，重點鋼企燒結(jié)工序能耗普遍達到了國際先進水平。但要滿足國家“雙碳”戰(zhàn)略的低碳化生產(chǎn)要求，燒結(jié)仍然存在四大技術(shù)瓶頸問題亟需攻克，具體表現(xiàn)為：1）供熱模式單一，目前燒結(jié)工序均采用焦/煤粉供熱，每燃燒1公斤就向大氣中釋放約2.7公斤CO2；2）燃料燃燒效果不佳，點火階段煙氣氧濃度低且隨后料面接觸大量冷空氣，同時，大顆粒焦/煤粉易在料層局部區(qū)域形成還原性氣氛引發(fā)不完全燃燒，由此引發(fā)的熱量浪費占比在10%以上；3）過程自蓄熱量未得到充分利用，燒結(jié)為抽風作業(yè)，由此引發(fā)的料層自上往下蓄熱效應(yīng)會隨著料層厚度的增加而強化，900mm以上厚料層燒結(jié)過程蓄熱率高達55%-65%；4）冷凝成礦溫度梯度未有效控制，已燒成礦因冷凝速度過快產(chǎn)生玻璃質(zhì)，造成工序返礦率高，其中頂部返礦率高達45%，變相增加了噸礦碳消耗量。因此，從控制好燃燒、蓄熱、冷凝成礦等多角度著手，開發(fā)一種氣固結(jié)合、氫碳替代、優(yōu)化成礦的分層供熱均熱燒結(jié)工藝方法，成為燒結(jié)生產(chǎn)節(jié)能減排、提質(zhì)增效的重大技術(shù)革新。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
本項目通過研究燒結(jié)料層熱量產(chǎn)生、消耗、傳遞、蓄積的規(guī)律及影響因素，揭示了能源相態(tài)、溫度區(qū)間及變化梯度、微觀氣氛與燒結(jié)成礦產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)系，開發(fā)了燒結(jié)料層均熱數(shù)學模型及求解分層補熱的數(shù)學算法，發(fā)明了基于基準配碳加分層補熱實現(xiàn)均熱低碳富氫燒結(jié)的方法，研制了燒結(jié)過程能源配加時、空、質(zhì)、量多維度偶合工藝及配送裝置。首次通過富氧點火、熱風保溫、富氫載能氣體耦合噴加等手段對料層實施分層精準化補熱，同時采用工況智能化測控系統(tǒng)對燒結(jié)工況實時閉環(huán)控制。布局并攻克了大流量差高壓差空氧混勻、分區(qū)富氧點火、蛇形間接換熱式分段保溫、天然氣內(nèi)旋鐘擺式噴加、矩陣花板式耦合噴加等十一項關(guān)鍵技術(shù)，確保了燒結(jié)料層在垂直與水平兩個方向的均熱燒結(jié)，最終集成新一代分層供熱低碳富氫燒結(jié)技術(shù)體系，達到低碳高效、均熱高質(zhì)、綠色清潔的技術(shù)效果。項目技術(shù)路線圖如1所示。
圖1 技術(shù)路線圖
三、主要創(chuàng)新性成果
1、首創(chuàng)了分層供熱低碳富氫燒結(jié)工藝方法。研究了料層自蓄熱量化模型和燒結(jié)冷凝控制機理，發(fā)明了調(diào)控碳元素燃燒氣氛-冷凝溫度梯度-富氫氣體替換相耦合的精準分層供熱低碳富氫燒結(jié)方法，實現(xiàn)了配碳量降低13.5%，碳排放減少14.8%，NOx減排31.7%，噸礦成本降低21.94元，提高了燒結(jié)礦的產(chǎn)質(zhì)量。
研究了燒結(jié)料層熱量產(chǎn)生、消耗、傳遞、蓄積的規(guī)律及影響因素，構(gòu)建了燒結(jié)料層自蓄熱量化模型及求解分層補熱的數(shù)學算法，探明了典型工況燒結(jié)過程中沿高度方向的理論需熱量分布特性，明確了以料層底部25%高度單元所需峰值配碳量為基準實施全料層減碳；研究了不同冷卻速度工況的燒結(jié)礦相分布，明確了料層內(nèi)已燒成礦的冷卻速度應(yīng)控制在100℃/min以下。
通過構(gòu)建燒結(jié)料層內(nèi)部傳熱傳質(zhì)與化學反應(yīng)過程模擬模型，揭示了能源相態(tài)、溫度區(qū)間及變化梯度、微觀氣氛與燒結(jié)成礦產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)聯(lián)關(guān)系，獲取燒結(jié)過程最優(yōu)分層供熱量曲線，以實現(xiàn)均熱燒結(jié)為目標，將減碳后料層劃分為表層補熱區(qū)、上層補熱區(qū)、中層補熱區(qū)與底層區(qū)四個區(qū)域。首創(chuàng)了表層點火-上層保溫-中部天然氣噴加-水蒸氣耦合噴灑的精細化分層供熱低碳富氫燒結(jié)工藝方法。
同時，結(jié)合示范工程（中天鋼鐵550m2燒結(jié)）廠內(nèi)原燃料條件，構(gòu)建了個性化分層供熱低碳富氫燒結(jié)工藝制度，如圖2所示，即：0~25mm表層補熱強度1.82MJ/m3，點火溫度1172℃~1131℃梯級分布；25mm~75mm上層補熱強度1.33MJ/m3，保溫溫度616℃~292℃梯級分布；75mm~690mm中層補熱強度0.52MJ/m3，天然氣濃度0.83%~0.08%梯級分布；600mm~790mm 區(qū)域耦合噴灑0.25%體積濃度水蒸氣。
圖2 分層供熱富氫燒結(jié)工藝制度
2、研制了分層供熱低碳富氫燒結(jié)系列裝備。研究了分層分段供熱模式下補熱量與點火富氧率、保溫換熱行程、燃氣噴加濃度等參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，開發(fā)了空/氧氣鈍體擾流混合、蛇形火道蓄熱器、多排同步內(nèi)旋管噴加、動態(tài)葉輪式耦合噴加、穩(wěn)流隔斷式耦合噴加等系列核心裝備，實現(xiàn)了分層供熱低碳富氫燒結(jié)的安全穩(wěn)定運行。
針對點火時氧濃度不夠?qū)е卤韺託執(zhí)悸矢?、鋼廠用低熱值煤氣難滿足補熱制度要求的難題，開發(fā)了分區(qū)富氧點火技術(shù)，將燒結(jié)點火料面沿臺車運行方向分為若干個子區(qū)域，向各子區(qū)域提供變濃度的富氧助燃風，使點火過程供熱與理論補熱曲線相符；研發(fā)了逆噴+鈍體擾流混合方式，研制了空/氧氣鈍體逆流混合裝備，實現(xiàn)了精準表層補熱，空/氧氣混勻速率提高50%，爐前管路空氧氣混勻度達100%，燒結(jié)表層殘?zhí)悸视?.3%降至0.06%。
針對表層燒結(jié)礦遇冷易粉化導(dǎo)致返礦率高、保溫爐煙氣溫度難梯級控制的問題，開發(fā)了分段蓄熱式梯級保溫技術(shù)，精準控制燒結(jié)礦冷卻速度，使上層補熱與需熱相匹配；研制了蛇形煙氣火道，可有效擴大煙氣與蓄熱室的換熱面積，強化換熱效率，實現(xiàn)了精準上層補熱，表層返礦率由45%降至27%。
針對天然氣噴出后在罩內(nèi)料面上方區(qū)域內(nèi)易逃逸、易著火、難均勻的難題，開發(fā)了周期鐘擺式燃氣噴加技術(shù)，天然氣噴出口在管排下方一定角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動，研制了多排同步內(nèi)旋管噴加裝備，空、燃氣速度矢量交叉，在側(cè)切應(yīng)力作用下強紊流、多漩渦流動，卷吸摻混效應(yīng)強烈，混勻速率快，實現(xiàn)了精準中層補熱，料面燃氣噴吹覆蓋率提高約15%，料面濃度差降低約20%，燃氣與大氣混勻速率提升約40%。
針對載能氣體耦合噴加時流場相互干擾與過濕層惡化的難題，研制了動態(tài)葉輪式耦合噴加裝備，避免了高壓水蒸氣在料面反彈后裹挾天然氣上逸行為；研制了穩(wěn)流隔斷式耦合噴加罩系列裝備，消除了罩側(cè)部熱風/煙氣噴入形成的不利湍流；研發(fā)了基于強力混勻的低水造粒技術(shù)，將水分在料內(nèi)分布均勻，燒結(jié)混合料原始水分降低0.5%。
分層供熱低碳富氫燒結(jié)系統(tǒng)裝備如圖3所示。
圖3 分層供熱低碳富氫燒結(jié)系統(tǒng)裝備
3、開發(fā)了分層供熱低碳富氫燒結(jié)智能聯(lián)控系統(tǒng)。研發(fā)了機頭料面與點火閥門、機尾斷面與布料輔門的智能化聯(lián)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了燒結(jié)機全區(qū)域均質(zhì)點火與均壓布料，保障了分層供熱低碳富氫燒結(jié)技術(shù)效果。
針對料面板結(jié)與壓阻不均會嚴重影響燒結(jié)低碳效果的難題，研發(fā)了燒結(jié)點火料面圖像采集系統(tǒng)，構(gòu)建了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等級數(shù)據(jù)庫，采用ROI提取和高斯濾波實施數(shù)據(jù)預(yù)處理，實現(xiàn)了不同區(qū)域點火料面的全方位監(jiān)控；開發(fā)了料面識別與點火閥門聯(lián)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于機器視覺識別的無人化智能均質(zhì)點火。
開發(fā)了基于最佳斷面的多模態(tài)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，實現(xiàn)了機尾熱成像圖像、可見光圖像和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的多源信息深度融合；開發(fā)了機尾斷面與布料輔門的智能化聯(lián)控系統(tǒng)，結(jié)合機尾斷面識別結(jié)果判斷料層斷面方向上的風壓狀況，進而調(diào)節(jié)機頭布料輔門開度，實現(xiàn)了無人化智能均壓布料?？刂葡到y(tǒng)運行界面如圖4所示。
圖4 控制系統(tǒng)運行界面
本項目已獲授權(quán)發(fā)明專利18件、實用新型7件，其中1件專利獲中國專利優(yōu)秀獎，1件專利獲中國五礦集團專利一等獎，登記軟件著作權(quán)2件，在編國家和團體標準各1項。該項目2022年經(jīng)中冶集團組織的科技成果鑒定，整體技術(shù)居國際領(lǐng)先水平，對鋼鐵行業(yè)燒結(jié)領(lǐng)域的綠色轉(zhuǎn)型和節(jié)能減排具有重要意義。
四、應(yīng)用情況與效果
該項目開發(fā)的分層供熱低碳富氫燒結(jié)技術(shù)在中天鋼鐵集團有限公司550m2燒結(jié)機上成功投運，如圖5所示，至今已連續(xù)穩(wěn)定運行3年多，未出現(xiàn)可燃氣體逃逸、罩內(nèi)著火等安全事故，裝置表現(xiàn)出良好的安全性和穩(wěn)定性，整體技術(shù)投產(chǎn)運行以后，550m2燒結(jié)機點火煤氣與固體燃耗下降明顯，在使用高&轉(zhuǎn)混合煤氣點火噴氧 1.06Nm/t-s、天然氣噴吹量為300Nm3/h、蒸氣噴吹量為 2t/h 的情況下，燒結(jié)機固體燃料配比（無煙煤）下降0.6%，折合噸礦固耗下降 8.53 kgce/t-s，點火爐煤氣單耗下降標煤0.67kgce/t-s。技術(shù)投產(chǎn)前后臺車上料量由 1030t/h 提升到 105t/h，轉(zhuǎn)鼓強度提升了 0.16%，返礦減少了 0.84%。經(jīng)測算，在應(yīng)用該項目技術(shù)后，每噸礦降本增效經(jīng)濟效益為 21.94 元，每年節(jié)約能源消耗和產(chǎn)品提質(zhì)提產(chǎn)經(jīng)濟效益約 12820.8 萬元，CO2減排14.51萬噸，NOx減排 1243.44 噸。
圖5 中天鋼鐵分層供熱燒結(jié)機實景
本項目技術(shù)成果已推廣應(yīng)用至寶鋼、韶鋼、湘鋼、俄羅斯IMH、越南和發(fā)等國內(nèi)外鋼企的12個燒結(jié)工程，節(jié)能減排效果顯著，契合國家“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標，符合我國產(chǎn)業(yè)升級和綠色減排的發(fā)展要求。該技術(shù)具有安裝快捷方便、操作簡單安全，投資回收期不到一年等優(yōu)勢，應(yīng)用市場前景廣闊。
