一、研究背景与问题

烧结是钢铁工业的基础环节，2021年我国烧结矿产量近12亿吨，烧结工序年CO2排放量达2.77亿吨，开发先进的低碳烧结技术，对钢铁工业碳减排意义重大。近年来，国内外在提高烧结料层厚度、减少烧结漏风率等能效强化方面做了大量研究工作，重点钢企烧结工序能耗普遍达到了国际先进水平。但要满足国家“双碳”战略的低碳化生产要求，烧结仍然存在四大技术瓶颈问题亟需攻克，具体表现为：1）供热模式单一，目前烧结工序均采用焦/煤粉供热，每燃烧1公斤就向大气中释放约2.7公斤CO2；2）燃料燃烧效果不佳，点火阶段烟气氧浓度低且随后料面接触大量冷空气，同时，大颗粒焦/煤粉易在料层局部区域形成还原性气氛引发不完全燃烧，由此引发的热量浪费占比在10%以上；3）过程自蓄热量未得到充分利用，烧结为抽风作业，由此引发的料层自上往下蓄热效应会随着料层厚度的增加而强化，900mm以上厚料层烧结过程蓄热率高达55%-65%；4）冷凝成矿温度梯度未有效控制，已烧成矿因冷凝速度过快产生玻璃质，造成工序返矿率高，其中顶部返矿率高达45%，变相增加了吨矿碳消耗量。因此，从控制好燃烧、蓄热、冷凝成矿等多角度着手，开发一种气固结合、氢碳替代、优化成矿的分层供热均热烧结工艺方法，成为烧结生产节能减排、提质增效的重大技术革新。

二、解决问题的思路与技术方案

本项目通过研究烧结料层热量产生、消耗、传递、蓄积的规律及影响因素，揭示了能源相态、温度区间及变化梯度、微观气氛与烧结成矿产质量的关系，开发了烧结料层均热数学模型及求解分层补热的数学算法，发明了基于基准配碳加分层补热实现均热低碳富氢烧结的方法，研制了烧结过程能源配加时、空、质、量多维度偶合工艺及配送装置。首次通过富氧点火、热风保温、富氢载能气体耦合喷加等手段对料层实施分层精准化补热，同时采用工况智能化测控系统对烧结工况实时闭环控制。布局并攻克了大流量差高压差空氧混匀、分区富氧点火、蛇形间接换热式分段保温、天然气内旋钟摆式喷加、矩阵花板式耦合喷加等十一项关键技术，确保了烧结料层在垂直与水平两个方向的均热烧结，最终集成新一代分层供热低碳富氢烧结技术体系，达到低碳高效、均热高质、绿色清洁的技术效果。项目技术路线图如1所示。

图1 技术路线图

三、主要创新性成果

1、首创了分层供热低碳富氢烧结工艺方法。研究了料层自蓄热量化模型和烧结冷凝控制机理，发明了调控碳元素燃烧气氛-冷凝温度梯度-富氢气体替换相耦合的精准分层供热低碳富氢烧结方法，实现了配碳量降低13.5%，碳排放减少14.8%，NOx减排31.7%，吨矿成本降低21.94元，提高了烧结矿的产质量。

研究了烧结料层热量产生、消耗、传递、蓄积的规律及影响因素，构建了烧结料层自蓄热量化模型及求解分层补热的数学算法，探明了典型工况烧结过程中沿高度方向的理论需热量分布特性，明确了以料层底部25%高度单元所需峰值配碳量为基准实施全料层减碳；研究了不同冷却速度工况的烧结矿相分布，明确了料层内已烧成矿的冷却速度应控制在100℃/min以下。

通过构建烧结料层内部传热传质与化学反应过程模拟模型，揭示了能源相态、温度区间及变化梯度、微观气氛与烧结成矿产质量的关联关系，获取烧结过程最优分层供热量曲线，以实现均热烧结为目标，将减碳后料层划分为表层补热区、上层补热区、中层补热区与底层区四个区域。首创了表层点火-上层保温-中部天然气喷加-水蒸气耦合喷洒的精细化分层供热低碳富氢烧结工艺方法。

同时，结合示范工程（中天钢铁550m2烧结）厂内原燃料条件，构建了个性化分层供热低碳富氢烧结工艺制度，如图2所示，即：0~25mm表层补热强度1.82MJ/m3，点火温度1172℃~1131℃梯级分布；25mm~75mm上层补热强度1.33MJ/m3，保温温度616℃~292℃梯级分布；75mm~690mm中层补热强度0.52MJ/m3，天然气浓度0.83%~0.08%梯级分布；600mm~790mm 区域耦合喷洒0.25%体积浓度水蒸气。

图2 分层供热富氢烧结工艺制度

2、研制了分层供热低碳富氢烧结系列装备。研究了分层分段供热模式下补热量与点火富氧率、保温换热行程、燃气喷加浓度等参数的关联关系，开发了空/氧气钝体扰流混合、蛇形火道蓄热器、多排同步内旋管喷加、动态叶轮式耦合喷加、稳流隔断式耦合喷加等系列核心装备，实现了分层供热低碳富氢烧结的安全稳定运行。

针对点火时氧浓度不够导致表层残碳率高、钢厂用低热值煤气难满足补热制度要求的难题，开发了分区富氧点火技术，将烧结点火料面沿台车运行方向分为若干个子区域，向各子区域提供变浓度的富氧助燃风，使点火过程供热与理论补热曲线相符；研发了逆喷+钝体扰流混合方式，研制了空/氧气钝体逆流混合装备，实现了精准表层补热，空/氧气混匀速率提高50%，炉前管路空氧气混匀度达100%，烧结表层残碳率由0.3%降至0.06%。

针对表层烧结矿遇冷易粉化导致返矿率高、保温炉烟气温度难梯级控制的问题，开发了分段蓄热式梯级保温技术，精准控制烧结矿冷却速度，使上层补热与需热相匹配；研制了蛇形烟气火道，可有效扩大烟气与蓄热室的换热面积，强化换热效率，实现了精准上层补热，表层返矿率由45%降至27%。

针对天然气喷出后在罩内料面上方区域内易逃逸、易着火、难均匀的难题，开发了周期钟摆式燃气喷加技术，天然气喷出口在管排下方一定角度范围内往复摆动，研制了多排同步内旋管喷加装备，空、燃气速度矢量交叉，在侧切应力作用下强紊流、多漩涡流动，卷吸掺混效应强烈，混匀速率快，实现了精准中层补热，料面燃气喷吹覆盖率提高约15%，料面浓度差降低约20%，燃气与大气混匀速率提升约40%。

针对载能气体耦合喷加时流场相互干扰与过湿层恶化的难题，研制了动态叶轮式耦合喷加装备，避免了高压水蒸气在料面反弹后裹挟天然气上逸行为；研制了稳流隔断式耦合喷加罩系列装备，消除了罩侧部热风/烟气喷入形成的不利湍流；研发了基于强力混匀的低水造粒技术，将水分在料内分布均匀，烧结混合料原始水分降低0.5%。

分层供热低碳富氢烧结系统装备如图3所示。

图3 分层供热低碳富氢烧结系统装备

3、开发了分层供热低碳富氢烧结智能联控系统。研发了机头料面与点火阀门、机尾断面与布料辅门的智能化联控系统，实现了烧结机全区域均质点火与均压布料，保障了分层供热低碳富氢烧结技术效果。

针对料面板结与压阻不均会严重影响烧结低碳效果的难题，研发了烧结点火料面图像采集系统，构建了神经网络等级数据库，采用ROI提取和高斯滤波实施数据预处理，实现了不同区域点火料面的全方位监控；开发了料面识别与点火阀门联控系统，实现了基于机器视觉识别的无人化智能均质点火。

开发了基于最佳断面的多模态数据获取技术，实现了机尾热成像图像、可见光图像和生产数据的多源信息深度融合；开发了机尾断面与布料辅门的智能化联控系统，结合机尾断面识别结果判断料层断面方向上的风压状况，进而调节机头布料辅门开度，实现了无人化智能均压布料。控制系统运行界面如图4所示。

图4 控制系统运行界面

本项目已获授权发明专利18件、实用新型7件，其中1件专利获中国专利优秀奖，1件专利获中国五矿集团专利一等奖，登记软件著作权2件，在编国家和团体标准各1项。该项目2022年经中冶集团组织的科技成果鉴定，整体技术居国际领先水平，对钢铁行业烧结领域的绿色转型和节能减排具有重要意义。

四、应用情况与效果

该项目开发的分层供热低碳富氢烧结技术在中天钢铁集团有限公司550m2烧结机上成功投运，如图5所示，至今已连续稳定运行3年多，未出现可燃气体逃逸、罩内着火等安全事故，装置表现出良好的安全性和稳定性，整体技术投产运行以后，550m2烧结机点火煤气与固体燃耗下降明显，在使用高&转混合煤气点火喷氧 1.06Nm/t-s、天然气喷吹量为300Nm3/h、蒸气喷吹量为 2t/h 的情况下，烧结机固体燃料配比（无烟煤）下降0.6%，折合吨矿固耗下降 8.53 kgce/t-s，点火炉煤气单耗下降标煤0.67kgce/t-s。技术投产前后台车上料量由 1030t/h 提升到 105t/h，转鼓强度提升了 0.16%，返矿减少了 0.84%。经测算，在应用该项目技术后，每吨矿降本增效经济效益为 21.94 元，每年节约能源消耗和产品提质提产经济效益约 12820.8 万元，CO2减排14.51万吨，NOx减排 1243.44 吨。

图5 中天钢铁分层供热烧结机实景

本项目技术成果已推广应用至宝钢、韶钢、湘钢、俄罗斯IMH、越南和发等国内外钢企的12个烧结工程，节能减排效果显著，契合国家“碳达峰、碳中和”战略目标，符合我国产业升级和绿色减排的发展要求。该技术具有安装快捷方便、操作简单安全，投资回收期不到一年等优势，应用市场前景广阔。