張靈君
（北京首鋼股份有限公司，北京 064404）
摘 要：從國家生態(tài)文明建設、鋼鐵行業(yè)能源“雙控”和企業(yè)可持續(xù)發(fā)展三個維度來看，降低燒結工序能耗具有重大意義，同時也迫在眉睫。近年來，燒結作業(yè)區(qū)針對工序能耗的主要構成，從降低固體燃耗、電耗、煤氣消耗，以及回收蒸汽等方面展開了大量生產實踐，取得了相當程度的成果，但距離綠色生產還有較大差距。后期還需要探索更多科學、高效、環(huán)保的改進措施，不斷優(yōu)化現有技術，以期為行業(yè)發(fā)展提供參考。
關鍵詞：工序能耗；固體燃耗；煤氣消耗；蒸汽回收
1 工序能耗
工序能耗是指單位產品能耗，具體定義為在統(tǒng)計期內，每生產一噸合格工序產品，扣除本工序回收的能源量后，實際消耗的各種能源總量。這個指標用單位kgce/t 表示，其中 t 代表產品量的單位。
2 降低工序能耗的意義
2.1 響應國家政策的正確選擇
黨的十八屆五中全會提出實行能源消耗總量和強度“雙控”行動。能源“雙控”行動，是推進生態(tài)文明建設，解決資源約束趨緊、環(huán)境污染嚴重的一項重要措施，同時也是確保國家能源安全的關鍵舉措，既能節(jié)約能源資源，從源頭上減少污染物和溫室氣體排放，也能推動經濟發(fā)展方式轉變，提高我國經濟發(fā)展綠色水平，有利于推動碳達峰、碳中和目標實現。
2.2 企業(yè)降本增效的重要抓手
節(jié)能降耗不僅能夠增強企業(yè)的市場競爭力，也是其實現長期可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素。在鋼鐵生產過程中，燒結環(huán)節(jié)扮演著極其重要的角色，其能耗約占整個生產過程總能耗的 10%，并且這部分能源成本大約占到了燒結礦總成本的 9.3%。因此，在組織燒結生產時，確保燒結礦質量的同時，通過減少該環(huán)節(jié)的能耗來降低整體成本，成為了企業(yè)控制生產成本、提升綜合效益和加強核心競爭力的重要手段。
燒結過程中涉及的主要能耗因素包括固體燃料、煤氣、電能、水資源、蒸汽、氮氣以及壓縮空氣等。特別是固體燃料、煤氣和電力這三項加起來占據了燒結工序總能耗的大約 97.5%。因此，通過技術創(chuàng)新與工藝改進來重點降低這些方面的消耗，挖掘潛在的節(jié)能機會，進而達到降低成本的目的成為了工作的核心內容［1］ 。
3 燒結工序能耗的現狀分析
3.1 燒結基本情況
燒結工序原有一燒 6 臺 99m2 機上冷卻燒結機。2021 年，為滿足環(huán)保要求，1 月 8 日一燒全線停產，1 月16 日三燒 360m2 燒結機投產運行。目前合計有 2 臺360m2 燒結機，設計產能均為 370 萬噸，二燒于 2008 年8 月建成投產，全廠年均燒結礦產量約 800 萬噸。二燒采用“一次配料+兩段混合”工藝，兩次混合之間有兩個 600t 倉容的中間倉，燒結機有內循環(huán)，環(huán)冷機采用液密封。三燒國內首創(chuàng)基于立式強力混合機的“兩配三混”原料準備流程，采用“內循環(huán)、外循環(huán)和環(huán)冷機熱風循環(huán)”三段煙氣循環(huán)技術，采用風箱交叉布置技術、 環(huán)冷機液密封技術、環(huán)冷機近零排放技術和料面天然氣噴吹技術。
3.2 燒結工序能耗的構成
鋼鐵工業(yè)是全球能源消耗最大的行業(yè)之一，據統(tǒng)計，其在全球總能耗中占比約為 8%。中國是世界上鋼鐵產量最大的國家之一，據統(tǒng)計，中國鋼鐵行業(yè)碳排放量占全國碳排放總量的 15%，是國內 31 個制造業(yè)門類中碳排放量最大的行業(yè)。燒結工序能耗占鋼鐵生產總能耗的 10%~12%，僅次于高爐煉鐵，降低燒結工序能耗對于提高鋼鐵企業(yè)的經濟效益具有重要意義。
3.3 燒結工序能耗的案例分析
某鋼鐵企業(yè) 2018 年年底開始，一燒和二燒進行超低排放改造，二燒增加脫硝系統(tǒng)，一燒濕法脫硫改活性炭脫硫脫硝。由此，2019 年燒結工序能耗明顯升高。2021 年，一燒 6 臺 99 平燒結機全線停產，三燒 360m2燒結機投產運行，投產之初，因為環(huán)冷鍋爐未同步投入， 2021 年工序能耗急劇升高。2021 年 5 月，三燒環(huán)冷鍋爐投入運行，8 月三燒主抽煙道內置鍋爐和耐熱風機煙道內置鍋爐投入運行。經過一段時間的摸索，2022 年，燒結工序能耗下降明顯。
該鋼鐵企業(yè)的燒結工序綜合能耗，對比其他鋼鐵企業(yè)都較高，形成差距較大，主要原因包括：①固體燃料消耗較高，影響能耗上升約 3.39kgce/t；②焦爐煤氣和天然氣等燃氣消耗較高，影響能耗上升約 0.32kgce/t；③回收蒸汽效率低，影響工序能耗上升約 1.19kgce/t。
4 降低燒結工序能耗的實踐與探索
以某鋼鐵企業(yè)為例，2022 年以來，作業(yè)區(qū)針對降低燒結工序能耗開展大量工作，2024 年上半年的工序能耗與 2021 年同口徑比較，在燒結脫硫脫硝大幅改造，新增環(huán)保設施運行能耗高，較大程度導致工序能耗上升的情況下，抵消環(huán)保設施運行的能耗，這些降低工序能耗的實踐與探索依然使得工序能耗降低了 2.2kgce/t，取得了較大進步。
4.1 降低固體燃料消耗
固體燃料消耗（折標后）占工序能耗的 75%左右，是最重要的組成部分，所以降低固體燃料消耗對降低工序能耗至關重要。燒結使用的固體燃料主要是焦粉和無煙煤，2023 年 9 月份以來，對該企業(yè)的燒結作業(yè)區(qū)二燒脫硫脫硝改造，脫硫能力提升后，作業(yè)區(qū)生產實現全焦粉燒結。
4.1.1 低碳厚料燒結
低碳厚料燒結可以充分利用混合料在燒結過程中的自動蓄熱作用，降低固體燃料消耗。
首先，改善布料設備。受限于燒結機臺車兩側掉料問題，料厚最高只能布料至 800mm。組織在九輥下部安裝收料板，在臺車兩側欄板上部安裝清掃刷和壓輥，解決兩側掉料問題，料厚調整不再受此影響。
其次，提高混合料溫度。在燒結“過濕帶”，上層高溫廢氣帶入較多的水汽，進入下層冷料時水分析出，會破壞已造好的混合料小球，進而影響混合料層透氣性，造成負壓升高，影響料厚上調。因此，燒結生產過程中要將混合料的溫度加熱到“露點”溫度（58℃）以上。
（1）混合加水使用熱水，燒結過程中混合料的加水主要來自一次混合，目前穩(wěn)定在 30t/h。一次混合水箱通入飽和蒸汽，水溫按照 80℃中線控制，蒸汽電動閥門根據設定溫度自動調整。
（2）松料器通蒸汽，作業(yè)區(qū)組織將松料器的 φ32mm圓鋼改成 φ32mm 管，并將用于緩沖礦槽的蒸汽引到送料器，通入混合料中，提高混合料溫度。
（3）緩沖礦槽通過熱蒸汽.作業(yè)區(qū)組織二燒緩沖礦槽安裝蒸鍋；組織三燒緩沖礦槽距離泥輥 600mm 高度的位置增加一排蒸鍋噴頭共計 15 個。兩臺燒結機緩沖礦槽均通入過熱蒸汽，蒸汽壓力按照 300kPa 進行自動控制。由此，混合料溫度從 48℃提高到 62℃左右。 再次，改善混合料制粒?；旌狭狭＜壥怯绊懥蠈油笟庑缘牧硪魂P鍵指標，降低混合料中 -3mm 粒級含量，有利于改善料層透氣性，進一步提高燒結機料厚。
（1）“兩配三混”新工藝。三燒設計一次配料+強力混合+二次配料+兩次圓筒混合的“兩配三混”新工藝，有助于混合料的混勻和制粒。在此基礎上，我們摸索強力混合的最優(yōu)加水量 6~10t/h，研究在二次配料返礦下料點前安裝四個加水噴頭，加水量控制在 5t/h 左右，做好返礦提前潤濕，進一步改善混合料制粒。
（2）改善白灰質量。白灰是燒結的主要熔劑，其主要作用有：利用生石灰消化后所具有的膠體性質，提高混合料成球性，改善混合料透氣性；利用生石灰遇水發(fā)生水化放熱反應 CaO+H2O=Ca（OH）2 的特性，提高混合料料溫；生石灰有效 CaO 含量高，在燒結礦堿度不變情況下，可以降低石灰石配入量，降低熔劑消耗，同時減少高溫下分解吸熱，有利于降低燃料消耗。2022 年，白灰取樣方式從倉前打灰時取樣，優(yōu)化調整為倉后電子秤機頭流程取樣，更能反映白灰質量穩(wěn)定與否，更接近生產實際，更有利于對白灰質量的管控。
此外，白灰活性度是表征生石灰水化反應速度的一個指標，即在足夠時間內，以中和生石灰消化時產生的 Ca（OH）2 所消耗的 4mol/L 鹽酸的毫升數表示。
使用水溶“土辦法”，即“100g 白灰加 400mL”水反應白灰活度。2022 年，采購一臺白灰活度儀檢測白灰溫升，更好地反映白灰質量，并將該檢測辦法推廣至質檢中心，進而修訂采購合同，規(guī)范白灰進廠質量標準。
隨著對外購白灰質量抽查和檢查力度的增大，取樣和質檢規(guī)則變化，以及采購合同的配合調整，外購白灰質量逐步穩(wěn)定。外購白灰的水溶溫度從 75℃提升至100℃左右，外購白灰活度儀檢測溫升穩(wěn)定在 40℃左右。
4.1.2 熱風循環(huán)利用
燒結生產中的熱煙氣，循環(huán)至燒結機料面，其熱量回收利用，可以降低固體燃料消耗。
首先，增加外循環(huán)風機。燒結煙氣外循環(huán)技術是一種創(chuàng)新性的節(jié)能減排工藝，主要是從燒結主抽風機后分流一部分煙氣作為循環(huán)使用。通過燒結主抽風機出口煙氣經過熱風管道將 160℃的熱風送入 18#~20# 風箱對應的臺車上罩進行循環(huán)利用。為充分利用煙氣余熱，提高熱量回收率，三燒外循環(huán)風機開機投入運行。
通過不斷摸索、調整，外循環(huán)風機變頻穩(wěn)定在 48Hz 左右，風量 10~15 萬 m3 /h 左右。三燒主抽后 140℃廢氣回燒結機料面，有效實現余熱利用，同時提高 18#~20# 風箱處煙道溫度，降低工序能耗約 0.3kg/t。
其次，內循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化。燒結煙氣內循環(huán)技術是將燒結機部分風箱的煙氣經初步除塵后，由耐熱風機送至燒結機臺車上方的熱風罩內作為燒結空氣使用。二燒和三燒內循環(huán)風溫 350℃左右，設計風量 45 萬 m3 /h。
（1）針對三燒耐熱風機葉輪粘灰造成風機振動，導致頻繁停機清理的問題，對耐熱風機葉輪進行更換，并對耐熱風機風門和變頻調整做出規(guī)范，清理周期延長3 倍。
（2）針對二燒耐熱風機上罩冒煙的問題，結合大修將二燒耐熱風機煙氣罩子向東延長兩段，電機工頻改成變頻，改造完成后風門可穩(wěn)定開至 1350 轉，提高耐熱風機使用效率。實踐表明，內循環(huán)系統(tǒng)熱風燒結可以降低固體燃料消耗 3.35kg/t。
4.1.3 降低燒結礦亞鐵指標
燒結礦亞鐵含量對燒結礦質量的影響是多方面的，包括對燒結礦的冶金性能、強度的影響。隨著亞鐵含量的增加，燒結礦還原度呈下降趨勢，影響高爐的產量和燃料比；燒結礦亞鐵含量降低，燒結礦低溫還原粉化指數則呈現降低趨勢，燒結礦質量變差，會造成高爐料柱透氣性變差，不利于高爐順行。
4.1.4 優(yōu)化燃料粒級
燃料粒度過大或者過小，在向燒結機布料時，均會產生燃料偏析現象。粒度較大，大顆粒燃料集中在料層的下部，造成燃料的浪費；粒度過小，燒結速度快，燃燒所產生的熱量難以使燒結料達到所需的高溫，小的燃料顆粒還會被氣流帶走，也會造成燃料的浪費。
對比燃料粒級優(yōu)化前后的燒結參數，燃料粒級優(yōu)化后，因為焦粉粒級的改善，燒結機燃料消耗降低 0.8kg/t。
4.1.5 增加含碳固廢
2022 年 9 月，生技室組織質檢中心實現了燒結原料灰、瓦斯灰和煉鐵灰的流程取樣和成分檢驗工作，便于崗位掌握含碳變化，穩(wěn)定含碳控制，穩(wěn)定燒結礦各項指標。
4.2 降低電耗
2021 年以來，燒結礦電單耗逐年增多，尤其是 2023年下半年，隨著三燒接入布袋除塵器和 SCR 系統(tǒng)，三燒360m2 燒結機四臺增壓風機運行，作業(yè)區(qū)平均電耗升高了約 10kw·h/t，亟待采取措施，降低電耗，控制成本，提高綜合經濟效益。
切實做好燒結作業(yè)區(qū)躲峰限電生產組織，在保證物料供應，穩(wěn)定生產運行的前提下，嚴格落實原料上料、打灰操作要求；做好設備開機、試車、間斷性運轉以及倒機工作，盡量做到峰期停機，谷期、平期運行，最大限度移峰填谷。
4.3 降低煤氣消耗
二燒三燒 360m2 燒結機均采用焦氣點火，爐膛溫度按照 1050±50°C 進行控制。降低煤氣消耗的前提就是要保證爐膛溫度滿足燒結點火需求。據此進行分析，降低煤氣消耗的關鍵就是提高助燃風溫度，提高進入爐膛的空氣的溫度以及減少進入爐膛的風量。實踐中，采取了如下措施來降低煤氣消耗。
首先，提高助燃風的溫度。為解決燒結機上部料層熱量不足的問題，采取從點火爐的助燃空氣管道中抽取多余的熱空氣，并將其導入點火爐后方的保溫罩內。提高了穿過料層氣體的溫度，從而增加上部料層的燒結溫度，縮小上下層之間的溫差，有效減少了固體燃料的使用量。提高進入爐膛的空氣的溫度，三燒配置有耐熱風機進行煙氣內循環(huán)，將機尾 2 個風箱的熱煙氣引至燒結機 4~12 號風箱。為降低煤氣消耗，將該熱風循環(huán)進行改造，增加一根支管去 2 號風箱，進入點火爐的空氣溫度提高，煤氣單耗從 3.2m3 /t 降至 3.1m3 /t。三燒通過熱風助燃風機將環(huán)冷機二段熱風溫度 200°C，用焦氣替點火，煤氣單耗從 3.5m3 /t 降至 3.2m3 /t。
其次，探索采用低負壓點火優(yōu)化。在鐵礦燒結過程中，微負壓燒結技術已獲得各大鋼鐵企業(yè)的廣泛認可，并且大多數企業(yè)已經完成了相應的技術改造［2］ 。這種技術涉及將燒結機的 1 號和 2 號風箱調整至輕微負壓狀態(tài)，通常建議維持在 6~7kPa。負壓設置過高，會導致料層內氣體流動速度加快，煤氣燃燒時間縮短，從而影響煤氣的使用效率及點火溫度的穩(wěn)定性，最終可能導致燒結物料表面質量下降及煤氣消耗量增加；若負壓太低，則熱量難以迅速傳遞至物料內部，造成表層過熱而中上部溫度不足的現象，進而引發(fā)整個燒結區(qū)域內的溫度分布不均；過低的負壓還可能使燒結爐內產生微正壓環(huán)境，促使煤氣逸出，不僅影響生產的穩(wěn)定性，還可能帶來安全隱患［3］ 。二燒檢修時，對低負壓點火進行改造，1-3# 風箱采用雙管雙分流改造方案，點火風箱各自分離獨立控制，解決風箱磨損大漏風嚴重等問題。三燒在 1、2# 風箱均安裝低負壓點火插板的基礎上，3# 風箱也安裝低負壓點火插板。二燒和三燒 3# 風箱和 4#風箱之間安裝隔板，防止風箱之間串風，降低爐膛負壓。
通過上述措施，二、三燒爐膛負壓降低至 5kPa 左右，焦爐煤氣單耗從 3.1m3 /t 降低至 2.8m3 /t。
5 結 論
降低固體燃料消耗是燒結廠節(jié)能的首要環(huán)節(jié)，降低電力和點火煤氣消耗是燒結廠節(jié)能工作的重要組成部分。通過應用節(jié)能技術及工藝措施進一步降低燒結工序的能源消耗，以緩解鋼鐵企業(yè)的節(jié)能壓力，尤其是應注重燒結余熱發(fā)電技術的推廣和應用，提高燒結余熱的回收利用效率。
參考文獻
［1］王軼韜，陳乾，王志春.降低燒結工序能耗生產實踐［J］.企業(yè)技術開發(fā)，2016，35（14）：179-180.
［2］李國良，李乾坤，周曉冬，等.多工藝協同降低燒結機工序能耗生產實踐［J］.燒結球團，2021，46（1）：55-59+75.
［3］趙書清，宋陽，劉巍，等.降低燒結工序能耗的生產實踐［J］. 甘肅冶金，2024，46（2）：18-20.