炉火不熄，黑烟已绝——钢铁厂烧结工艺_风闻

马氏体-2021-09-29 14:17

2021-09-29

在现代钢铁工业中，高炉炼铁是把铁矿石、熔剂（石灰石、白云石等）和焦炭一起投入高炉，鼓入富氧空气冶炼得到铁水的过程。

既然要鼓风，就意味着投入高炉的炉料必须是有一定强度的块体，因为细碎的粉末会阻塞气流。然而，可直接投入高炉冶炼的天然块矿较为有限，钢铁厂可用的大部分原料是经过破碎、选矿得到的粉矿（粒径数毫米及以下），需要加工成人造块矿才能够使用。

变粉为块，有两种方法，其一为烧结法，顾名思义，就是像烧瓷器一样，用高温把粉矿烧成块体（上图左侧为粉矿原料，右侧为烧结矿样品）；另一种是球团法，是把粉矿（需要使用纯度高、颗粒非常细的粉矿）加入水和少量粘结剂（例如膨润土）等，像滚元宵一样滚成小圆球，再焙烧固结。相较而言，烧结矿用得更多。

除了粉矿，要制取烧结矿还需配入熔剂和燃料。熔剂有石灰石、白云石、生石灰、熟石灰等（上图远处白色的料堆是由船舶运来的石灰石或白云石），在烧结过程中，它们能与铁的氧化物反应，生成低熔点的铁酸钙类化合物，熔化的铁酸钙液体流进固体粉末之间的间隙，在其中结晶为铁酸钙固体，从而把粉末连接为一体。在高炉炼铁过程中，也需要碱性溶剂把铁矿中的脉石（主要是SiO2）转化为硅酸钙类炉渣，这部分溶剂主要也是在烧结配料过程中加入的。另外，氢氧化钙在原料加水混合过程中，能起到粘结剂的作用。

烧结所用的燃料主要是细颗粒的焦炭，由钢铁厂的焦炉提供（上图为鞍钢鲅鱼圈基地的7米焦炉），大块的焦炭则被用于高炉中。

上述原料（还包括钢铁厂的各种含铁废弃物）经过破碎、配料、混合，加水粘结成小球状，铺放到烧结机上（在料层底部还要先铺一层小块状的烧结矿作为铺底料，用于隔热和拦截掉落的粉末）。

烧结机好比一条宽大的传送带，承载着原料的一串台车沿着轨道运动，实现连续的铺料-烧结-卸料。

在烧结机的头部，烧结料被煤气等气体燃料点燃（下图为烧结机上方供应煤气和助燃用的热风的管道）。

燃料的燃烧把原料加热到1000℃以上，发生部分熔融，从而使粉末烧结为块体。

台车离开熊熊烈焰，看起来烧结料已经归于平静。其实，刚才被点燃的只是烧结料的表层，现在下层还在“闷烧”。火焰一般是从下往上烧的，为了能够把厚厚的烧结料层全部烧透，在台车下方有风机强力抽风，使火焰向下传导，而从台车上方看过去，只能看到黝黑的表层烧结矿和升腾的热气。

这种烧结方式能够巧妙地利用烧结所产生的热量：从上方被吸入的空气冷却上层已烧结的物料；用被加热了的空气给当中的燃烧层助燃，能够节省燃料；燃烧产生的高温烟气向下穿过未燃烧的料层，起到预热和脱水的作用。

烧结机的规格是以烧结区域的面积来衡量的。以五六百平方米的大型烧结机为例，其台车宽度五六米，总长度100多米。烧结料就在这段距离内随着台车的运动，从上往下逐渐烧透。为了进一步节省燃料，有些烧结机会罩上循环风罩（上图），循环使用燃烧产生的热烟气，回收其中的余热和不完全燃烧的一氧化碳，并且减少一氧化碳排放量。

烧透了的烧结矿在烧结机的尾部被卸载下来，并破碎成小块（上图为烧结实验的样品）。

此时的烧结矿温度仍然非常高，可达七八百度，需要冷却到150度以下，以便后续的皮带输送。一般采用的设备是环冷机（上图近处的大圆环是环冷机的外观，烧结机布置在左侧的厂房里），烧结矿随着环冷机的台车转过一圈，一路鼓风冷却，烧结矿的余热转移到热风中，由余热锅炉回收热量，或用于给烧结机助燃。烧结矿经过破碎、筛分，尺寸合适的烧结矿块（5~50mm）被送往高炉炼铁，另有一部分（10~20mm）作为烧结铺底料，过于细碎的烧结矿则返回配料系统重新烧结。

烧结工艺涉及大量化石燃料的高温燃烧，是钢铁厂的二氧化硫和氮氧化物排放大户，排放量占比可达半数以上，烟气中颗粒物的量也非常大。所以，烧结烟气是钢铁行业烟气治理的重点和难点，而钢铁行业又是大气污染治理所涉及的重点行业。以2018年为例，钢铁行业二氧化硫、氮氧化物和颗粒物排放量分别占到全国排放总量的6%、9%、19%。二氧化硫和氮氧化物会形成酸雨，也会在大气中反应生成硫酸盐、硝酸盐颗粒物，造成灰霾污染。

在有着“绿色钢城”美誉的湛江钢铁（宝武集团旗下），为了保护其所在的广东湛江东海岛的碧海金沙，湛江钢铁在环保上的投入可谓不遗余力。（上图为湛江钢铁的一、二号烧结全景，这是两台550㎡烧结机，烟囱未见滚滚浓烟排放）

对于烧结烟气，湛江钢铁采用的是由中冶长天国际工程公司、清华大学和宝钢联合研发的活性炭烟气净化技术，以负载了催化剂的活性炭为关键的净化材料，利用活性炭的吸附能力和催化剂的反应能力去除烟气中的污染物。其中，氮氧化物被额外加入的氨气或活性炭表面的还原性基团还原成氮气；二氧化硫被吸附氧化为硫酸或硫酸铵盐；粉尘、重金属、二噁英等则被活性炭层过滤和吸附除去（上图烟囱底下的巨大装置就是烟气净化系统，内部填充5000吨活性炭）。

吸饱了污染物的活性炭在400度进行再生，其中吸附的硫重新以二氧化硫的形式脱附出来，被转化为浓硫酸，可谓变废为宝。经过筛分，合格的活性炭被循环使用，破碎的炭粉则被回收用作燃料。

采用这种新的净化工艺，既避免了传统的石灰脱硫技术产生大量固体废弃物（脱硫石膏）和废水的问题，又解决了常规的催化转化技术难以处理低温烟气氮氧化物的问题，实现了烧结烟气污染物超低排放。大力治理污染物的效果是喜人的，湛江钢铁厂区的空气质量与湛江市区无异，完全摆脱了传统重工业企业烟尘漫天、气味刺鼻的形象（上图是对烧结周边区域空气氮氧化物浓度的监测结果，数据的单位是微克/立方米，与湛江市区的数值基本相当）。

为了从源头上解决烧结烟气污染的问题，宝武集团也在研发不使用固体燃料的微波烧结技术（粉矿从近处的方形窗口内投入，在环形烧结炉中转过一圈，沿途经由不同的微波发生器加热，完成烧结）。尽管目前微波烧结的电耗较高，还不适合大规模应用，但随着未来微波烧结技术更加成熟、清洁能源发电占比进一步提高，微波烧结将成为钢铁行业实现碳中和的重要手段之一。