爐火不熄，黑煙已絕——鋼鐵廠燒結工藝_風聞

马氏体-2021-09-29 14:17

2021-09-29

在現代鋼鐵工業中，高爐鍊鐵是把鐵礦石、熔劑（石灰石、白雲石等）和焦炭一起投入高爐，鼓入富氧空氣冶煉得到鐵水的過程。

既然要鼓風，就意味着投入高爐的爐料必須是有一定強度的塊體，因為細碎的粉末會阻塞氣流。然而，可直接投入高爐冶煉的天然塊礦較為有限，鋼鐵廠可用的大部分原料是經過破碎、選礦得到的粉礦（粒徑數毫米及以下），需要加工成人造塊礦才能夠使用。

變粉為塊，有兩種方法，其一為燒結法，顧名思義，就是像燒瓷器一樣，用高温把粉礦燒成塊體（上圖左側為粉礦原料，右側為燒結礦樣品）；另一種是球團法，是把粉礦（需要使用純度高、顆粒非常細的粉礦）加入水和少量粘結劑（例如膨潤土）等，像滾元宵一樣滾成小圓球，再焙燒固結。相較而言，燒結礦用得更多。

除了粉礦，要製取燒結礦還需配入熔劑和燃料。熔劑有石灰石、白雲石、生石灰、熟石灰等（上圖遠處白色的料堆是由船舶運來的石灰石或白雲石），在燒結過程中，它們能與鐵的氧化物反應，生成低熔點的鐵酸鈣類化合物，熔化的鐵酸鈣液體流進固體粉末之間的間隙，在其中結晶為鐵酸鈣固體，從而把粉末連接為一體。在高爐鍊鐵過程中，也需要鹼性溶劑把鐵礦中的脈石（主要是SiO2）轉化為硅酸鈣類爐渣，這部分溶劑主要也是在燒結配料過程中加入的。另外，氫氧化鈣在原料加水混合過程中，能起到粘結劑的作用。

燒結所用的燃料主要是細顆粒的焦炭，由鋼鐵廠的焦爐提供（上圖為鞍鋼鮁魚圈基地的7米焦爐），大塊的焦炭則被用於高爐中。

上述原料（還包括鋼鐵廠的各種含鐵廢棄物）經過破碎、配料、混合，加水粘結成小球狀，鋪放到燒結機上（在料層底部還要先鋪一層小塊狀的燒結礦作為鋪底料，用於隔熱和攔截掉落的粉末）。

燒結機好比一條寬大的傳送帶，承載着原料的一串台車沿着軌道運動，實現連續的鋪料-燒結-卸料。

在燒結機的頭部，燒結料被煤氣等氣體燃料點燃（下圖為燒結機上方供應煤氣和助燃用的熱風的管道）。

燃料的燃燒把原料加熱到1000℃以上，發生部分熔融，從而使粉末燒結為塊體。

台車離開熊熊烈焰，看起來燒結料已經歸於平靜。其實，剛才被點燃的只是燒結料的表層，現在下層還在“悶燒”。火焰一般是從下往上燒的，為了能夠把厚厚的燒結料層全部燒透，在台車下方有風機強力抽風，使火焰向下傳導，而從台車上方看過去，只能看到黝黑的表層燒結礦和升騰的熱氣。

這種燒結方式能夠巧妙地利用燒結所產生的熱量：從上方被吸入的空氣冷卻上層已燒結的物料；用被加熱了的空氣給當中的燃燒層助燃，能夠節省燃料；燃燒產生的高温煙氣向下穿過未燃燒的料層，起到預熱和脱水的作用。

燒結機的規格是以燒結區域的面積來衡量的。以五六百平方米的大型燒結機為例，其台車寬度五六米，總長度100多米。燒結料就在這段距離內隨着台車的運動，從上往下逐漸燒透。為了進一步節省燃料，有些燒結機會罩上循環風罩（上圖），循環使用燃燒產生的熱煙氣，回收其中的餘熱和不完全燃燒的一氧化碳，並且減少一氧化碳排放量。

燒透了的燒結礦在燒結機的尾部被卸載下來，並破碎成小塊（上圖為燒結實驗的樣品）。

此時的燒結礦温度仍然非常高，可達七八百度，需要冷卻到150度以下，以便後續的皮帶輸送。一般採用的設備是環冷機（上圖近處的大圓環是環冷機的外觀，燒結機佈置在左側的廠房裏），燒結礦隨着環冷機的台車轉過一圈，一路鼓風冷卻，燒結礦的餘熱轉移到熱風中，由余熱鍋爐回收熱量，或用於給燒結機助燃。燒結礦經過破碎、篩分，尺寸合適的燒結礦塊（5~50mm）被送往高爐鍊鐵，另有一部分（10~20mm）作為燒結鋪底料，過於細碎的燒結礦則返回配料系統重新燒結。

燒結工藝涉及大量化石燃料的高温燃燒，是鋼鐵廠的二氧化硫和氮氧化物排放大户，排放量佔比可達半數以上，煙氣中顆粒物的量也非常大。所以，燒結煙氣是鋼鐵行業煙氣治理的重點和難點，而鋼鐵行業又是大氣污染治理所涉及的重點行業。以2018年為例，鋼鐵行業二氧化硫、氮氧化物和顆粒物排放量分別佔到全國排放總量的6%、9%、19%。二氧化硫和氮氧化物會形成酸雨，也會在大氣中反應生成硫酸鹽、硝酸鹽顆粒物，造成灰霾污染。

在有着“綠色鋼城”美譽的湛江鋼鐵（寶武集團旗下），為了保護其所在的廣東湛江東海島的碧海金沙，湛江鋼鐵在環保上的投入可謂不遺餘力。（上圖為湛江鋼鐵的一、二號燒結全景，這是兩台550㎡燒結機，煙囱未見滾滾濃煙排放）

對於燒結煙氣，湛江鋼鐵採用的是由中冶長天國際工程公司、清華大學和寶鋼聯合研發的活性炭煙氣淨化技術，以負載了催化劑的活性炭為關鍵的淨化材料，利用活性炭的吸附能力和催化劑的反應能力去除煙氣中的污染物。其中，氮氧化物被額外加入的氨氣或活性炭表面的還原性基團還原成氮氣；二氧化硫被吸附氧化為硫酸或硫酸銨鹽；粉塵、重金屬、二噁英等則被活性炭層過濾和吸附除去（上圖煙囱底下的巨大裝置就是煙氣淨化系統，內部填充5000噸活性炭）。

吸飽了污染物的活性炭在400度進行再生，其中吸附的硫重新以二氧化硫的形式脱附出來，被轉化為濃硫酸，可謂變廢為寶。經過篩分，合格的活性炭被循環使用，破碎的炭粉則被回收用作燃料。

採用這種新的淨化工藝，既避免了傳統的石灰脱硫技術產生大量固體廢棄物（脱硫石膏）和廢水的問題，又解決了常規的催化轉化技術難以處理低温煙氣氮氧化物的問題，實現了燒結煙氣污染物超低排放。大力治理污染物的效果是喜人的，湛江鋼鐵廠區的空氣質量與湛江市區無異，完全擺脱了傳統重工業企業煙塵漫天、氣味刺鼻的形象（上圖是對燒結周邊區域空氣氮氧化物濃度的監測結果，數據的單位是微克/立方米，與湛江市區的數值基本相當）。

為了從源頭上解決燒結煙氣污染的問題，寶武集團也在研發不使用固體燃料的微波燒結技術（粉礦從近處的方形窗口內投入，在環形燒結爐中轉過一圈，沿途經由不同的微波發生器加熱，完成燒結）。儘管目前微波燒結的電耗較高，還不適合大規模應用，但隨着未來微波燒結技術更加成熟、清潔能源發電佔比進一步提高，微波燒結將成為鋼鐵行業實現碳中和的重要手段之一。