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
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。

鋼鐵工業為現代社會提供了最重要的基礎材料,卻因為它的污染與能耗問題而飽受詬病。
我們離不開鋼鐵,是否也要捏着鼻子忍受它帶來的濃煙呢?
我想,答案是否定的。以湛江鋼鐵為代表的“綠色鋼城”告訴我們,現代鋼鐵工業能夠與藍天白雲、綠水青山和諧共存。在“雙碳”目標之下,作為能源消耗大户的鋼鐵行業,也必將在低碳轉型中迎來新生。
相關閲讀:

雖無球差校正眼,但懷掃描透射心
從一閃而過的熒屏畫面中解析工業生產流程
破解材料密碼,見證中國科技進步
做一個比鐵還硬、比鋼還強的工業黨
歡迎關注個人微信公眾號“材聞窗外事”
參考資料:
中央電視台.《走遍中國》 20190726 4集系列片《熔鑄九州》(4) 綠色鋼城.(湛江鋼鐵的環保措施,包括燒結煙氣治理)
https://tv.cctv.com/2019/07/26/VIDE7QOtdd8kOzzcsM320HJW190726.shtml
中央電視台.《創新進行時》 20210315 探秘智慧鋼廠(一). (走進湛江鋼鐵)
https://tv.cctv.com/2021/03/15/VIDEZRZAXvxBPUMc13w6BHaY210315.shtml
中央電視台. 《經濟半小時》 20210406 減碳按下“快進鍵”. (微波燒結實驗,8:38開始)
廣西衞視. 《廣西新聞》 20180815 柳鋼:“綠”變驅動轉型升級
http://news.cctv.com/2018/08/15/VIDEXkJlCDb6bFDcFQuET7fw180815.shtml
寶鋼燒結分廠概況.
https://wenku.baidu.com/view/c0d5643a1b2e453610661ed9ad51f01dc381575b.html
程偉.活性炭煙氣淨化技術在寶鋼湛江燒結系統中的應用.中國金屬通報,2018(02):37-38.