在“双碳”战略纵深推进背景下，钢铁行业烧结工序面临“环保达标”与“节能降碳”的双重挑战——超低排放改造后环保设施能耗攀升，而烧结工序作为行业能耗（占比12%-15%）与烟气排放（占比超30%）核心环节，其绿色转型成为行业关键命题。中国国际工程咨询公司联合唐山中铁实业集团有限公司，针对河北某钢厂2号240m2烧结机存在的投产年限久、余热利用率低、烟气直排突出等问题，创新构建“余热梯级回收+系统协同优化”技术体系，通过8项核心技术改造，实现三大突破性成果：环冷机烟气零排放、吨矿余热发电量翻倍（从13.02kWh提升至26.75kWh）、烧结矿工序能耗降低6.1kgce/t。该方案可复制性强，若在全国6亿吨烧结矿产能推广，年可节约标准煤300万吨、减排二氧化碳约800万吨，为钢铁行业烧结工序绿色低碳转型提供了技术先进、经济可行的实践样板，兼具显著环保价值与经济效益。
1前言
自2020年9月我国“双碳”目标明确后，钢铁行业作为碳排放重点领域，已累计实施千余项节能技术改造，但随着超低排放改造全面落地，脱硫脱硝、烟气循环等环保设施持续投用，部分工序能耗逆势增长，形成“环保达标”与“节能增效”的协同难题，成为制约行业绿色转型的关键瓶颈。
烧结工序作为钢铁生产的“能耗大户”与“排放大户”，其技术升级直接关系到企业碳减排目标的落地与经济效益的提升。河北某钢铁企业5条烧结机生产线中，2号240m2烧结机于2009年投产，存在显著短板：吨矿余热发电量仅13.02kWh、环冷机漏风率达18%、烟气直排问题突出、发电系统汽耗高达5.93kg/kWh，不仅推高了工序能耗，也不符合环保要求，成为企业绿色发展的“拦路虎”。
为破解行业共性难题，开展专项技术改造，聚焦“余热充分回收、系统效率提升、烟气零排放”三大核心目标，形成了一套可推广、可复制的技术方案，为钢铁行业烧结工序节能降碳提供了实践参考。
2项目基础条件与改造核心思路
2.1工艺装备现状
该2号240m2烧结机于2009年11月投产，采用“52%混匀料+30%单配铁矿粉”配料方案，配套3.6m×13m一次混合机、4m×18m二次混合机，混合料水分控制在7.2%-8.2%；布料系统为宽皮带布料（台车宽度3.5m），配套280m2环冷机及5台冷却风机。改造前，环冷机一段高温烟气、二段中温烟气经余热锅炉后返回对应段（风温130℃），其余段烟气直接对空排放；余热发电系统配置1台11t双压锅炉（高压3MPa、中压1.5MPa），4台烧结机共用2套12MW发电机组；环保设施已完成“湿法脱硫→活性焦脱硫+SCR脱硝+布袋除尘”升级，新增烟气内循环系统，总烟气排放量降低30%。
改造前核心症结集中于四点：一是余热回收不充分，环冷机多段烟气直排；二是漏风率高（约18%），热量损失严重；三是发电系统效率低，汽耗5.93kg/kWh；四是烟气分配不均，影响冷却与回收效果。
2.2改造思路
本次改造的核心思路是“系统协同+梯级利用”，并非单一环节优化，而是围绕“余热最大化回收、烟气全量利用、系统效率最优”构建协同技术体系，核心思路聚焦8大关键方向。
2.2.1余热梯级利用
环冷机各段烟气温度存在显著差异（一段出口约429℃、二段约340℃、三段约270℃、四段约180℃、五段约150℃），基于“热量品质分级利用”原则，本次改造核心是建立全链路余热回收体系，最大化降低热量损失与烟气排放。具体设计为：一段、二段出口高温/中温烟气保持接入余热锅炉，保障核心发电热源供给；三段270℃中高温烟气通过耐高温风机导入一段进口，使一段出口烟气温度从429.37℃提升至454.81℃，既充分利用三段烟气余热，又强化了余热锅炉换热效率，彻底杜绝三段烟气直排；五段出口约150℃烟气引入四段进口，通过无动力自导流管道直接接入烧结机料面烟气循环风罩，不仅实现五段烟气资源化利用，还弥补了传统烟气循环系统氧含量偏低（通常低于17%）的短板，使烧结料面氧含量提升至18%-19%，助力烧结效率优化。
针对烟气温度变化导致的热负荷波动，配套实施风机系统精准调控：一是适度加大锅炉循环风机风量；二是合理匹配一、二、三段进、回风量，实现三段废气循环大平衡；三是四段、五段风机采用变频控制技术，根据季节温差（冬季-10℃至夏季35℃）与生产负荷（50%-100%）动态调节风量，调节范围覆盖30%-100%额定风量，实现冷却效果与能耗优化的动态平衡。
2.2.2优化鼓风分布
余热梯级利用导致冷却风机进口温度平均升高15-25℃，一段、三段、四段进口烟气工况流量较改造前增加30%-40%，原鼓风系统（6个进风口、无风箱隔板）已无法满足风压均衡与风量合理分布需求，造成局部漏风加剧、热交换效率不足。为破解这一难题，本次改造对环冷机风道系统进行重构优化：一是将总进风口数量由6个增至12个（含2个备用风口），确保单位面积冷却风量均匀分配；二是在各风箱之间增设耐高温耐磨隔板，阻断风箱间烟气串流干扰；三是优化进风口导流结构，采用流线型设计降低气流阻力，减少局部涡流造成的能量损耗。通过上述改造，环冷机整体漏风率显著降低，为余热高效回收奠定基础。
2.2.3减少热量损失
改造前存在两大核心热量浪费点：一是单辊破碎机至环冷机下料口的高温含尘烟气（温度350-400℃、含尘浓度50-80g/Nm3），因含尘量高导致利用难度大，以往通过机尾除尘系统收集，为保障布袋除尘设备安全（避免高温烧袋），需兑入环境冷风降低烟气温度，导致余热损失，同时增加除尘系统能耗；二是高温、中温烟气管道及关键设备散热严重，管道表面温度高达150-200℃，散热损失占余热总量的8%-10%。
针对上述问题，实施双维度优化：一是下料口高温烟气回收改造，设计安装倒船型余热烟罩，将该部分烟气高效收集后接入余热系统，同时利用重力除尘原理，去除大颗粒粉尘，降低对后续设备的磨损；通过该改造，彻底取消冷风兑入环节，实现高温烟气全量回收。二是全系统保温强化，对去往锅炉的高温/中温烟气管道，以及三段回一段的热风烟气管道，采用硅酸铝纤维钙板进行内保温处理，外侧喷涂高温耐磨陶瓷涂层，提升耐高温、耐磨性能；对低温管道采用岩棉板外保温；同时，对烧结机风箱及支管、大烟道高温段、环冷机高温段风道等关键部位，全面实施保温密封处理，最大限度降低系统散热损失，使整体热量回收效率提升12%-15%。
2.2.4确保均匀布料
环冷机运行过程中存在显著边缘效应：台车边缘通风阻力仅为中部的60%-70%，导致边缘风量集中，烧结矿冷却速度较中部快30%-50%，横断面上温度差异可达40-60℃，不仅弱化高温烧结矿冷却效果，造成风量浪费，还导致烟气温度波动剧烈，严重影响环冷烟气零排放目标实现。为解决这一问题，本次改造对布料系统进行深度优化：一是结合环冷机内外环尺寸差异，重新设计卸料装置，采用可调式卸料口，精准匹配内外环布料需求；二是安装弹性平料器（材质为耐磨橡胶与钢板复合结构，刮料高度可在50-100mm范围内调节），对布料后的料面进行二次平整；三是优化布料速度与台车运行速度匹配性，实现烧结矿在台车横断面上分布均匀。通过上述改造，烧结矿横向冷却终点温差控制在15℃以内，为后续烟气均匀回收与零排放提供关键保障。
2.2.5大烟道余热利用
烧结终点烟气温度高达500℃以上，这部分高温烟气若直接进入后续环保系统，不仅造成大量余热浪费，还会因温度过高增加活性焦脱硫系统运行压力。本次改造充分利用现有烟气循环烟道与风机，增设旁路导流系统，将烧结机大烟道的高温烟气导入外置式烟道锅炉（蒸发量适配烟气余热总量，工作压力与主余热锅炉协同），实现两大效益：一是额外回收高温余热，使吨矿发电量提升2-3kWh；二是降低烧结机废气温度，无需额外冷却即可满足活性焦脱硫系统运行要求，降低环保设施能耗。同时，通过环冷高温、高氧零排放废气引入烧结料面，抵消了大烟道烟气温度降低的影响，确保烧结矿转鼓强度、落下强度等关键质量指标无下降，固体燃料消耗维持稳定甚至略有降低。
2.2.6烧结终点均匀
烧结过程均匀性是余热高效回收的前提，边缘效应或局部过烧会导致局部烧结提前结束，后续抽入的冷风成为“有害漏风”，既增加主抽风机与烟气处理系统的无效能耗，又使该部分热量无法进入环冷机回收，直接导致余热发电量降低。理想的状态下，烧结机尾断面红层应横向平直、高度稳定（红层厚度偏差≤10mm）。
实现均质化烧结，是提升余热回收效率与烧结矿质量的核心目标。本次改造通过多维度措施推进均质化烧结：一是优化配料方案，精准控制混匀料与单配铁矿粉的混合均匀度，确保烧结原料的物理化学性质一致；二是调整混合机工艺参数，优化一次混合机、二次混合机转速，提升混合料制粒效果；三是优化烧结温度场控制，稳定点火温度，减少局部过烧。通过上述综合措施，烧结机尾断面红层平直度显著提升，局部过烧区域占比降低，为余热的高效回收提供了工艺基础。
2.2.7提高发电系统效率
原发电系统存在主汽流量不足、补气量大、汽耗高、机组容量不匹配等问题，制约了余热发电潜力释放。本次改造对发电系统进行全链条升级：一是优化双压自然循环余热锅炉参数，主汽流量由31t/h提升至47.5t/h（提升53.2%），补气流量由12t/h降至4t/h（降低66.7%），通过增大主汽流量、减少低效补气，大幅提升锅炉换热效率；二是对原有2套12MW机组进行深度优化，提升蒸汽做功效率；三是扩容机组容量，新增1台30MW发电机组，与改造后余热回收总量精准匹配，避免余热浪费；四是优化蒸汽输送系统，重新设计蒸汽管道走向，最大限度降低蒸汽输送过程中的压力损失与温度损失。
通过上述改造，发电系统整体效率提升，汽耗从5.93kg/kWh降至4.72kg/kWh（降低20.4%），为吨矿发电量翻倍提供了核心设备支撑。
2.2.8实现环冷零排放
环冷机烟气零排放的核心是“烟气全量资源化、供需精准匹配”，既要避免烟气直排，又要防止过量烟气造成系统浪费。改造前，超出烧结系统热风需求的环冷烟气（约占总烟气量的20%-30%）被迫直排或进入机尾除尘系统，造成余热浪费与环保压力。本次改造通过三大关键设计实现零排放：一是采用无动力自导流送风系统，利用环冷机各段烟气压力差实现烟气自适应分配，无需额外动力即可完成烟气导流，当四段烟气量超出烧结需求时，部分烟气自然流入三段、五段参与二次余热回收，剩余烟气精准导入烧结料面；二是优化烟气用途匹配，将四段烟气部分引入保温炉，利用其200℃左右的温度特性，改善点火后烧结表面料层的保温效果，助力烧结矿质量提升；三是精准匹配烧结氧含量需求，将四段烟气主要分布在烧结机前1/3料层区域（该区域为烧结反应初期，氧含量需求19%-20%，高于后半段的17%-18%），通过分区配送减少烟气循环对烧结生产的不利影响，确保烧结矿产量与质量稳定。通过上述设计，环冷机含尘废气实现全量资源化利用，彻底杜绝直排，达成零排放目标。
3改造效果
3.1余热发电量显著提升
改造后吨矿发电量从13.02kWh跃升至26.75kWh，实现翻倍增长；高温烟气温度提升25.44℃（达到454.81℃），中温烟气温度提升14.11℃（达到354.46℃），发电系统汽耗降低1.21kg/kWh（降至4.72kg/kWh），余热回收与发电效率同步大幅提升，指标如表1所示。
3.2烧结矿经济技术指标稳步改善
改造后烧结矿工序能耗降至41.84kgce/t，较改造前降低6.1kgce/t；固体燃料消耗减少1.17kg/t，电耗（含料场、脱硫脱硝用电）降低3.06kWh/t，烧结废气温度下降3.1℃，烧结矿亚铁含量优化至9.1%，实现“节能、降耗、提质”多重收益，如表2所示。
按该企业2号240m2烧结机产能核算，仅余热发电增收一项即可带来显著经济效益；若推广至全国6亿吨烧结矿产能，年可节约标准煤300万吨，对应减排二氧化碳约800万吨，环保与经济价值凸显。
4结语
烧结工序节能降碳是系统性工程，需统筹原燃辅料配比、装备升级、工艺优化、参数调控等全环节。本次河北某钢厂2号240m2烧结机改造，通过“余热梯级回收+系统协同优化”技术体系，成功破解了“余热利用率低、烟气直排、环保与节能协同难”等行业共性问题，实现环冷机烟气零排放、吨矿发电量翻倍、工序能耗显著降低的三重突破。
该方案的核心价值在于兼具技术先进性与经济可行性：技术上构建了全链路余热回收与零排放系统，经济上可为企业带来显著增收节支效益，且可直接复制应用于全国同类烧结机。在“双碳”战略持续推进的背景下，若全国6亿吨烧结矿产能全面推广该技术，可实现年节约标准煤300万吨的减排成效，将为钢铁行业达成“双碳”目标提供重要支撑。
本案例为烧结工序绿色转型提供了清晰路径：以系统思维破解单一环节优化瓶颈，以梯级利用最大化挖掘余热价值，以协同设计平衡环保与生产需求。期待该技术方案能为广大钢铁企业提供参考，推动行业烧结工序向“高效、低碳、清洁”方向加速转型，为钢铁行业高质量发展注入绿色动力。
