一、研究的背景与问题

烧结法对原料的适应性强、生产成本低，是钢铁冶金最重要的炼铁精料加工工序。我国烧结矿年产量超10亿吨，占世界总产量的65%以上。但烧结法能耗高、碳排放大、污染负荷重，我国烧结年消耗煤炭5500万t、排放CO₂超过2亿t，烟气中多种污染物的排放量居钢铁工业首位。在国家“双碳”战略和钢铁工业推进超低排放的时代背景下，开发清洁低碳的烧结技术意义重大。

高料层烧结是实现低碳绿色烧结生产的重要途径，是新世纪以来国内外烧结研究最活跃的领域，但由于“蓄热效应”导致的“烧结料层上部热量不足、下部热量过?！钡墓逃心烟馐贾瘴茨芨窘饩?，导致烧结生产能耗和排放明显高于球团法并存在产品质量不均、返矿率高等问题。尤其料层厚度提升到1000mm以上时，料层热量不均的问题更为突出。因此，料层热量均衡分布是实现高料层烧结高效、低碳、稳定生产的关键。对此，中南大学和湖南华菱湘潭钢铁有限公司面向国家“双碳”战略和钢铁烧结行业重大需求，从2014年开始，在深入研究烧结料层热量分布和传热规律的基础上，明确了解决热量不均问题的重点目标——表面料层，首次提出了表层燃料偏聚烧结的技术思路，开发出了基于燃料偏聚的低碳均热烧结关键技术与装备，并实现工业应用，取得了清洁低碳烧结的重大突破，获得了显著的经济效益和社会环境效益。

二、解决问题的思路与技术方案

本项目围绕料层均热理论和清洁低碳烧结关键技术开展深入研究，提出了表层燃料偏聚烧结的技术思路（见图1）：因下部料层热量过剩，减少下部料层燃料的配加量，将其部分精准分布到最需要热量的表层（距离料面约50mm的范围内），形成表层燃料偏聚的状态，既针对性解决了表层热量不足、下层热量过剩的难题，还减少了固体燃料总消耗，同时该工艺仅燃料分流，相比传统的分层烧结，其物料流更简便，因而流程更短、投资更省，具有明显的特色和优势。

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图1 基于燃料偏聚的低碳均热烧结思路图

项目研发团队在国家自然科学基金项目、校企合作项目的基础上，通过产学研合作联合攻关，完成了表层燃料偏聚低碳均热烧结的基础理论、关键技术、工艺与装备的全套研发工作，揭示了实现低碳均热烧结的料层燃料分布规律，研发了基于表层燃料偏聚的低碳烧结关键技术，建立了与表层燃料偏聚烧结相匹配的点火工艺制度，开发了实现表层燃料精准偏聚的关键装置及设备，形成了绿色低碳、均质均热烧结的技术体系（见图2），并全部成功应用于工业生产。

图2 表层燃料偏聚低碳均热烧结技术路线

三、主要创新性成果

（1）建立了燃料偏聚实现料层热量均匀分布的基础理论。首次提出了表面层燃料偏聚烧结的技术思路，通过烧结料层热状态模拟模型解析，发现燃料偏聚是同步提高表层温度、延长高温时间、降低冷却速度的最佳方法，揭示了实现低碳均热烧结的料层燃料偏聚原则和方法，奠定了均热烧结的理论基础。

（2）研发了基于表层燃料偏聚的低碳烧结关键技术。揭示了表层燃料偏聚程度与烧结产量、质量、能耗、排放等指标的内在关系，探明了厚料层烧结燃料偏聚的适宜工艺参数，形成了基于表层燃料偏聚的提质、减碳关键技术，实现1050mm超厚料层烧结稳定运行，突破了厚料层烧结热量分布不均的难题，固体燃料总消耗较传统工艺降低6.4%。

（3）开发了与表层燃料偏聚烧结相匹配的点火工艺技术。阐明了燃料偏聚模式下点火制度影响烧结的规律与作用机理，确立了一套相匹配的点火工艺新制度，点火温度降低200℃以上，率先在国内外实现850℃以下超低温点火，点火能耗降低约50%。

（4）研制了实现表层燃料精准偏聚的关键设备。首创了集“燃料高效气力输送-双螺旋均匀布料-表层均匀化分布调控”于一体的燃料精准偏聚核心设备，建成国内外首台套基于燃料偏聚的低碳均热烧结示范线，在大型烧结机上实现工业应用，产量、质量、能耗、排放指标全面提升。

四、应用情况与效果

本项目技术成果成功应用于湖南华菱湘潭钢铁有限公司3台烧结机，年均应用规模超过1000万吨。在基于燃料偏聚的低碳均热烧结关键技术与装备支撑下，实现了低能耗、低排放、高质高产的清洁烧结生产，经济效益和社会环境效益显著：

（1）新工艺应用后，湘钢实现了1050mm超高料层烧结工业生产，返矿率从13.65%进一步降低至12.21%，为国内外最低值。

（2）吨矿固体燃耗从42.33kg?t^-1降低至39.62 kg?t^-1，是国内外最低的固体燃耗，近三年累计节约固体燃料9.3万吨，减排CO₂、CO分别达24.4万吨、14万吨。

（3）点火温度从1054℃降低至829℃，吨矿点火能耗从53.7MJ?t^-1降低至26.7MJ?t^-1，点火温度和燃耗均为国内外最低值。

（4）烧结烟气CO排放浓度从8270mg?m^-3降低至5360mg?m^-3，过程减排比例达35%，过程减排率为国内外最高水平。

（5）项目实施后，取得了显著的经济效益，近三年累计效益超过4亿元。

项目开发出拥有完全自主知识产权的超高料层烧结燃料精准偏聚关键技术和核心装备，获得国家授权发明专利15件，发表学术论文11篇。中国金属学会组织了成果评价会，七位专家一致认为本成果达到国际领先水平。项目成果显著提升了我国清洁低碳烧结的科学技术水平，为钢铁企业烧结提质、降耗、减排提供了新的有效途径，为我国钢铁工业的绿色低碳发展做出了重要贡献。

图3 料面燃料偏聚工艺工业应用示意图

信息来源：中南大学、湖南华菱湘潭钢铁有限公司