一、研究的背景与问题

烧结工艺作为钢铁原料制备的关键工序之一，其碳排放量占钢铁流程碳排放总量的15%，工序能耗占钢铁流程总能耗的10%，是制约钢铁工业绿色低碳发展的重点环节。据统计，我国每年需要冷却的烧结矿近10亿吨，携带的显热达2000亿千卡，折合标煤2800万吨，余热利用潜力巨大。目前，烧结矿显热回收主要采用由液密封环冷机、直联炉罩锅炉和环冷机余热梯级利用技术耦合形成的余热回收系统，可将烧结矿显热回收效率提升至50%以上，可回收的高温烟气温度为340℃~400℃，但冷却废气品质不高、热量集中度不够，仍存在大量除尘散热余热浪费，低温废气无组织排放，显热回收率难以进一步提高。

相关研究结果表明，提高料层厚度、实施小风慢冷可提高热风品质，但现有环冷机实施小风慢冷会要求设备规模增大，且改造困难。基于厚料层冷却的竖式冷却技术虽然具有切实可行的理论基础，但是由于技术不成熟，目前难以大规模应用。

二、解决问题的思路与技术方案

通过对有限空间气固高效换热、多级冷却换热协同匹配、厚料层布料、除尘与高温换热装置协同匹配等关键问题的研究，提出将环冷机装备系统与厚料层冷却技术相结合的双级冷却技术思路。在此基础上，开展烧结矿气固传热特性研究，获取烧结矿冷却过程关键物性参数和床层影响因素，明确不同的运行参数对烧结矿气固换热效果的影响规律；开发烧结矿预冷却技术，实现烧结矿高品质显热的集中回收、降低烧结返矿率、提升环冷机布料效果、降低环冷机冷却负荷等技术效果；将预冷却与环冷机冷却相结合，形成烧结矿双级冷却及余热回收系统；开发预冷却协同除尘技术，实现烧结机尾和环冷机布料点除尘散热的回收；开发两级冷却热量平衡及效益优化技术，通过参数优化实现烧结矿显热的高效回收。

图1 技术方案示意图

三、主要创新性成果

1、发明了基于厚料层冷却的烧结矿预冷却技术。构建了烧结矿流动过程及气固换热过程的数值分析模型，开发了缓存减冲技术、冷却气流等压等流速供给技术、有限空间气固高效换热技术，建立了预冷却风量、风温、冷却时间、矿温等的对应关系，创新开发了烧结矿预冷却技术。

图2 烧结矿预冷却技术工艺布置图

2、研制了烧结矿预冷却装置。研究了不同的保温结构、保温材料对烧结矿预冷却过程散热量的影响规律，形成了集气凝胶保温材料、柔性板防震、耐磨板防磨三位一体的复合保温技术；通过对预冷却装置抑尘扬尘的分析，明确了相关取风参数下进入高温风管道的最小粉尘颗粒；开展了预冷却装置受力分析，以保证结构承载力满足要求，研制了预冷却装置。

图3 预冷却装置

3、发明了基于厚料层的烧结矿双级冷却技术及系统。研究了料层厚度的提升对环冷机冷却效果及热废气品质的影响，发明了基于厚料层的环冷机冷却技术，开发了基于厚料层的预冷却与环冷机冷却相耦合的烧结矿双级冷却技术。

图4 烧结矿双级冷却技术示意图

四、应用情况与效果

烧结矿双级冷却技术研发成功以来，受到了多家钢铁企业的高度关注，与宝钢、梅钢、涟钢、建龙集团、沙钢、中天钢铁、南钢等进行了技术交流。2022年7月，烧结矿预冷却装置应用于湘潭钢铁一烧360m²烧结机，目前已连续运行两年半，余热锅炉蒸汽产量由吨矿34t/h增至40t/h，增加发电量约1200kW，年经济效益约400万元；2024年11月预冷却装置应用于江苏镔鑫钢铁265m²烧结机，余热锅炉每小时蒸汽产量增加5t，发电量约增加5kw·h/t。对于新建烧结机，使用该技术后可显著节能降耗，并因环冷机规模减小而节约投资成本。经济效益和环境效益显著。

图5 应用现场

图6 布料效果对比图

信息来源：中冶长天国际工程有限责任公司