一、研究的背景与问题

钢铁工业是典型的高能耗、高碳排行业，其绿色低碳发展对我国“双碳”战略意义重大。铁矿烧结的工序能耗和碳排放均高居钢铁工业第二位，每年消耗煤基燃料达5000万t以上，排放CO₂ 超过2亿t；同时，烧结的污染负荷居钢铁工业之首，烟气中排放 SOx、NOx、颗粒物等多种污染物，其排放量分别占钢铁工业排放总量的 70%、48%、40%。因此，烧结是钢铁工业碳减排和污染控制的关键工序，是钢铁行业实现绿色低碳发展的核心环节。

我国烧结普遍存在燃料不完全燃烧程度高、高料层热量分布不均、低温余热回收率低、烧结返矿率高等诸多问题，导致我国钢铁企业的烧结固体燃耗大多高达48~50kgce/t，高于国际先进水平8-10 kgce/t，距烧结极致能效仍有很大差距。因此，亟需开发低碳烧结的关键技术。同时，我国实施世界上最为严格的超低排放标准，尤其太原、唐山等污染重点防控城市实施更为严苛的超超低排放标准，烧结烟气颗粒物、SO₂、NOx的排放限值降低至5 mg/Nm³、5 mg/Nm³、35 mg/Nm³，其挑战巨大。因此，迫切需要开发经济高效的低碳与超低排放新工艺和新技术。

二、解决问题的思路与技术方案

本成果针对烧结能耗高、污染物种类多等制约碳减排和超低排放的难题，在高质低耗烧结技术、低碳烧结技术、NOx和CO抑制技术、活性炭-低温SCR净化工艺等方面开展系统的研究工作，并取得系列创新成果，开拓了低碳烧结的新方法，构建了污染物过程控制和末端协同净化的新途径，形成了绿色低碳烧结的技术体系，提升了烧结清洁生产的科学技术水平，为烧结碳减排和污染控制提供强有力的支撑，为钢铁绿色制造提供保障。本项目总体技术思路见图1。

图1 总体思路

本成果通过产学研合作研究，重点突破了烧结能耗高、碳排放量大、污染物产生量大、超低排放达标难的瓶颈问题，从低耗低碳、污染物减排等方面进行了系统理论研究和技术开发，形成了基于“强力混匀-强化制粒”高质低耗烧结技术、热废气循环耦合富氧低碳烧结新技术、烧结过程NOx和CO同步抑制技术、烧结烟气单级活性炭-超低温SCR高效净化新工艺等四项关键技术，研究成果全部成功应用于工业生产，取得了清洁低碳烧结的重大突破，取得显著的经济效益和社会环境效益。主要技术方案如图2。

图2 技术方案

三、主要创新性成果

针对烧结工序能耗高、碳排放量大、污染物产生量大、超低排放达标难等瓶颈问题，在2项国家自然科学基金和5项校企合作项目的支持下，持续开展了碳减排和污染物高效控制的基础理论研究与技术攻关，研发了优质高效、低碳低耗、过程减排、协同净化等多项减污降碳新工艺新技术，显著降低了烧结工序的碳排放和污染物排放，关键技术全部实现工业应用。主要创新性成果如下：

1、针对高料层烧结料层阻力大、抽风负压高、电耗高等问题，建立了强化烧结原料混匀和制粒的基础理论，革新现有圆筒“混合-制粒”工艺技术，发明了“强力混匀-低水制粒”新工艺，形成了低负压高料层均质化烧结体系，新工艺应用于工业生产，产量、质量提升和电耗下降明显。

2、聚焦高料层烧结热量分布不均、余热利用程度低等问题，提出了低温均热烧结的料层温度场控制原则，开发了热废气循环耦合富氧的低碳烧结新技术，大幅提升了烧结热利用效率，同时实现了环冷机低温废气余热的高效回收，烧结固体燃耗达到国内外最低燃耗水平，大幅降低了烧结的碳排放。

3、围绕烧结过程NOx和CO产生量大的问题，揭示了烧结过程NOx和CO生成行为和转化路径，建立了固体燃料粒度及其分布与NOx和CO生成的内在关系，研发出基于燃料粒度调控和分级处理相协同的低排放烧结关键技术，实现了NOx和CO的同步抑制生成，工业应用NOx、CO过程减排效果明显。

4、针对现有活性炭烟气治理技术无法满足超低排放的问题，揭示了碱金属颗粒物对SCR脱硝的影响规律，发明了抗硫抗碱金属低温SCR脱硝催化剂，首创了单级活性炭吸附-低温SCR脱硝的烟气净化新工艺，为烧结烟气超低排放提供了新的技术途径，实现了150℃低温烟气的高效脱硝，突破了现有SCR脱硝烟气升温大、能耗高、换热设备复杂等难题，工业应用NOx、颗粒物、SO₂排放浓度均远低于国家超低排放标准。

四、应用情况与效果

本成果从2019年开始应用于山西太钢不锈钢股份有限公司2台大型烧结机，烧结能耗、质量、排放指标均取得巨大进步，实现了低能耗、高质高产、超低排放的清洁烧结生产，经济效益和社会环境效益显著：

1、率先实现低负压高料层烧结，全精矿烧结的料层高度从700mm提高到830mm，负压从17.5kPa降低至14.0kPa，吨烧结矿电耗从39.89kW∙h降低至37.64kW∙h，烧结矿产量提高了10%。

2、全面提升了烧结矿质量和冶金性能，烧结内返矿比例从24.05%下降至16.92%，烧结矿碱度稳定率提高2.7%、还原性提高2.5%、低温还原粉化性指数RDI+3.15提高1%，烧结矿均匀性和冶金性能的改善使得高炉吨铁焦比下降5.2kg。

3、显著降低了烧结CO₂的排放，烧结固体燃耗从41.35 kg/t降低至37.70kg/t，达到国内外最低燃耗水平，近三年累计减排CO2 15.5万t。

4、突破了多种污染物的过程减排和协同净化，实现了烧结过程NOx和CO的同步抑制生成，在工业上减少NOx、CO生成量分别达到20%、15%以上；实现了150℃低温烟气的高效脱硝，NOx、颗粒物、SO₂排放浓度分别降低至32mg/Nm³、4.8mg∙/Nm³、3mg∙/Nm³，远低于国家超低排放标准。

项目实施后，取得了显著的经济效益，近三年累计效益超过5亿元。获得国家授权专利15项，其中发明专利13项；发表学术论文23篇，其中SCI收录10篇。本成果的烧结返矿率、固体燃料消耗、NOx和CO过程减排效率、污染物排放浓度等多项指标均居国际领先，显著提升了我国清洁低碳烧结的科学技术水平，为钢铁企业烧结减污降碳提供了新的有效途径。中国钢铁工业协会组织的成果评价认为：“成果整体技术达到了国际领先水平”。成果推广应用到湘潭钢铁，实现了高质、高效、低碳、低排的烧结生产，累计减少固体燃料消耗5.9万t，减排CO₂达15.5万t、NOx1093t、CO7.8万t。本项目成果有力支撑了我国钢铁工业的绿色低碳发展，对钢铁行业落实国家“双碳”目标、实施低碳战略转型升级具有重大意义。

图3 项目技术成果工业应用实景图