烧结环冷三段烟气分级回收、余热极致利用发电及协同减污降碳技术研究

杜平伟  尹石良

新金钢铁

摘要：钢铁烧结工序是流程工业能耗、碳排放与烟气污染物排放重点环节。传统烧结环冷机普遍仅回收一、二段高温烟气余热，三段中低温烟气直接放散，存在余热资源浪费、无组织扬尘、余热利用率偏低等问题。本文提出环冷三段烟气分区分级回收、余热梯级极致利用发电、烟气循环耦合烧结工艺协同减污降碳一体化技术路线。依据环冷机沿程烟气温度梯度特征，对一段高温烟气、二段中高温烟气、三段中低温烟气实施分区域集气、分级换热；构建双压余热锅炉 + 补汽式汽轮发电机组系统，实现不同品位热能高效转化；同时将换热后低温烟气闭环回用于环冷冷却与热风烧结，减少新风补给、降低烟气外排量，形成余热发电增效、污染物协同削减、碳排放同步下降的耦合体系。工程实践表明：该技术可将烧结吨矿余热发电量提升至 24～28 kWh/t，环冷机烟气直排大幅消减，烧结固体燃耗降低 1.2～1.6 kg/t，实现节能、发电、减污、降碳多重效益，为钢铁烧结绿色低碳改造提供可行技术范式。

关键词：烧结环冷机；三段烟气回收；余热梯级利用；余热发电；烟气循环；协同减污降碳

0 引言

在 “双碳” 目标与钢铁行业超低排放政策驱动下，烧结工序节能低碳改造成为冶金行业绿色转型重中之重。烧结矿冷却环节环冷机产生大量热烟气，常规环冷机分区温度大致为：一段烟气 400～460 ℃、二段 320～390 ℃、三段 240～300 ℃。国内多数钢铁企业余热系统仅利用一、二段烟气，三段中低温烟气因热源品位较低，普遍直接排放，大量低品位余热流失，同时伴随热废气扬尘、散热损失、厂区热污染等问题。

现有低温余热利用方案多局限于单一供热或小型 ORC 发电，未能与烧结本体工艺深度耦合，缺少余热回收、发电系统、烧结燃烧、烟气治理协同设计。如何打通三段烟气回收瓶颈，实现全温区余热极致利用，并同步实现污染物协同控制、碳减排，是当前烧结工序亟待解决的技术难题。

本文围绕环冷三段烟气分区集气、梯级换热、闭环循环思路，构建 “三段烟气分级回收 — 双压余热锅炉发电 — 烟气循环回用 — 协同减污降碳” 完整工艺体系，阐述工艺原理、系统构成、关键技术措施、协同机理与工程应用效果，为同类烧结生产线改造提供理论参考与实践依据。

1 传统烧结环冷余热系统存在的突出问题

1.1 余热回收区间狭窄，三段烟气资源闲置 传统工艺只收集一、二段高温烟气进入余热锅炉，三段 240～300 ℃烟气直接放空。三段烟气量大、持续稳定，属于可观中低温余热资源，长期未有效利用，系统整体余热回收率不足 45%。

1.2 热能未按品位匹配利用，系统㶲损失大 高低温烟气混合进入单压锅炉，中低温热量难以高效转化为高参数蒸汽，发电循环效率偏低，能量利用存在明显 “高质低用”。

1.3 烟气直排带来环保与能耗双重压力 三段烟气外排造成无组织粉尘、热废气污染；系统持续吸入常温新风冷却烧结矿，大量空气被加热后直接排放，新风负荷大，间接增加风机电耗。

1.4 余热系统与烧结生产相互独立，缺乏协同机制 余热发电系统仅作为末端能源回收装置，未与烧结料层燃烧、热风烧结、烟气循环联动，无法通过余热热风回用降低烧结固体燃料消耗，难以实现减污与降碳协同增效。

2 总体技术思路与工艺流程

2.1 总体技术原理

遵循能量梯级利用、按质用能、闭环循环、工艺耦合原则： 依据环冷机三段烟气温度梯度，实施分区独立集气；高温烟气生产高压过热蒸汽，中低温烟气生产低压饱和蒸汽；采用双压余热锅炉 + 补汽凝汽式汽轮发电机组实现不同参数蒸汽联合发电；锅炉换热降温后的烟气不再外排，一部分回流至环冷机底部作为冷却风，一部分送至烧结机实施热风烧结，形成闭式循环体系。 通过烟气循环减少系统总新风吸入量，降低烟气生成总量，削减末端除尘、脱硫脱硝负荷；热风烧结改善料层热工制度，降低固体燃耗，从源头减少 CO₂、SO₂、NOₓ生成，实现余热发电增效 + 源头减碳 + 污染物协同减排。

2.2 工艺流程简述

1）环冷机一段（400～460 ℃）高温烟气 → 余热锅炉高压过热器、高压蒸发器，产生高压主蒸汽； 2）环冷机二段（320～390 ℃）中高温烟气 → 高压省煤器 + 低压蒸发器，辅助产汽； 3）环冷机三段（240～300 ℃）中低温烟气独立收集，引入锅炉低压换热单元，产出低压补汽； 4）高压主蒸汽进入汽轮机主汽口，三段烟气产生的低压蒸汽作为补汽进入汽轮机补汽口联合做功； 5）锅炉排烟温度降至 110～140 ℃，烟气经循环风机分为两路： ① 回路一：回流至环冷机风箱，作为烧结矿冷却介质，减少外界冷风吸入； ② 回路二：输送至烧结机台车上部，用于热风烧结，提升料层蓄热； 6）系统配套烟气切换阀组、密封改造、变频风机、智能调控系统，实现工况波动下烟气流量、温度动态匹配。

3 关键核心技术

3.1 环冷三段烟气分区密闭集气技术

传统环冷烟罩未设置分段隔断，各段烟气掺混严重，三段烟气温度被冷风稀释。 技术措施： （1）环冷烟罩内部加装耐火隔断，实现一、二、三段烟气物理分隔，避免串风； （2）实施台车水密封 + 柔性复合密封改造，降低环冷机整体漏风率至 15% 以下，稳定三段烟气温度； （3）三段独立设置集气支管、耐高温非金属膨胀节、电动调节蝶阀，实现烟气独立抽取、灵活调控，避免工况波动时热风倒灌。

3.2 梯级换热双压余热锅炉系统，实现余热极致利用

针对三段烟气不同品位热能，采用双压余热锅炉：

· 高压回路：给水先经低压省煤器预热，再进入高压省煤器、高压蒸发器、过热器，产出高压过热蒸汽；

· 低压回路：三段烟气单独通入低压蒸发器，产生低压饱和蒸汽； 锅炉系统充分利用高温烟气显热，同时深度回收三段中低温烟气热量，最大限度降低排烟温度，减少排烟热损失。

3.3 补汽式汽轮发电机组联合发电技术

选用补汽凝汽式汽轮机，高压蒸汽作为主汽源，三段烟气产出低压蒸汽作为补汽。相比常规单进汽汽轮机，能够接纳不同参数蒸汽，充分挖掘三段余热发电潜力，解决中低温蒸汽难以单独驱动汽轮机的难题。 系统配套冷凝器、真空系统、给水除氧系统，优化疏水、蒸汽输送管路，降低沿程温降与压力损失。

3.4 换热后烟气闭环循环与热风烧结耦合技术

锅炉排出低温烟气不再直排，实施内循环： （1）回流环冷风箱：利用余热烟气替代部分常温空气冷却烧结矿，减少新风加热能耗； （2）热风烧结：适量热烟气引入烧结料面，提高料层表面温度，延长高温保持时间，改善烧结矿矿物结晶，降低固体燃料配比。 同时，烟气循环降低系统总烟气排放量，减少末端环保设施处理气量，实现环保设施节电、药剂消耗下降。

3.5 减污降碳协同耦合机理

1）源头降碳：热风烧结强化料层蓄热，固体燃耗下降，直接减少燃煤消耗与 CO₂排放； 2）协同减污：燃料用量降低，同步削减 SO₂、NOₓ原始生成量；烟气循环缩小外排烟气总量，提升末端污染物浓度调控空间； 3）能源替代：余热发电替代外购电网火电，间接降低企业外购电力对应的碳排放； 4）无组织管控：三段烟气全部收集进入系统，消除热废气直接放散带来的无组织扬尘。

4 系统运行调控要点

（1）烟气量动态平衡：根据烧结机产量、烧结矿温度、环冷冷却效果，联动调节三段烟气抽取阀门、循环风机频率，保证烧结矿冷却终温达标； （2）蒸汽参数稳定控制：三段烟气温度波动较大，通过低压汽包水位、压力自动调节，保障补汽参数稳定，避免汽轮机工况剧烈变化； （3）烧结 - 余热系统协同调度：烧结厚料层、燃料配比调整与余热烟气循环风量联动，避免循环烟气氧含量过低影响烧结生产； （4）防低温腐蚀优化：控制锅炉排烟温度高于酸露点，合理选用换热管束材质，兼顾余热回收深度与设备寿命。

5 工程应用效果分析

以国内某 260 m² 烧结生产线改造项目为例，实施环冷三段烟气回收、余热梯级发电及烟气循环改造： （1）能源与发电指标 改造前仅利用一、二段烟气，吨矿发电量 17.2 kWh/t；改造后实现三段烟气全量回收，吨矿发电量提升至 25.6 kWh/t，单台机组小时发电量提升约 4800 kWh。

（2）烧结工艺指标 热风烧结投入运行后，烧结固体燃耗降低 1.4 kg/t，烧结矿转鼓强度小幅提升，成品率稳定。

（3）环保与碳减排 环冷三段烟气彻底消除直排，无组织热扬尘显著改善；年节约标煤约 3100 t，直接减排 CO₂约 8100 t；外排烟气总量减少约 22%，脱硫脱硝系统能耗降低。

（4）经济效益 新增发电量显著降低外购电成本；固体燃料消耗下降；环保运维费用减少，项目静态投资回收期 3.0～3.5 年，具备良好推广价值。

6 存在问题与优化方向

6.1 当前技术瓶颈 （1）当烧结低负荷生产时，三段烟气温度下滑，低压蒸汽产量不稳定，发电机组负荷波动； （2）烟气循环系统需要精准控制氧含量，循环比例过高易造成烧结缺氧，需要智能化模型进行边界预警； （3）更低品位烟气（＜200 ℃）余热回收仍受设备投资约束，经济性有待进一步提升。

6.2 后续优化方向 （1）引入智能化多变量协同控制系统，构建烧结负荷、烟气温度、蒸汽产量、发电出力联动预测模型； （2）探索超临界 CO₂循环、有机朗肯循环（ORC）与蒸汽循环耦合，进一步挖掘 200～250 ℃低温余热潜力； （3）与烧结烟气循环、SCR 脱硝系统深度集成，打造 “余热回收 + 烟气治理” 一体化平台； （4）开发耐高温、抗积灰、紧凑型换热设备，降低三段余热系统占地与初投资。

7 结论

（1）环冷机三段 240～300 ℃中低温烟气具备巨大利用潜力，通过分区密闭集气、隔断控温，可以稳定获取持续热源；将三段烟气纳入余热回收体系，是实现烧结余热 “极致利用” 的关键突破口。 （2）采用三段烟气分级回收 + 双压余热锅炉 + 补汽式汽轮发电机组技术路线，能够适配不同品位热能，有效提升吨矿余热发电量。换热后烟气闭环循环回用于环冷冷却与热风烧结，实现余热系统与烧结本体工艺耦合。 （3）该技术体系不只是单纯的能源回收，同时具备协同减污降碳效果：从源头降低固体燃料消耗，削减污染物生成，减少烟气外排，兼顾节能效益与环保效益。 （4）工程实践证明，该方案改造可行性强、收益稳定，适合国内现有烧结机升级改造，可为钢铁行业烧结工序低碳转型提供重要技术支撑。