基于厚料层烧结的富氢气体与蒸汽-氧气协同注入技术及其节能减排效应研究

针对铁矿烧结过程高能耗、高排放问题，研究人员创新性地提出在深料层(930 mm)条件下协同注入天然气(NG)/焦炉煤气(COG)与蒸汽-氧气的技术方案。通过烧结杯试验证实，最佳蒸汽注入位置为料层上部，23 vol%氧浓度最优，NG协同体系可显著改善反应路径、提升燃料燃烧效率20.7%，碳减排潜力超20%，为钢铁行业低碳转型提供关键技术支撑。

　　

钢铁工业作为能源消耗和污染排放的"大户"，每生产1吨钢就会排放1.5吨CO₂，其中铁矿烧结工序贡献了全流程9%的能耗和10%的温室气体排放。传统烧结依赖焦炭等固体燃料，不仅面临化石资源枯竭压力，更导致严重的环境问题。虽然已有研究探索气体燃料注入技术，但普遍存在两个关键瓶颈：一是局限于≤800 mm的浅料层研究，而实际生产中厚料层(>900 mm)导致的"上冷下热"热力学失衡更为突出；二是多聚焦单一气体(如仅注入COG或蒸汽)的简单替代，难以实现热场优化与减排效果的协同提升。

针对这些行业痛点，重庆大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表创新成果。该研究首次在930 mm深料层条件下，系统比较了天然气(NG)和焦炉煤气(COG)两种富氢气体与蒸汽-氧气的协同注入效果。通过烧结杯试验结合热力学-动力学分析，揭示了多气体协同作用机制：蒸汽通过水煤气反应促进CO→CO₂转化，生成的H₂作为高热值燃料补充；氧气(23 vol%最佳)强化上部料层燃烧；NG因更高氢含量展现出比COG更优的节能减排潜力。

关键技术方法包括：1) 建立930 mm深料层烧结杯实验系统；2) 采用中国钢厂提供的实际原料(含铁矿石、熔剂及焦炭/无烟煤)；3) 设计多气体协同注入的时空控制方案；4) 通过废气成分分析、烧结矿强度测试等综合评价体系。

【蒸汽注入位置对铁矿烧结的影响】
通过对比不同料层高度(300/600/900 mm)的蒸汽注入效果，发现上部注入时水煤气反应生成的H₂能有效补偿上部热量不足，使烧结速度提升12.4%，同时降低废气中CO浓度达35%。但过度注入会导致料层透气性恶化，确定5.4×10^?4 vol%为最佳蒸汽流量。

【氧浓度优化研究】
氧浓度梯度实验(21-25 vol%)显示，23 vol%时形成"黄金平衡"：低于此值固体燃料燃烧不充分，高于此值则导致烧结带过窄。该条件下烧结矿转鼓指数提高1.8个百分点，同时NO_x生成量控制在标准限值70%以下。

【NG与COG体系对比】
NG因甲烷含量高(>90%)，其H/C比达4:1，显著优于COG的1:1。实验数据表明，NG协同组固体燃料消耗降低7.1%，CO₂减排量比COG组高42%，证实NG更适合作为低碳烧结的过渡燃料。

这项研究开创性地构建了厚料层多气体协同调控理论：蒸汽定位补偿上部热亏缺，氧气精准强化燃烧带，富氢气体重构反应路径。实际应用中，以年产500万吨烧结矿的钢厂为例，全面推广该技术可年减排CO₂超10万吨，相当于5000亩森林的年固碳量。更为重要的是，该技术无需改造现有烧结机主体结构，通过气体喷吹系统升级即可实现，为钢铁行业"双碳"目标提供了兼具创新性和工程可行性的解决方案。未来研究可进一步探索生物质气等可再生富氢气体在该技术框架下的应用潜力。