李 謙^{1，2，3}，周浩宇^{1，2，4}，劉 前^1，2，陳思墨^1，2，王業(yè)峰^1，2

( 1. 國(guó)家燒結(jié)球團(tuán)裝備系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410205; 2. 中冶長(zhǎng)天國(guó)際工程有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205; 3. 浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310027，4. 中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

摘要: 針對(duì)目前燒結(jié)工序固體燃料偏析分布較難，料層自蓄熱效應(yīng)導(dǎo)致能耗較高、碳排放較大等問題，本文采用焦?fàn)t煤氣作為噴吹介質(zhì)，在自行設(shè)計(jì)和搭建的燒結(jié)杯試驗(yàn)平臺(tái)上，從節(jié)能、提質(zhì)、減排 3 個(gè)方面，開展焦?fàn)t煤氣噴吹對(duì)鐵礦燒結(jié)過程影響的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，與常規(guī)燒結(jié)生產(chǎn)相比，焦?fàn)t煤氣噴吹能優(yōu)化燒結(jié)料層的熱量分布，在相同燒結(jié)礦質(zhì)量條件下，可以降低燒結(jié)原料中的焦粉配比，節(jié)約固體燃料消耗; 噴吹焦?fàn)t煤氣后，鐵酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升 3. 72% ，還原度和低溫還原粉化性能等質(zhì)量指標(biāo)較噴吹前明顯改善; NO_x 和 SO₂ 的平均排放質(zhì)量濃度分別降低了 13. 3% 和 31. 7% 。

關(guān)鍵詞: 焦?fàn)t煤氣; 噴吹; 燒結(jié); 節(jié)能; 提質(zhì); 污染物

鋼鐵工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)， 2020 年，中國(guó)粗鋼產(chǎn)量為 10. 65 億 t，占世界產(chǎn)量的一半以上^［1］，但其作為高能耗、高污染排放的行業(yè)之一，也是國(guó)家節(jié)能減排推進(jìn)的重點(diǎn)領(lǐng)域。燒結(jié)工序能耗占鋼鐵生產(chǎn)總能耗的 8. 3% ，僅次于高爐煉鐵工序在當(dāng)前國(guó)家實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)背景下，燒結(jié)工序作為鋼鐵工業(yè)的耗能大戶，具有極大的節(jié)能和碳減排潛力。

燃?xì)鈬姶导夹g(shù)通過對(duì)燒結(jié)料層熱量分布的合理優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)燒結(jié)工序總體能耗的下降。 該技術(shù)最初源于日本 JFE 公司于 2009 年開發(fā)的“super-sinter”技術(shù)^［2］，其通過在點(diǎn)火段之后往燒結(jié)料層表面噴射稀釋到燃燒濃度以下的液化天然氣的方式用來代替添加的部分焦粉，使噴入的天然氣從頂部進(jìn)入燒結(jié)料層并在燃燒帶上部附近燃燒，實(shí)現(xiàn)了噸礦工序能耗降低 1. 65 kg標(biāo)煤。國(guó)內(nèi)有部分研究者對(duì)焦?fàn)t煤氣噴吹工藝也開展了一定的研究，如: 中南大學(xué)的黃曉賢等^［3］從試驗(yàn)和模擬兩個(gè)方面，研究了富氫氣體燃料噴吹對(duì)燒結(jié)過程的影響，發(fā)現(xiàn)氣體噴吹延長(zhǎng)了燒結(jié)過程中 1 200 ℃ 以上的高溫區(qū)域的面積; JI 等^［4］研究了焦?fàn)t煤氣噴吹過程參數(shù)優(yōu)化與過程機(jī)理，指出噴吹過程的最優(yōu)噴吹體積分?jǐn)?shù)為 0. 6%～ 0. 8% ，噴吹時(shí)間為 8 min; 程志龍等^{［5 － 7］}對(duì)比了焦粉燒結(jié)、60% 木炭燒結(jié)和 0. 5% 甲烷噴吹燒結(jié)，發(fā)現(xiàn)甲烷噴吹燒結(jié)有利于融化溫度保持時(shí)間延長(zhǎng); 周浩宇等^［8］開發(fā)了成套燒結(jié)頂吹關(guān)鍵裝備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了燃?xì)鈬姶导夹g(shù)在燒結(jié)廠的成功應(yīng)用。

上述研究者重點(diǎn)研究了燃?xì)鈬姶颠^程中的工藝參數(shù)、過程機(jī)理，并已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是對(duì)反應(yīng)過程中的降耗、提質(zhì)、減排效果研究較少。本文在自行設(shè)計(jì)和搭建的燒結(jié)杯試驗(yàn)平臺(tái)上，采用焦?fàn)t煤氣作為噴吹介質(zhì)，開展燃?xì)鈬姶禑Y(jié)試驗(yàn)研究，從節(jié)能、提質(zhì)、減排三方面，探究噴吹焦?fàn)t煤氣對(duì)燒結(jié)過程的具體影響，以期為該工藝在燒結(jié)工序中的大規(guī)模推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)原料與方法

1. 1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料主要包括含鐵原料( 鐵礦石) 、熔劑( 白云石、石灰石等) 、燃料( 焦粉) 、添加劑及返礦等。原料的主要成分分別如表 1、2 所示。本文研究中采用的鐵精礦中含鐵量為63. 20% ，返礦中含鐵量為 56. 68% ，熔劑主要采用白云石、石灰石和生石灰。

1. 2 試驗(yàn)裝置

本文采用的實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)杯裝置如圖 1 所示。 該裝置包括配氣系統(tǒng)、混氣室、燒結(jié)杯、煙氣檢測(cè)裝置等。配氣系統(tǒng)中有 CH₄、H₂、CO 和N₂ 等氣體，通過設(shè)置合適的氣體比例模擬典型的焦?fàn)t煤氣組分，其成分如表 3 所示。燒結(jié)杯內(nèi)直徑為 100 mm 的圓筒，高度為 700 mm，在燒結(jié)杯高度沿程布置若干熱電偶，用于檢測(cè)料層溫度。燒結(jié)杯上方用密封罩罩住，防止煤氣和煙氣外逸。在密封罩頂端設(shè)置煤氣成分分析儀，用于檢測(cè)逃逸煤氣的組分，發(fā)現(xiàn)逃逸現(xiàn)象及時(shí)報(bào)警。燒結(jié)杯尾部為煙氣分析系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)煙氣中的污染物組分。

1. 3 試驗(yàn)方法

噴吹焦?fàn)t煤氣的工況中，固體燃料的減少量要以燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)不下降為前提，以滿足燒結(jié)生產(chǎn)的要求。具體試驗(yàn)方法如下。

( 1) 混勻和制粒。在試驗(yàn)過程中，參照某燒結(jié)廠的實(shí)際燒結(jié)礦配比，對(duì)燒結(jié)原料進(jìn)行充分混合、制粒，制粒完畢的燒結(jié)原料均勻鋪入燒結(jié)杯中。 

( 2) 點(diǎn)火。在燒結(jié)杯頂部采用天然氣對(duì)燒結(jié)原料進(jìn)行點(diǎn)火，點(diǎn)火溫度為( 1 050 ± 50) ℃，點(diǎn)火時(shí)間為 1. 5 min，保溫時(shí)間為 0. 5 min，點(diǎn)火負(fù)壓為 5 kPa。當(dāng)表層燒結(jié)礦中的固體燃料被點(diǎn)燃后，迅速蓋上密封罩。

( 3) 燒結(jié)。燒結(jié)杯底部通過抽風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽風(fēng)，抽風(fēng)負(fù)壓為 10 kPa，表層固體燃料被點(diǎn)燃后形成燃燒帶，在抽風(fēng)的作用下，燃燒帶持續(xù)下移，完成燒結(jié)過程。

( 4) 焦?fàn)t煤氣噴吹。點(diǎn)火后 5 min 開始通入模擬焦?fàn)t煤氣，體積分?jǐn)?shù)為 0. 6% ，并持續(xù)通入 8 min。

5) 燒結(jié)礦質(zhì)量表征。燒結(jié)反應(yīng)完成后，對(duì)燒結(jié)礦進(jìn)行冷卻、破碎，選用燒結(jié)速度、成品率、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度等參數(shù)指標(biāo)對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與討論

2. 1 焦?fàn)t煤氣噴吹對(duì)燒結(jié)固體能耗的影響

在常規(guī)燒結(jié)生產(chǎn)過程中，料層內(nèi)上層物料對(duì)下層物料的加熱( 傳導(dǎo)、輻射) 和上層物料對(duì)通過下層物料氣流的預(yù)熱作用，使下層物料獲得比上層更多的熱量，熱量分布不均，這樣容易導(dǎo)致上層燒結(jié)礦熱量不足或下層燒結(jié)礦熱量過剩。頂部燒結(jié)料由于熱量不足會(huì)提高表層燒結(jié)礦的返礦率，下層燒結(jié)礦熱量過剩導(dǎo)致底層燒結(jié)礦過熔，影響燒結(jié)料層的透氣性，最終影響整體燒結(jié)礦的質(zhì)量。因此，本文設(shè)計(jì)燃料偏析方案( 燃料從上到下不斷下降，減少下部料層的固體燃料) 、焦?fàn)t煤氣噴吹方案( 整體減少固體燃料配比，上部料層噴吹焦?fàn)t煤氣補(bǔ)加熱量) ，以實(shí)現(xiàn)熱量的均衡分布( 圖 2) 。不同噴吹方案下燒結(jié)礦質(zhì)量參數(shù)如表 4 所示。

結(jié)合圖 2 與表 4 可以看出: 當(dāng)燒結(jié)料不采取燃料 偏 析 分 布 ( 圖 2 ( a ) ) ，焦 粉 總 配 比 從5. 60% 降至 5. 00% 時(shí)，燒結(jié)礦的成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度指標(biāo)均呈大幅度下降，期中成品率下降4. 03% ，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度下降 1. 70% ; 當(dāng)采取燃料偏析分布時(shí)( 圖 2( b) ) ，同等焦粉配比條件下的燒結(jié)礦成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度均大幅上升，當(dāng)焦粉配比均為 5. 00% 時(shí)，采用燃料偏析的燒結(jié)礦成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度分別提升了 1. 43% 和 1. 16% ，這表明優(yōu)化燒結(jié)料層熱量分布，可以明顯提升燒結(jié)礦質(zhì)量。

然而，目前燒結(jié)廠在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，嚴(yán)格理想的分層燃料偏析分布很難實(shí)現(xiàn)。采用焦?fàn)t煤氣噴吹，在整體降低料層內(nèi)各單元焦粉配比的基礎(chǔ)上，從料面噴入焦?fàn)t煤氣，對(duì)上部料層熱量不足的單元進(jìn)行補(bǔ)熱，形成料層上部燃?xì)庋a(bǔ)熱、中下部蓄熱的熱狀態(tài)優(yōu)化方法，從而大幅降低了燒結(jié)工序的固體燃料消耗、提升了燒結(jié)礦的質(zhì)量指標(biāo)、減少了燒結(jié)過程中多污染物的生成，尤其有助于燃料型 NO_x 生成量的減少。此外，從表 4 還可以看出來: 當(dāng)焦粉配比為 5. 15% 時(shí)，與噴吹 0. 6% 煤氣的燒結(jié)礦相比僅采用燃料偏析分布的工況，成品率繼續(xù)提升1. 95% ，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度提升 2. 47% ; 當(dāng)焦粉配比為5. 00% 時(shí)，則分別提升 3. 05% 和 1. 97% 。計(jì)算表明，試驗(yàn)過程中氣焦熱量置換比為1∶ 4. 34，即每 1 焦耳焦?fàn)t煤氣熱值可以置換 4. 34 焦耳固體燃料熱值。因此，對(duì)燒結(jié)料面噴吹焦?fàn)t煤氣能顯著提升燒結(jié)礦的成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度等質(zhì)量指標(biāo)，在相同燒結(jié)礦質(zhì)量條件下，則可以降低燒結(jié)原料中的焦粉配比，節(jié)約固體燃料消耗。

2. 2 焦?fàn)t煤氣噴吹對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量的影響

燒結(jié)礦性能測(cè)試方案如表 5 所示。方案 1為未噴吹燃?xì)獾恼Y(jié)工況，焦 粉 配 比 為5. 6% ; 方案 2 為噴吹煤氣的燒結(jié)工況，在燒結(jié)點(diǎn) 火 后 的5 ～ 13 min內(nèi)，持續(xù)噴吹質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 6% 的 焦 爐 煤 氣，對(duì)應(yīng)的焦粉配比降低為5. 3% 。本文通過對(duì)比方案 1 和方案 2，從燒結(jié)礦的化學(xué)成分、冶金性能、微觀結(jié)構(gòu)三方面討論焦?fàn)t煤氣噴吹對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量的影響。

2. 2. 1 化學(xué)成分

不同燒結(jié)條件下燒結(jié)礦化學(xué)成分檢測(cè)值分別如表 6 所示。從表 6 可知: 與方案 1 相比，方案 2 中燒結(jié)礦中的 FeO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 8. 84% 降至 8. 81% ，總體而言變化不大，略有降低; P和 S 的的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有少許降低，其 它 組 分( Al₂O₃、SiO₂、CaO、MgO 等) 變 化 不 大。因此，總體而言，燒結(jié)過程噴吹焦?fàn)t煤氣使得燒結(jié)礦質(zhì)量稍有提升。

2. 2. 2 冶金性能

不同燒結(jié)條件下燒結(jié)礦的冶金性能如表 7 所示。由表 7 可知: 與方案 1 相比，方案 2 燒結(jié)礦的還原度與還原粉化性分別從 74. 75% 、71. 47% 升 高 至 81. 34% 、77. 42% ，改 善 效 果明顯。

2. 2. 3 微觀結(jié)構(gòu)

將燒結(jié)礦沿?zé)Y(jié)杯高度方向均分為上、中、下三層，并分析噴吹焦?fàn)t煤氣前后各層燒結(jié)礦微觀 結(jié) 構(gòu) 的 變 化，結(jié) 果 如 圖 3 所 示。由 圖 3可知: 噴吹焦?fàn)t煤氣后，上層燒結(jié)礦中鐵酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所增加，中層燒結(jié)礦中針柱狀鐵酸鈣含量增加明顯，與磁鐵礦形成交織結(jié)構(gòu)，且燒結(jié)礦中以微小空洞為主，大孔數(shù)量減少，從而使得燒結(jié)礦具有更好的機(jī)械強(qiáng)度; 下層燒結(jié)礦微觀結(jié)構(gòu)和鐵酸鈣形態(tài)和分布差異不大。

8 定量分析了燒結(jié)礦中的礦物組成情況，從表 8 可以看出: 噴吹 0. 6% 的焦?fàn)t煤氣后，鐵酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 34. 09% 增加到 37. 81% ，赤鐵礦從 18. 14% 增加到 21. 86% ，增加明顯，與圖 3 中的的微觀結(jié)構(gòu)圖結(jié)果相符合。鐵酸鈣成分的增加主要是因?yàn)殍F酸鈣的最佳生成溫度為1 200 ～ 1 400 ℃^［3］，而焦?fàn)t煤氣噴吹顯著延長(zhǎng)了燒結(jié)料層中 1 200 ～ 1 400 ℃ 溫度區(qū)間的持續(xù)時(shí)間，有利于鐵酸鈣的形成^{［9 － 10］}。并且，焦?fàn)t煤氣噴吹在進(jìn)入燒結(jié)料層后迅速發(fā)生燃燒反應(yīng)，釋放熱量。因此，對(duì)中上層燒結(jié)礦影響較大，而對(duì)下層燒結(jié)礦的影響較小。結(jié)合圖 3 和表 8可以看出，在降碳至 5. 30% 的基礎(chǔ)的上耦合噴吹焦?fàn)t煤氣，燒結(jié)礦中大孔洞將明顯減少，微孔數(shù)量增加。此外，針柱狀鐵酸鈣的量明顯增加且結(jié)晶良好，與磁鐵礦緊密膠結(jié)在一起，從而使得燒結(jié)礦具有更好的機(jī)械強(qiáng)度和還原性。

2. 3 焦?fàn)t煤氣噴吹對(duì)污染物排放的影響

焦?fàn)t煤氣噴吹對(duì) NO、SO₂ 排放的影響如圖4 所示。由圖 4 可知: 噴吹焦?fàn)t煤氣后，適宜焦粉配比由 5. 60% 降低至 5. 00% 時(shí)，燒結(jié)過程N(yùn)O 的排放平均質(zhì)量濃度由 457. 5 mg /m³ 降低至396. 8 mg /m³，降低了 13. 3% ; SO₂ 的峰值質(zhì)量濃 度 由 3 674. 3 mg /m³ 大 幅 降 低 至 2 508. 6mg /m³，降低了 31. 7% 。這主要是因?yàn)? 燒結(jié)煙氣排放的 NO_x、SO₂ 主要來源于固體燃料的燃燒，固體燃料配比的降低，使燒結(jié)煙氣中的NO_x 和 SO₂ 等污染物的排放量顯著降低。此外，由于燒結(jié)礦中的鐵酸鈣的生成量明顯增加，而鐵酸鈣一方面可以作為催化劑，先被 CO 還原后被 NO 氧化; 另一方面，鐵酸鈣也能直接催化 NO 還原，因此，鐵酸鈣的生成對(duì)抑制 NO_x 等污染物的產(chǎn)生有明顯效果，這也是 NO_x 等污染物排放降低的一個(gè)重要原因^{［11 － 12］}。

3 結(jié) 論

( 1) 與常規(guī)燒結(jié)生產(chǎn)相比，焦?fàn)t煤氣噴吹能優(yōu)化燒結(jié)料層熱量分布，在相同燒結(jié)礦質(zhì)量條件下，可以降低燒結(jié)原料中的焦粉配比，氣焦熱量置換比為 1∶ 4. 34，可節(jié)約固體燃料。

( 2) 噴吹 0. 6% 的焦?fàn)t煤氣后，鐵酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升 3. 72% ，還原度和還原粉化性能明顯改善。

( 3) 噴吹焦?fàn)t煤氣后，NO_x 和 SO₂ 的平均排放質(zhì)量濃度分別降低 13. 3% 和 31. 7% 。

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