胡　兵, 　黃柱成, 　姜　濤, 　張元波

(中南大學資源加工與生物工程學院, 湖南長沙410083)

摘　要:采用鏡鐵礦作為鐵原料, 通過改變天然氣流量和氧氣過剩系數(shù)以及氧氣和空氣的配比, 在實驗室進行了一系列點火燒結(jié)試驗研究, 重點考查富氧對燒結(jié)點火的影響。研究表明, 富氧燒結(jié)點火能夠降低燒結(jié)點火能耗和減少CO₂ 的排放量, 同時點火溫度上升, 燒結(jié)料層表面固體燃料的利用率提高, 并可獲得良好的燒結(jié)礦產(chǎn)量、質(zhì)量指標。當天然氣流量為2 m³ · h -1 , 點火時間為1.5 min, 助燃風為50 %氧氣+50%空氣(體積分數(shù)), 氧氣過剩系數(shù)為1.9 的情況下, 燒結(jié)點火能耗為30.32MJ · m-2 , 點火煙氣中氧的體積分數(shù)為14.28 %, 所獲得的燒結(jié)礦成品率和轉(zhuǎn)鼓強度分別為72.32 %和65.30%。與助燃風為空氣, 其它條件不變的情況比較, 煙氣中氧的體積分數(shù)提高了5.17%, 燒結(jié)礦成品率和轉(zhuǎn)鼓強度分別提高了10.59 %和1.97 %。

關(guān)鍵詞:燒結(jié);富氧點火;氧氣過剩系數(shù);點火強度

燒結(jié)礦作為中國高爐煉鐵的主要入爐含鐵原料, 隨著鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展, 最近幾年燒結(jié)礦產(chǎn)量也一路飆升(表1)^{[ 1]} 。按照燒結(jié)工序能耗為每噸燒結(jié)礦60 kg 標煤計算, 2007 年燒結(jié)總能耗就超過3 千萬t 標煤, 而燒結(jié)點火能耗占整個燒結(jié)能耗的5 %～ 10 %, 如果能夠在燒結(jié)點火方面進一步降低能耗, 不僅能為國家節(jié)約更多的資源和適應日趨激烈的原料市場競爭, 同時也符合國家的低碳經(jīng)濟和環(huán)境保護戰(zhàn)略要求^{[ 2-3]} 。

點火的目的是為固體燃料的強烈燃燒和把表層燒結(jié)料加熱至燒結(jié)過程所需的溫度創(chuàng)造條件^{[ 3]} 。燒結(jié)廠一般采用煤氣進行點火, 采用空氣作為助燃風, 使得點火煙氣中氮氣、二氧化碳濃度很高, 而氧氣含量很低, 以致于表層的焦粉顆粒得不到充分的燃燒,既浪費燃料, 又很難獲得表層物料得以燒結(jié)的熱量,使得上部很厚一層為生料, 降低了燒結(jié)礦的成品率^{[ 4-5]}

采用富氧進行點火, 可以提高煙氣中的氧氣含量, 降低了燃料的著火溫度, 可以充分利用表層的固體燃料, 提高燒結(jié)生產(chǎn)率的同時降低了燃耗^{[ 4-6]} 。梅鋼、長鋼等鋼鐵公司通過生產(chǎn)實踐證明, 富氧燒結(jié)點火能夠解決高爐煤氣燃燒不充分, 點火溫度低的問題, 而且能夠提高燒結(jié)礦的產(chǎn)量與質(zhì)量, 同時降低點火能耗和煙氣排放量^{[ 7-10]} 。為了考查氧氣對燒結(jié)點火的影響, 筆者在實驗室的燒結(jié)杯中進行了一系列的試驗研究, 通過改變助燃風中氧氣的過剩系數(shù)和在助燃風中配入一定量的氧氣來提高煙氣中的氧氣含量, 從而達到富氧燒結(jié)點火的目的。

1 　原料性能及研究方法

顯微結(jié)構(gòu)觀察(圖1)和X 射線衍射(圖2)分析結(jié)果表明, 本次試驗采用的鐵礦石是一種鏡鐵礦, 其主要物質(zhì)組成(質(zhì)量分數(shù), %)為鏡鐵礦65.9 , 半假象、假象赤鐵礦21.3 。燒結(jié)原料的化學成分分析結(jié)果見表2 , 原料配比見表3 。

實驗室燒結(jié)點火裝置如圖3 所示。為了實現(xiàn)富氧點火, 對燒結(jié)點火裝置進行了一些改動, 在點火罩口放蜂窩陶瓷, 并用網(wǎng)板固定, 使得點火溫度更加穩(wěn)定、點火氣流更加均勻;其次在一次助燃風和二次助燃風管道接三通管, 增加氧氣入口。

2 　試驗方法

試驗采用天然氣作為點火的燃料, 空氣或者空氣和氧氣的混合氣體作為助燃風。為了得到高的燃燒溫度, 氧氣過剩系數(shù)要大于1.0 , 以保證完全燃燒,但應該盡可能減小氧氣過剩系數(shù)。從表4 可以看出, 要想增大煙氣中氧氣的含量又不讓氧氣過剩系數(shù)太高, 唯一的辦法是在空氣中配入一定量的氧氣。換言之, 為提高燃燒溫度, 增加煙氣中氧氣的含量,又能減小氧氣過剩系數(shù), 采用富氧進行點火是有效而唯一的選擇。

2.1 　富氧點火對燃燒溫度的影響

為了考查富氧點火對燃燒溫度的影響, 根據(jù)質(zhì)量和能量守恒定律以及燃燒過程物質(zhì)的物理化學變化, 在試驗條件的基礎(chǔ)上進行了理論計算。其中天然氣的主要成分(體積分數(shù), %)為:CH₄ 97.04 、C₆H₆0.71 、CO₂ 1.28 、H₂ 0.97 , 天然氣的發(fā)熱值為35 480 kJ ·m -3 , 各種氣體成分的密度以及煙氣中各種成分的比熱如表5 所示。通過計算得到在不同氧氣過剩系數(shù)α和氧氣瓶配入的氧氣占助燃風中總氧的體積分數(shù)(用γ表示)改變的情況下, 點火煙氣溫度的變化情況見圖4 。

從圖4 可以看出, 隨著氧氣過剩系數(shù)的提高, 點火煙氣的溫度是逐漸降低的, 同時可以看出, 在氧氣過剩系數(shù)不變的情況下, 增加助燃風中氧氣的配比,可以提升燒結(jié)點火的溫度。在空氣作為助燃風進行燒結(jié)點火的時候, 一般要求煙氣溫度為(1 100 ±50)℃, 但從圖4 可以查出, 此時氧氣過剩系數(shù)小于1.3 , 盡管在較低的氧氣過剩系數(shù)下達到了點火的溫度, 然而從表4 可以看到, 這時候煙氣中氧氣的體積分數(shù)小于4.27 %, 使得表層的固體燃料不能得到充分燃燒。如果把γ提高到50 %, 氧氣過剩系數(shù)為1.9 , 燒結(jié)點火的溫度可以達到1 186 ℃, 同時煙氣中的氧氣的體積分數(shù)提高到14.28 %, 可以實現(xiàn)高溫富氧燒結(jié)點火目標。

2.2 　富氧點火對煙氣排放量的影響

在上述燒結(jié)點火的試驗條件下, 為了考查富氧點火對煙氣排放量的影響, 同樣通過理論計算加以說明, 計算的結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可以看出, 隨著氧氣過剩系數(shù)的提高, 點火所排放的煙氣是逐漸增加的, 但如果在助燃風中增加氧氣的配比, 則可以明顯減少煙氣排放量。

同時可以看出, 在燒結(jié)點火可行的條件下, 適當降低天然氣流量, 不但可以降低點火能耗, 而且煙氣排放量降低的幅度很大。當天然氣流量為3m³ ·h-1時, 氧氣過剩系數(shù)為1.2 , 助燃風全為空氣的情況下,煙氣中的氧氣的體積分數(shù)僅為3.06 %, 煙氣排放量為39.15m3 ·h

-1 ;如果把γ提高到50 %, 天然氣流量為2m3 ·h-1 , 氧氣過剩系數(shù)為1.9 , 煙氣中的氧氣的體積分數(shù)提高到14.28 %, 煙氣排放量只有25.14m3 ·h -1 。

2.3 　富氧點火對燒結(jié)礦質(zhì)量的影響

為了驗證富氧點火對燒結(jié)礦質(zhì)量的影響, 通過試驗進行了比較說明, 對應的試驗結(jié)果如圖6 所示。其試驗條件為:天然氣流量分別為3 m³ · h -1 和2m³ ·h-1 , 點火時間1.5min , 點火負壓3 kPa , 燒結(jié)負壓10 kPa , 改變氧氣過剩系數(shù)以及γ值。

從圖6 可以看出, 隨著氧氣過剩系數(shù)增大, 在助燃風全為空氣的情況下, 燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強度呈先升后降趨勢, 天然氣流量越大越有助于轉(zhuǎn)鼓強度的提高;同時可以看出, 當γ提高到50 %時, 燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強度提升幅度很大, 而且隨著氧氣過剩系數(shù)的提高而增大。顯然, 在助燃風中配入一定量的氧氣, 可以明顯提高燒結(jié)礦的質(zhì)量, 但要得到滿意的燒結(jié)礦質(zhì)量, 在γ值提高的同時, 增大助燃風的氧氣過剩系數(shù), 并且可以適當降低點火燃料的用量。在天然氣流量為3m³ · h-1 , 空氣作為助燃風, α為1.9 時, 燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度為64.07 %;當γ值提高到50 %, 天然氣流量降低到2m3 ·h -1 , α為1.9 時, 可以獲得65.30 %的轉(zhuǎn)鼓強度。

2.4 　富氧點火對燒結(jié)生產(chǎn)率的影響

燒結(jié)生產(chǎn)率主要表現(xiàn)在垂直燒結(jié)速度和燒結(jié)礦的成品率方面, 為了考查富氧點火對燒結(jié)生產(chǎn)率的影響, 試驗通過改變氧氣過剩系數(shù)以及γ值, 提高煙氣中氧氣的含量, 最后通過燒結(jié)利用系數(shù)的變化情況來加以說明, 試驗結(jié)果如圖7 所示。

從圖7 可以看出, 在空氣作為助燃風時, 隨著氧氣過剩系數(shù)的增大, 煙氣中的氧氣含量有所提高, 適當提高氧氣過剩系數(shù)可以提高燒結(jié)礦的利用系數(shù),但進一步提高氧氣過剩系數(shù), 使點火的溫度降低, 同時煙氣總量增加造成廢氣攜帶的熱量也增加, 以致于燒結(jié)礦的利用系數(shù)出現(xiàn)先升后降的趨勢。然而把γ提高到50 %, 燒結(jié)礦的利用系數(shù)則隨著氧氣過剩系數(shù)的增大而得到提高, 只是上升的幅度越來越小。從圖7 可以看出, 助燃風中配入一定量的氧氣, 是非常有必要的, 但γ值在50 %以下可有明顯效果, 再提高富氧程度, 效果便越來越不明顯。同時可以看出,在助燃風中配入一定量的氧氣后, 在較低的燃料用量下就能正常進行點火, 而且與空氣作為助燃風的情況相比, 燒結(jié)礦的生產(chǎn)率得到明顯提高。在天然氣流量為3m³ · h-1 , 空氣作為助燃風, α為1.9 時,燒結(jié)礦的利用系數(shù)為1.37 t · m-2 · h-1 ;當γ值提高到50 %, 天然氣流量降低到2m³ · h-1 , α為1.9時, 燒結(jié)礦的利用系數(shù)提高到1.44 t ·m-2 · h -1 。

3 　結(jié)論

　　采用富氧進行燒結(jié)點火, 可以減少廢氣的排放,提高煙氣中氧氣的含量使得表層固體燃料充分燃燒, 改變煙氣中的氣體組成使得點火溫度提高, 并且在降低能耗、減少廢氣排放的基礎(chǔ)上獲得滿意的燒結(jié)礦產(chǎn)量、質(zhì)量指標。

　　富氧燒結(jié)點火試驗理論計算表明, 采用空氣作為助燃風進行點火時, 天然氣流量為3m³ · h-1 , 要達到(1100 ±50)℃的點火溫度, 要求α<1.3 , 當α為1.2 時, 煙氣中的氧的體積分數(shù)僅為3.06 %, 造成表層固體燃料燃燒不充分, 此時煙氣排放量為39.15m³ ·h -1 ;然而把γ提高到50 %, 天然氣流量為2m³ · h-1 , α為1.9 , 燒結(jié)點火的溫度可以達到1186 ℃, 同時煙氣中氧的體積分數(shù)提高到14.28 %,煙氣排放量降低到25.14m³ · h -1 。所以說, 在富氧點火時, 不僅可以降低燃料的用量, 同時可以提高點火的溫度, 并且有利于表層固定燃料的燃燒。

　　富氧燒結(jié)點火試驗研究表明, 在空氣作為助燃風進行燒結(jié)點火時, 要獲得優(yōu)良的燒結(jié)礦產(chǎn)量、質(zhì)量指標, 需要較大的天然氣流量, 并且α值也隨之提高。在天然氣流量為3m³ · h

-1 , 空氣作為助燃風, α為1.9 時, 燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度為64.07 %, 利用系數(shù)為1.37 t ·m -2 ·h -1 ;當γ值提高到50 %, 天然氣流量降低到2m³ ·h -1 , α為1.9 時, 可以獲得65.30 %的轉(zhuǎn)鼓強度和1.44 t ·m-2 ·h-1的利用系數(shù)。

參考文獻:

[ 1] 　ZH ANG Sh ou-rong , YIN H an .The Trends of Ironmaking Indust ry and Challenges t o C hinese Blast Fu rnace Ironmaking inthe 21st Century [ C] ∥Th e 5th In ternational Congress on theS cience and Technology of Ironmaking .Shanghai:2009 .

[ 2] 　傅菊英, 姜濤, 朱德慶.燒結(jié)球團學[ M] .長沙:中南工業(yè)大學出版社, 1996 .

[ 3] 　王宏斌, 張詠梅.降低燒結(jié)工序能耗的措施[ J] .鋼鐵, 1999 ,1(1):1 .

[ 4] 　周興德, 袁文彬, 李上峙, 等譯.鐵礦石燒結(jié)點火過程[ M] .北京:冶金工業(yè)部燒結(jié)球團和煉鐵情報網(wǎng), 1985 .

[ 5] 　黃柱成, 羅勇, 彭虎, 等.鐵礦石微波熱風燒結(jié)點火研究[ J] .材料導報, 2007 , 21(11):301 .

[ 6] 　黃亞蕾, 黃柱成, 毛曉明, 等.鐵礦石微波熱風燒結(jié)點火研究[ J] .礦冶工程, 2008 , 28(10):64 .

[ 7] 　黃亞蕾.微波熱風燒結(jié)點火技術(shù)及機理研究[ D] .長沙:中南大學, 2008 .

[ 8] 　李步星, 崔建偉.燒結(jié)富氧點火自動控制的實現(xiàn)與應用[ J] .山西冶金, 2003 , 3(3):13 .

[ 9] 　沈小峰.梅鋼富氧燒結(jié)技術(shù)的研究與應用[ J] .實用科技, 2009(30):238 .

[ 10] 　陳樹義, 章麗玲.燃料燃燒及燃燒裝置[ M] .北京:冶金工業(yè)出版社, 1985 .