李 謙^1，2，3，周浩宇^1，2，4，劉 前^1，2，陳思墨^1，2，王業峰^1，2

( 1. 國家燒結球團裝備系統工程技術研究中心，湖南 長沙 410205; 2. 中冶長天國際工程有限責任公司，湖南 長沙 410205; 3. 浙江大學 能源工程學院，浙江 杭州 310027，4. 中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙 410083)

摘要: 針對目前燒結工序固體燃料偏析分布較難，料層自蓄熱效應導致能耗較高、碳排放較大等問題，本文采用焦爐煤氣作為噴吹介質，在自行設計和搭建的燒結杯試驗平臺上，從節能、提質、減排 3 個方面，開展焦爐煤氣噴吹對鐵礦燒結過程影響的試驗研究。結果表明，與常規燒結生產相比，焦爐煤氣噴吹能優化燒結料層的熱量分布，在相同燒結礦質量條件下，可以降低燒結原料中的焦粉配比，節約固體燃料消耗; 噴吹焦爐煤氣后，鐵酸鈣質量分數提升 3. 72% ，還原度和低溫還原粉化性能等質量指標較噴吹前明顯改善; NO_x 和 SO₂ 的平均排放質量濃度分別降低了 13. 3% 和 31. 7% 。

關鍵詞: 焦爐煤氣; 噴吹; 燒結; 節能; 提質; 污染物

鋼鐵工業是我國國民經濟的基礎產業， 2020 年，中國粗鋼產量為 10. 65 億 t，占世界產量的一半以上^［1］，但其作為高能耗、高污染排放的行業之一，也是國家節能減排推進的重點領域。燒結工序能耗占鋼鐵生產總能耗的 8. 3% ，僅次于高爐煉鐵工序在當前國家實現“碳達峰、碳中和”的目標背景下，燒結工序作為鋼鐵工業的耗能大戶，具有極大的節能和碳減排潛力。

燃氣噴吹技術通過對燒結料層熱量分布的合理優化，可實現燒結工序總體能耗的下降。 該技術最初源于日本 JFE 公司于 2009 年開發的“super-sinter”技術^［2］，其通過在點火段之后往燒結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入燒結料層并在燃燒帶上部附近燃燒，實現了噸礦工序能耗降低 1. 65 kg標煤。國內有部分研究者對焦爐煤氣噴吹工藝也開展了一定的研究，如: 中南大學的黃曉賢等^［3］從試驗和模擬兩個方面，研究了富氫氣體燃料噴吹對燒結過程的影響，發現氣體噴吹延長了燒結過程中 1 200 ℃ 以上的高溫區域的面積; JI 等^［4］研究了焦爐煤氣噴吹過程參數優化與過程機理，指出噴吹過程的最優噴吹體積分數為 0. 6%～ 0. 8% ，噴吹時間為 8 min; 程志龍等^{［5 － 7］}對比了焦粉燒結、60% 木炭燒結和 0. 5% 甲烷噴吹燒結，發現甲烷噴吹燒結有利于融化溫度保持時間延長; 周浩宇等^［8］開發了成套燒結頂吹關鍵裝備技術，實現了燃氣噴吹技術在燒結廠的成功應用。

上述研究者重點研究了燃氣噴吹過程中的工藝參數、過程機理，并已經取得了一定的進展，但是對反應過程中的降耗、提質、減排效果研究較少。本文在自行設計和搭建的燒結杯試驗平臺上，采用焦爐煤氣作為噴吹介質，開展燃氣噴吹燒結試驗研究，從節能、提質、減排三方面，探究噴吹焦爐煤氣對燒結過程的具體影響，以期為該工藝在燒結工序中的大規模推廣應用提供基礎數據。

1 試驗原料與方法

1. 1 試驗原料

試驗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 試驗裝置

本文采用的實驗室燒結杯裝置如圖 1 所示。 該裝置包括配氣系統、混氣室、燒結杯、煙氣檢測裝置等。配氣系統中有 CH₄、H₂、CO 和N₂ 等氣體，通過設置合適的氣體比例模擬典型的焦爐煤氣組分，其成分如表 3 所示。燒結杯內直徑為 100 mm 的圓筒，高度為 700 mm，在燒結杯高度沿程布置若干熱電偶，用于檢測料層溫度。燒結杯上方用密封罩罩住，防止煤氣和煙氣外逸。在密封罩頂端設置煤氣成分分析儀，用于檢測逃逸煤氣的組分，發現逃逸現象及時報警。燒結杯尾部為煙氣分析系統，實時檢測煙氣中的污染物組分。

1. 3 試驗方法

噴吹焦爐煤氣的工況中，固體燃料的減少量要以燒結礦質量指標不下降為前提，以滿足燒結生產的要求。具體試驗方法如下。

( 1) 混勻和制粒。在試驗過程中，參照某燒結廠的實際燒結礦配比，對燒結原料進行充分混合、制粒，制粒完畢的燒結原料均勻鋪入燒結杯中。 

( 2) 點火。在燒結杯頂部采用天然氣對燒結原料進行點火，點火溫度為( 1 050 ± 50) ℃，點火時間為 1. 5 min，保溫時間為 0. 5 min，點火負壓為 5 kPa。當表層燒結礦中的固體燃料被點燃后，迅速蓋上密封罩。

( 3) 燒結。燒結杯底部通過抽風機進行抽風，抽風負壓為 10 kPa，表層固體燃料被點燃后形成燃燒帶，在抽風的作用下，燃燒帶持續下移，完成燒結過程。

( 4) 焦爐煤氣噴吹。點火后 5 min 開始通入模擬焦爐煤氣，體積分數為 0. 6% ，并持續通入 8 min。

5) 燒結礦質量表征。燒結反應完成后，對燒結礦進行冷卻、破碎，選用燒結速度、成品率、轉鼓強度等參數指標對燒結礦質量進行表征。

2 結果與討論

2. 1 焦爐煤氣噴吹對燒結固體能耗的影響

在常規燒結生產過程中，料層內上層物料對下層物料的加熱( 傳導、輻射) 和上層物料對通過下層物料氣流的預熱作用，使下層物料獲得比上層更多的熱量，熱量分布不均，這樣容易導致上層燒結礦熱量不足或下層燒結礦熱量過剩。頂部燒結料由于熱量不足會提高表層燒結礦的返礦率，下層燒結礦熱量過剩導致底層燒結礦過熔，影響燒結料層的透氣性，最終影響整體燒結礦的質量。因此，本文設計燃料偏析方案( 燃料從上到下不斷下降，減少下部料層的固體燃料) 、焦爐煤氣噴吹方案( 整體減少固體燃料配比，上部料層噴吹焦爐煤氣補加熱量) ，以實現熱量的均衡分布( 圖 2) 。不同噴吹方案下燒結礦質量參數如表 4 所示。

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

然而，目前燒結廠在實際工業生產中，嚴格理想的分層燃料偏析分布很難實現。采用焦爐煤氣噴吹，在整體降低料層內各單元焦粉配比的基礎上，從料面噴入焦爐煤氣，對上部料層熱量不足的單元進行補熱，形成料層上部燃氣補熱、中下部蓄熱的熱狀態優化方法，從而大幅降低了燒結工序的固體燃料消耗、提升了燒結礦的質量指標、減少了燒結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: 當焦粉配比為 5. 15% 時，與噴吹 0. 6% 煤氣的燒結礦相比僅采用燃料偏析分布的工況，成品率繼續提升1. 95% ，轉鼓強度提升 2. 47% ; 當焦粉配比為5. 00% 時，則分別提升 3. 05% 和 1. 97% 。計算表明，試驗過程中氣焦熱量置換比為1∶ 4. 34，即每 1 焦耳焦爐煤氣熱值可以置換 4. 34 焦耳固體燃料熱值。因此，對燒結料面噴吹焦爐煤氣能顯著提升燒結礦的成品率和轉鼓強度等質量指標，在相同燒結礦質量條件下，則可以降低燒結原料中的焦粉配比，節約固體燃料消耗。

2. 2 焦爐煤氣噴吹對燒結礦質量的影響

燒結礦性能測試方案如表 5 所示。方案 1為未噴吹燃氣的正常燒結工況，焦 粉 配 比 為5. 6% ; 方案 2 為噴吹煤氣的燒結工況，在燒結點 火 后 的5 ～ 13 min內，持續噴吹質量分數為0. 6% 的 焦 爐 煤 氣，對應的焦粉配比降低為5. 3% 。本文通過對比方案 1 和方案 2，從燒結礦的化學成分、冶金性能、微觀結構三方面討論焦爐煤氣噴吹對燒結礦質量的影響。

2. 2. 1 化學成分

不同燒結條件下燒結礦化學成分檢測值分別如表 6 所示。從表 6 可知: 與方案 1 相比，方案 2 中燒結礦中的 FeO 質量分數從 8. 84% 降至 8. 81% ，總體而言變化不大，略有降低; P和 S 的的質量分數有少許降低，其 它 組 分( Al₂O₃、SiO₂、CaO、MgO 等) 變 化 不 大。因此，總體而言，燒結過程噴吹焦爐煤氣使得燒結礦質量稍有提升。

2. 2. 2 冶金性能

不同燒結條件下燒結礦的冶金性能如表 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 微觀結構

將燒結礦沿燒結杯高度方向均分為上、中、下三層，并分析噴吹焦爐煤氣前后各層燒結礦微觀 結 構 的 變 化，結 果 如 圖 3 所 示。由 圖 3可知: 噴吹焦爐煤氣后，上層燒結礦中鐵酸鈣質量分數有所增加，中層燒結礦中針柱狀鐵酸鈣含量增加明顯，與磁鐵礦形成交織結構，且燒結礦中以微小空洞為主，大孔數量減少，從而使得燒結礦具有更好的機械強度; 下層燒結礦微觀結構和鐵酸鈣形態和分布差異不大。

8 定量分析了燒結礦中的礦物組成情況，從表 8 可以看出: 噴吹 0. 6% 的焦爐煤氣后，鐵酸鈣的質量分數從 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 中的的微觀結構圖結果相符合。鐵酸鈣成分的增加主要是因為鐵酸鈣的最佳生成溫度為1 200 ～ 1 400 ℃^［3］，而焦爐煤氣噴吹顯著延長了燒結料層中 1 200 ～ 1 400 ℃ 溫度區間的持續時間，有利于鐵酸鈣的形成^{［9 － 10］}。并且，焦爐煤氣噴吹在進入燒結料層后迅速發生燃燒反應，釋放熱量。因此，對中上層燒結礦影響較大，而對下層燒結礦的影響較小。結合圖 3 和表 8可以看出，在降碳至 5. 30% 的基礎的上耦合噴吹焦爐煤氣，燒結礦中大孔洞將明顯減少，微孔數量增加。此外，針柱狀鐵酸鈣的量明顯增加且結晶良好，與磁鐵礦緊密膠結在一起，從而使得燒結礦具有更好的機械強度和還原性。

2. 3 焦爐煤氣噴吹對污染物排放的影響

焦爐煤氣噴吹對 NO、SO₂ 排放的影響如圖4 所示。由圖 4 可知: 噴吹焦爐煤氣后，適宜焦粉配比由 5. 60% 降低至 5. 00% 時，燒結過程NO 的排放平均質量濃度由 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% 。這主要是因為: 燒結煙氣排放的 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，鐵酸鈣的生成對抑制 NO_x 等污染物的產生有明顯效果，這也是 NO_x 等污染物排放降低的一個重要原因^{［11 － 12］}。

3 結 論

( 1) 與常規燒結生產相比，焦爐煤氣噴吹能優化燒結料層熱量分布，在相同燒結礦質量條件下，可以降低燒結原料中的焦粉配比，氣焦熱量置換比為 1∶ 4. 34，可節約固體燃料。

( 2) 噴吹 0. 6% 的焦爐煤氣后，鐵酸鈣質量分數提升 3. 72% ，還原度和還原粉化性能明顯改善。

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

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