李乾坤¹ ，裴元東¹ ，周曉冬¹ ，李國良¹ ，劉 前² ，龍紅明³

( 1. 中天鋼鐵集團有限公司，江蘇 常州 213000; 2. 中冶長天國際工程有限責任公司，

湖南 長沙 410205; 3. 安徽工業大學 冶金工程學院，安徽 馬鞍山 243002)

摘要: 針對在鋼鐵行業綠色生產實現“碳達峰、碳中合”背景下燒結工序降耗減碳的問題，在中天鋼鐵 550 m² 燒結機上開展了 930 mm 超厚料層燒結料面頂吹天然氣工業化試驗，并綜合分析了天然氣噴吹量對燒結負壓、轉鼓強度、w( FeO) 、低溫還原粉化率、內返率以及礦相結構的影響。結果表明: 當天然氣噴吹量從 0 m³ /h 逐步升高到 600 m³ /h 時，固體燃料消耗逐步降低，最低較基準降低了 3. 77 kg /t，固體燃料降幅達到 7. 0% ，貢獻燒結工序 CO2 減排 9. 19 kg /t; 在中天當前燒結原料和工藝條件下最佳的天然氣噴吹量為 300 m³ /h 水平。下一步需要進一步完善天然氣噴吹裝置和提升氣固燃料耦合燃燒度，以取得更大的燒結減碳效果。

關鍵詞: 燒結; 降耗; 減碳; 厚料層; 天然氣; 噴吹; 強度

隨著當前世界范圍內對 “碳達峰，碳綜合” 理念認知的提升，鋼鐵生產全流程綠色化、高效化、節能化被推上了新的高度，鐵礦燒結作為鋼鐵生產的第一道原料加工工序，主要采用焦煤等化石原料作為能源介質，介質燃燒產生的碳排放量占鋼鐵生產工序總碳排放量的 15%以上^［1］，同時燒結生產在鋼鐵工業生產中能耗占比也較高，達到 10% 以上^［2］。

針對通過降低燒結過程焦煤配比達到降低燒結固體燃料消耗，從而達到減少燒結過程總碳排放的目標，前人開展了不少的生產研究，從控制燒結生產過程探究了合適的生產工藝參數對煙氣 CO 排放的綜合影響^［3］，從改善燒結原燃料結構、提升混合料溫、熱風燒結、漏風治理、控制燃料破碎粒度、厚料層燒結工藝制度等方面探究了如何降低燒結固體燃料的消耗，取得了一定效果^{［4 － 5］}，但是常規工藝的實施對降低燒結固體燃料消耗已達到了瓶頸。葉恒棣等^［6］通過燒結杯試驗探究出了用氫系氣體介質天然氣部分替代焦煤等化石能源進行燒結熱量供應可行性方案，在其燒結杯試驗數據下，當天然氣噴吹濃度達到 0. 8% 、噴吹持續時間為 8 min、噴吹高度為 300 mm、采用梯級噴加制度時，在保持同等成品率、轉鼓強度等質量指標的同時，工序配碳量最高可降低約 11% 。該試驗結果也為其工業化應用提供了可靠依據。

燒結料面天然氣噴吹工業化裝置于 2020 年5 月在中天鋼鐵 550 m² 燒結機上投用實施，投用以來發現隨著天然氣噴吹流量和固體燃料配比的氣固替代比增大，燒結終點溫度出現先升高后降低的變化趨勢，燒結負壓呈現逐步增加的趨勢; 燒結礦 FeO 質量分數降低，轉鼓強度呈現波動變化，低溫還原粉化性能 RDI _{+ 3. 15} mm呈現先升高后降低趨勢^{［7 － 8］}。針對當前 930 mm 超厚料層條件，本文進一步開展了不同天然氣噴吹流量對燒結各項技術指標的影響研究，探究了天然氣噴吹流量對燒結固體燃料消耗、總碳排放的影響，同時分析了天然氣噴吹流量對燒結技術指標和礦相結構的影響，最終結合燒結礦質量指標給出了當前條件下的最佳天然氣噴吹制度。

1 試驗方法

1. 1 試驗條件

中天鋼鐵 550 m² 燒結機生產所用鐵料以褐鐵礦和赤鐵礦為主，現場試驗條件: 燒結料層厚度為 930 mm( 燒結機臺車欄板高度為 750 mm) ，混合料水分為( 7. 2 ± 0. 2) %，燒結抽風負壓為 ( －14. 5 ± 1. 5) kPa，點火溫度為( 1 050 ± 50) ℃，燒結終點溫度在 420 ℃ 以上，廢氣溫度為( 140 ± 10 ) ℃，燒 結 機 速 為 ( 2. 35 ± 0. 05 )m /min，固體燃料粒度組成中大于 5 mm 占比為8%～ 10% 、小于 3 mm 占比為 70%～ 75% ，固體燃料配比基準值為 4. 3% ，固體燃料固定碳質量分數大于 72% ，天然氣噴吹設計流量量程為( 0 ～ 600) m³ /h。

1. 2 試驗方案

取燒結連續穩定生產對應的混勻料堆標注為 1# ～ 10# 堆，對比不同天然氣噴吹流量下燒結過程和主要工藝參數的變化。以噴吹天然氣后帶來固體燃耗降低的收益與增加的天然氣成本的差值進行效益分析。通過綜合分析不同天然氣噴吹流量下燒結過程主要工藝指標和效益的變化，來確定超厚料層燒結頂吹天然氣工業化應用的最佳噴吹制度。不同混勻料堆下燒結工藝參數與天然氣噴吹流量數據關系如表 1 所示。

分析 表 1 可 知，在燒結料層厚度為 930mm，在褐鐵礦和赤鐵礦之比為 1. 25 ～ 1. 88 的原料條件下，當天然氣噴吹流量變化為( 0 ～600) m³ /h 時，對應燒結終點平均溫度為 429. 3℃，廢氣平均溫度為 139. 2 ℃，平均抽風負壓為 － 14. 51 kPa，平均燒結機速為 2. 348 m /min。以上燒結工藝指標均在工業化生產指標控制范圍內。

2 結果與分析

2. 1 噴吹天然氣對燒結固體燃料消耗的影響

不同料堆固體燃料消耗與天然氣噴吹流量關系如表 2 所示。天然氣噴吹流量按燒結礦產量折算處理。

由表 2 可知，隨著天然氣噴吹流量以 50m³ /h 逐級增加，厚料層燒結過程上部熱量得到迅速補充，燒結固體燃料消耗以約 0. 5 kg /t 逐級降低，燒結上料量呈現先升高后降低的變化趨勢，燒結負壓整體呈現出持續升高的趨勢。當天然氣噴吹流量達到 400 m³ /h 以上時，固體燃料消耗降低速度減小到 0. 25 kg /t，燒結過程抽風負壓出現了明顯上升，由 － 14. 6 kPa 提高到－ 15. 8 kPa。分析認為，在一定條件下當燒結料面噴吹天然氣過多后，燃氣和固體燃料兩種燃料燃燒出現的兩個燃燒帶可能出現不匹配，因而造成高溫帶透氣性變差，燒結負壓有所升高，對燒結過程帶來一定負面影響^［9］。

2. 2 噴吹天然氣對減少 CO₂ 排放的影響

考慮到天然氣噴吹降低固體燃料消耗帶來的 CO₂ 減少量和天然氣中主要烴類燃燒生成CO₂ 之間的關系［如式( 1) ～ ( 3) ］，本文對燒結 料面噴吹天然氣減少 CO₂ 排放量進行了綜合分析，數據如表 3 所示。其中，所用天然氣氣質分析成分檢測中 CH₄ 摩爾分數占比為 95. 60% ，C₂H₆ 摩爾分數占比為 3. 00% ，其他烴類摩爾分數占比小于 0. 1% ，CH₄ 密度為 0. 7174 kg /m³ ，C2H6 密度為 0. 45 kg /m³ ，天然氣噴吹流量按燒結礦產量折算處理。

固體燃料反應產生 CO2 :

C + O₂→CO₂                       (1)

天然氣中主要烴類物質燃燒產生 CO2 :

CH₄ + 2O₂→CO2 + 2H₂O            (2)

2C₂H₆ + 7O₂→4CO₂ + 6H₂O          (3)

由表 3 可知，隨著天然氣噴吹流量的增加，固體燃料替代量也呈現升高趨勢，整 體 燒 結CO₂ 減排量也逐步升高; 當噴吹流量達到 0. 66m³ /t 時，燒結固體燃料消耗降低 3. 77 kg /t，燒結 CO₂ 排放量降低 9. 19 kg /t; 當噴吹流量繼續升高到 0. 79 m³ /t 時，燒結固體燃料消耗和 CO₂ 排放均不再降低。雖然天然氣燃燒過程會產生CO₂，但相對于天然氣噴吹后固體燃料消耗降低減少的 CO₂ 量要小。

2. 3 料面噴吹天然氣對燒結礦轉鼓和內返率的影響

不同料堆燒結礦轉鼓強度、內返礦率、低溫還原粉化( RDI _{+ 3. 15} mm ) 的變化與天然氣噴吹流量間的關系如表 4 所示。

由表 4 可知，隨著天然氣噴吹流量增加，燒結轉鼓強度出現了先增加后降低的變化趨勢。當天然氣噴吹流量為 300 m³ /h 時，達到最大值，為 78. 46% ，相 比 1# 基 準 提 升 了 0. 14% ; 當噴吹流量在 350 m³ /h 以上時，呈現降低趨勢; 在噴吹流量為 500 m³ /h 及以上時，降低明顯，最低值為 78. 12% 。內返率總體呈現先降低后增加的趨勢: 當噴吹流量為300 ～ 350 m³ / h時，達到最小值，為 14. 72% ，相比于 1# 基準降低了 0. 18% ; 當噴吹流量在 400 m³ /h 以上時，呈現明顯增加趨勢，最高達到 14. 98% 。燒結礦低溫還原粉化 ＲDI _{+ 3. 15} mm呈現先波動上升后降低的趨勢，當噴吹流量在 300 m³ /h 時，達到最大，為 74. 68% ，相比 1# 基準提升了 1. 02% 。

燒結礦 FeO 呈現逐漸降低的趨勢，當噴吹流量為 350 m³ /h 及以上時，呈現明顯降低趨勢，當噴吹流量在 600 m³ /h 時，達到最低 7. 88% 。分析認為，隨著天然氣噴吹流量的增加，固體燃料配比減少，起還原作用的 C 減少，燒結還原氣氛減弱，Fe ^{3 +} 被還原成 Fe ^{2 +} 過程減弱，導致燒結礦 w( FeO) 降低。因此，雖然天然氣頂吹料面可在一定程度彌補厚料層燒結熱量偏析( 即上部熱量不足) 的現象，可以提升表層燒結礦的強度，減少表層返礦量，但是當噴吹流量過多后，燃氣和固體燃料兩種燃料燃燒的兩個燃燒帶可能出現不匹配，造成高溫帶透氣性變差，燒結負壓有所升高，對燒結過程帶來一定負面影響。因而整體轉鼓強度開始降低，內返礦率也升高^［10］。

2. 4 噴吹天然氣對燒結礦礦相組成的影響

在相同工藝條件下，為了探究噴吹天然氣流量對燒結礦相的影響，本文分別取噴吹流量為 200、300、400、500 m³ /h 的燒結礦樣進行礦相結構分析，結果如圖 1 與表 5 所示。

由圖 1 和表 5 可知，礦物組成主要由鐵酸鈣、磁鐵礦、赤鐵礦、硅酸鹽相和孔洞組成。 隨著天然氣噴吹流量由 200 m³ /h 逐漸增加至400 m³ /h，赤鐵礦占比明顯下降，磁鐵礦占比也有一定程度減少，分別由 17. 9% 和 5. 5% 降低到 4. 0% 和 2. 2% ; 鐵酸鈣占比隨著天然氣噴吹流量的增加，呈現先增加后降低的趨勢，并在 噴 吹 流 量 為 300 m³ /h 時 達 到 最 高， 為56. 3% 。分析認為，這可能是由于隨著表層天然氣噴吹流量的增加和固體燃料的下降，整個燒結上下部的溫度場分布更合理，斑狀 － 粒狀結構的赤鐵礦礦物結構逐漸向針狀的鐵酸鈣礦物結構轉變。硅酸鹽相主要鑲嵌分布在磁鐵礦之間，隨著天然氣噴吹流量的增加，呈現先降低后增加趨勢，并在噴吹流量為 300 m³ /h 時達到最低，為 7. 6% ; 隨著天然氣噴吹流量的增加，孔洞數量穩定，在噴吹流量達到 500 m³ /h 時孔洞有所減少。

3 結 論

(1) 在中天燒結當前條件下，930 mm 厚料層燒結兼顧改善燒結礦質量的天然氣噴吹流量宜穩定在 300 m³ /h 水平，此時固體燃料消耗可減少 2. 52 kg /t，減少煙氣 CO₂ 排放量為 5. 93kg /t，燒結礦轉鼓強度提升 0. 14% ，低溫還原粉化 ＲDI _{+ 3. 15} mm 提升 1. 02% ，燒結內返礦率降低 0. 18% ，燒結礦鐵酸鈣、赤鐵礦占比最高達到 56. 3% ，硅酸鹽占比最低為 7. 6% 。

(2) 燒結噴吹天然氣工藝可有效降低固體燃料消耗，減少燒結 CO₂ 排放總量，當天然氣噴吹流量為 500 m³ /h 時，固體燃料消耗降低3. 77 kg /t，煙氣 CO₂ 排放量減少 9. 19 kg /t。

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