鐘強(qiáng), 高梓朔, 姜文政, 項(xiàng)思敏, 姜濤

 (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)以細(xì)粒鐵精礦為主的厚料層燒結(jié)，采用燃料分加強(qiáng)化技術(shù)，研究了二次焦粉比例、焦粉-0.5mm粒級(jí)含量等對(duì)細(xì)粒鐵精礦燒結(jié)礦產(chǎn)、質(zhì)量的影響，探明燒結(jié)產(chǎn)品礦物組成和顯微結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明：燒結(jié)所用焦粉-0.5mm粒級(jí)達(dá)51.85%，粒度偏細(xì)；基于制粒水分8.0%、焦粉配比5.3%的優(yōu)化條件下，通過(guò)適宜的焦粉分加，提高了燒結(jié)礦產(chǎn)、質(zhì)量指標(biāo)，當(dāng)二次焦粉比例為50%時(shí)，燒結(jié)礦成品率、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、利用系數(shù)提升了1.68%、1.16%、3.64%，固體燃耗降低了1.42%；適宜的焦粉分加改善了燒結(jié)礦微觀結(jié)構(gòu)，提高了結(jié)晶良好的針、條狀鐵酸鈣含量；每噸燒結(jié)礦減少2.5 kg的CO排放。

關(guān)鍵詞：鐵精礦燒結(jié)；燃料分加；燒結(jié)指標(biāo)；鐵酸鈣

目前，我國(guó)燒結(jié)礦生產(chǎn)規(guī)模高達(dá)10億噸/年，燒結(jié)礦在高爐含鐵爐料中比例達(dá)80%左右，因此鐵礦燒結(jié)承擔(dān)著為鋼鐵冶煉提供優(yōu)質(zhì)爐料的重要任務(wù)。燒結(jié)技術(shù)推陳出新帶動(dòng)燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量提高、固體燃耗降低和污染物排放減少，對(duì)鋼鐵行業(yè)低碳綠色轉(zhuǎn)型具有重要的現(xiàn)實(shí)意義^[1-4]。

燃料分加技術(shù)是一種將部分燃料在二混過(guò)程中加入的技術(shù)，使得部分燃料粘附在制粒小球的表面，改善燒結(jié)混合料中燃料的燃燒活性^[5-6]。通過(guò)燃料分加技術(shù)，可有效從動(dòng)力學(xué)上改善燒結(jié)料層中燃燒前沿與傳熱前沿的匹配問(wèn)題，保證燒結(jié)料層高溫區(qū)的集中，進(jìn)而提高燒結(jié)速度、成品率和利用系數(shù)，降低燒結(jié)燃耗^[7-8]。已有文獻(xiàn)研究了燃料分加技術(shù)中燃料粒度、熔劑含量、搭配、無(wú)煙煤與焦粉的搭配順序以及焦粉種類對(duì)鐵礦燒結(jié)的影響。固體燃料分加技術(shù)將一部分燃料與混合料混合，另一部分燃料在制粒過(guò)程中加入，使之覆蓋在制粒小球的表面，從而提高燃料燒結(jié)的反應(yīng)活性面。萊鋼等鋼鐵廠有使用該技術(shù)可降低燃料消耗，但應(yīng)用效果有限，且沒(méi)有關(guān)注其對(duì)CO排放的影響 ^[9-12]。

本文通過(guò)優(yōu)化焦粉配比、焦粉分加比例以及-0.5mm細(xì)粒級(jí)含量，系統(tǒng)研究了燃料分加技術(shù)對(duì)燒結(jié)指標(biāo)及其微觀結(jié)構(gòu)、礦物組成的影響，以及燃料分加對(duì)燒結(jié)煙氣CO排放的影響行為。

1 試驗(yàn)原料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

鐵精礦燒結(jié)試驗(yàn)所用含鐵原料包括三種精礦（精礦A、B和C）和粉礦，配比為精礦A：精礦B：精礦C：粉礦=37.5%：12.5%：37.5%：12.5%，熔劑包括白云石、石灰石和生石灰，其主要化學(xué)成分和粒度組成分別如表1和表2所示。

表1 含鐵原料及熔劑的化學(xué)成分 /％

由表1和表2可知，磁鐵精礦與赤鐵粉礦的TFe品位均高于64%，精礦B的SiO2含量較高。三種精礦的粒度過(guò)細(xì)，無(wú)核顆粒導(dǎo)致制粒性能差，特別是精礦A與精礦C的-0.074mm含量高達(dá)97.79％與95.00%，而粉礦的粒度分布較均勻。因此，適當(dāng)增加部分粉礦提供制粒核心，從而改善制粒效果。石灰石和生石灰中的氧化鈣含量符合燒結(jié)要求，白云石和石灰石的粒度分布均勻，0.5~3mm粒級(jí)的比例分別為40.4%和33.5%，為精礦制粒提供部分核顆粒。

表2 含鐵原料及熔劑的粒度組成 /％

燒結(jié)試驗(yàn)所用燃料為焦粉，其灰分的化學(xué)成分和粒度組成見(jiàn)表3和表4?？芍?，焦粉灰分的氧化硅和氧化鋁含量較高，焦粉-3mm粒級(jí)的含量達(dá)到92.63%，但-0.5mm粒級(jí)的含量達(dá)51.85%，焦粉中細(xì)粒級(jí)含量偏高。

表3 焦粉灰分的化學(xué)成分 /％

表4 焦粉的粒度組成 /％

1.2 試驗(yàn)方法

常規(guī)燒結(jié)與燃料分加燒結(jié)試驗(yàn)工藝流程圖如圖1所示，常規(guī)燒結(jié)中焦粉一次性由人工混勻再制粒，而燃料分加燒結(jié)中一部分焦粉由人工完成一次混勻，剩余焦粉在圓筒混合機(jī)中完成二次混勻與制粒，制粒時(shí)間均為5min。制粒后燒結(jié)混合料的燒結(jié)操作參數(shù)如表5所示。燒結(jié)指標(biāo)包括燒結(jié)速度、成品率、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、利用系數(shù)、固體燃耗，計(jì)算方法見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)^[13]。燒結(jié)礦的礦相結(jié)構(gòu)借助Leica DMI4500P型光學(xué)顯微鏡，進(jìn)行礦相鑒定和顯微結(jié)構(gòu)分析。

表5 燒結(jié)操作參數(shù)

圖1 燃料分加燒結(jié)試驗(yàn)流程示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)燒結(jié)工藝參數(shù)優(yōu)化

開(kāi)展細(xì)粒鐵精礦的常規(guī)燒結(jié)試驗(yàn)，分別研究了制粒水分和焦粉配比對(duì)燒結(jié)指標(biāo)的影響，結(jié)果如圖2所示。

（a）焦粉配比5.5%；（b）混合料水分含量8.0%左右

圖2 混合料水分和焦粉配比對(duì)燒結(jié)指標(biāo)的影響

由圖2可知，隨著制粒水分的增加，因細(xì)精礦混合料的制粒效果改善，使得燒結(jié)速度顯著提升，同時(shí)適宜的水分強(qiáng)化了燒結(jié)過(guò)程的氣-固傳熱效率，使得燒結(jié)礦的成品率、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、利用系數(shù)都明顯提升，反之，固體燃耗逐步減低，因此適宜的制粒水分為8.0%。

基于適宜的制粒水分，繼續(xù)提高焦粉配比，所有燒結(jié)指標(biāo)有所惡化，反而焦粉配比降低至5.3%，燒結(jié)礦的成品率與利用系數(shù)提升，固體燃耗處于最低值。因此，適宜的焦粉配比為5.3%。

2.2 燃料分加強(qiáng)化細(xì)粒鐵精礦燒結(jié)

基于焦粉配比5.3%，保持焦粉原始粒度不變，采用燃料分加技術(shù)強(qiáng)化細(xì)粒精礦燒結(jié)，提升燒結(jié)產(chǎn)、質(zhì)量。將一次焦粉與二次焦粉的比例由100%:0%調(diào)整至0%:100%，考察其對(duì)燒結(jié)指標(biāo)的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 燃料外配對(duì)燒結(jié)指標(biāo)的影響

由圖3可知，隨著二次焦粉比例由0%提升至50%，進(jìn)一步提升了燒結(jié)礦的產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)，成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度分別提升，固體燃燒明顯降低。然而，隨著二次焦粉比例繼續(xù)增大，燒結(jié)指標(biāo)呈山體滑坡式下降，是因外配焦粉比例過(guò)高，焦粉全都裹附于制粒小球表面，在燒結(jié)過(guò)程中焦粉與氣流中氧氣充分接觸，燃燒速率過(guò)快，從而導(dǎo)致傳熱前沿與燃燒前沿差距增大，導(dǎo)致料層最高溫度較低，影響燒結(jié)成礦。因此，適宜的一次焦粉與二次焦粉比例控制在50%:50%以內(nèi)。

因焦粉中-0.5mm粒級(jí)含量高達(dá)51.85%，考慮到焦粉外配時(shí)，細(xì)粒級(jí)焦粉相對(duì)于粗粒級(jí)更易被氣流帶走，更易燃燒，從而對(duì)燃料分加燒結(jié)產(chǎn)生不利影響。因此，在燃料內(nèi)外配比為50%：50%的前提下，降低-0.5mm粒級(jí)含量并以+0.5mm粒級(jí)補(bǔ)充，考察其對(duì)燒結(jié)指標(biāo)的影響，結(jié)果如圖4所示。

 圖4 -0.5mm粒級(jí)含量對(duì)燒結(jié)指標(biāo)的影響

由圖4可知，隨著焦粉中-0.5mm粒級(jí)含量的提高，燒結(jié)速度在30%時(shí)達(dá)到最高值，燒結(jié)礦成品率和利用系數(shù)在40%時(shí)最高，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度在50%時(shí)最高，固體燃耗在50%時(shí)最低?？傮w而言，全部燒結(jié)指標(biāo)隨-0.5mm粒級(jí)含量提升有所改善，適宜的-0.5mm粒級(jí)含量為40%~50%，其原因是基于燃料分加，降低-0.5mm粒級(jí)含量使得二次焦粉中粗顆粒增多，其在混合料中主要以單一焦粉形式存在，在燒結(jié)中獨(dú)自燃燒，釋放的化學(xué)熱與氣流發(fā)生對(duì)流傳熱并隨煙氣向下傳遞，而輻射給附近鐵礦顆粒的熱量減少，導(dǎo)致燃燒帶熱量減少，溫度降低，不利于局部混合料的燒結(jié)成礦。  

2.3 燒結(jié)礦化學(xué)成分及礦物組成

為進(jìn)一步考察燃料分加技術(shù)對(duì)燒結(jié)的積極作用，選取3種優(yōu)化條件下的燒結(jié)礦樣品，對(duì)比分析主要化學(xué)成分、礦物組成及微觀結(jié)構(gòu)的變化。3種條件分別為：條件1為常規(guī)燒結(jié)，條件2為一次焦粉：二次焦粉=50：50，焦粉-0.5mm含量50%，條件3為一次焦粉：二次焦粉=50：50，焦粉-0.5mm含量30%三種燒結(jié)礦的主要化學(xué)成分結(jié)果如表6所示。

表6 不同燒結(jié)礦的主要化學(xué)成分

由表6可知，因燒結(jié)混合料配礦方案相同，3種燒結(jié)礦的主要化學(xué)組成基本相同，其中，焦粉-0.5mm含量為30%時(shí)，燒結(jié)礦的FeO含量略有提高，是因?yàn)槿剂洗诸w粒含量提高，在局部出現(xiàn)了弱還原性氣氛，阻礙了FeO的充分氧化。三種燒結(jié)礦的鐵氧化物、鐵酸鈣粘結(jié)相及孔隙結(jié)構(gòu)如圖5所示?；诙帱c(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)照片，以色差統(tǒng)計(jì)分析燒結(jié)礦主要礦物的含量，如圖6所示。

由圖5可知，由于在常規(guī)燒結(jié)中焦粉被細(xì)粒鐵精礦裹附，其燃燒釋熱產(chǎn)生高溫狀態(tài)，樣品1^#存在更多不規(guī)則、熔蝕狀鐵酸鈣包裹磁鐵礦，并與少量針狀鐵酸鈣互聯(lián)。適宜的燃料分加改善了料層熱狀態(tài)，利于燒結(jié)成礦，使得樣品2^#出現(xiàn)結(jié)晶形態(tài)良好的針、條狀鐵酸鈣，與磁鐵礦相互交織，同時(shí)孔隙中嵌布著少量的硅酸鹽液相，提高了燒結(jié)礦的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。樣品3^#的微觀構(gòu)造變差，以細(xì)小針狀鐵酸鈣連接磁鐵礦、次生赤鐵礦，孔隙較多。

由圖6可知，主要礦物均為鐵酸鈣、赤鐵礦、磁鐵礦、硅酸鹽和玻璃相，與普通燒結(jié)礦比較，采用燃料分加獲得燒結(jié)礦的鐵酸鈣含量增加，赤鐵礦、磁鐵礦和硅酸鹽的總含量有減少。

（a）樣品1^#；（b）樣品3^#；（c）樣品2^#；（d）樣品3^#

圖5 燒結(jié)礦的微觀結(jié)構(gòu)

圖6 燒結(jié)礦的礦物組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

2.4 燒結(jié)煙氣CO的排放行為

為進(jìn)一步考察燃料分加技術(shù)對(duì)燒結(jié)煙氣CO的減排作用，對(duì)比研究了條件1（常規(guī)燒結(jié)）和條件2（一次焦粉：二次焦粉=50：50，焦粉-0.5mm含量50%）的燒結(jié)煙氣CO_x排放行為，其結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

由圖7可知，常規(guī)燒結(jié)過(guò)程和燃料分加燒結(jié)過(guò)程的CO₂和CO煙氣排放規(guī)律基本一致。在燒結(jié)點(diǎn)火階段，CO₂和CO大量排放，點(diǎn)火結(jié)束后CO₂和CO排放趨于平緩。另外，燒結(jié)過(guò)程中CO₂排放量遠(yuǎn)大于CO排放量。燒結(jié)煙氣CO₂主要為燃料燃燒和石灰石等物質(zhì)分解反應(yīng)產(chǎn)生的，CO主要為局部區(qū)域燃料不充分燃燒產(chǎn)生的。根據(jù)圖8計(jì)算的CO排放量，常規(guī)燒結(jié)過(guò)程和燃料分加燒結(jié)過(guò)程每噸燒結(jié)礦CO排放量分別為40.92 kg和38.42 kg，采用燃料分加方式，每生產(chǎn)一噸燒結(jié)礦能減少2.5 kg的CO排放，燒結(jié)煙氣CO減排效益明顯。

圖7 常規(guī)燒結(jié)和燃料分加燒結(jié)過(guò)程的COx排放行為

圖8 燃料分加對(duì)燒結(jié)煙氣CO的減排效應(yīng)

3 結(jié)論

（1）細(xì)粒鐵精礦燒結(jié)所用焦粉-0.5mm粒級(jí)達(dá)51.85%，粒度偏細(xì)。制粒水分8.0%、焦粉配比5.3%的優(yōu)化條件下，燒結(jié)礦的成品率、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、利用系數(shù)和固體燃耗分別為69.60%、66.03%、1.65 t?(m²?h)^-1和54.95 kg?t^-1；

（2）通過(guò)適宜的燃料分加強(qiáng)化細(xì)粒鐵精礦燒結(jié)，提高燒結(jié)礦產(chǎn)、質(zhì)量指標(biāo)，當(dāng)二次焦粉比例為50%時(shí)，燒結(jié)礦成品率、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、利用系數(shù)分別為70.77%、66.80%、1.71 t?(m²?h)^-1，提升了1.68%、1.16%、3.64%，固體燃耗為54.17 kg?t^-1，降低了1.42%。

（3）相對(duì)細(xì)粒鐵精礦常規(guī)燒結(jié)，采用燃料分加技術(shù)，改善了燒結(jié)礦微觀結(jié)構(gòu)，提高了結(jié)晶良好的針、條狀鐵酸鈣含量，鐵酸鈣與磁鐵礦相互交織，結(jié)構(gòu)致密。采用燃料分加方式，每生產(chǎn)一噸燒結(jié)礦能減少2.5 kg的CO排放，燒結(jié)煙氣CO減排效益明顯。

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