羅云飛1， 楊 濤1， 周江虹2， 春鐵軍1， 裴元東3， 龍紅明1
（1.安徽工業大學冶金工程學院，安徽 馬鞍山243032；
2．馬鞍山鋼鐵股份有限公司制造部，安徽 馬鞍山243002；
3．中天鋼鐵集團有限公司鐵前管理中心，江蘇 常州 213000）
摘 要：隨著鋼鐵行業燒結煙氣污染物超低排放標準的持續收緊，燒結料面噴吹技術以其節能減排提質的潛在優勢成為新的研究熱點，被廣泛認為是當前具有一定綜合減排效果的燒結過程控制技術。為探究料面噴吹蒸汽的最優工藝制度，查明蒸汽噴吹影響燒結過程的作用機理，以期實現其工業化應用，采用某鋼鐵廠的燒結原料，研究了蒸汽噴吹總量、噴吹流量及開始噴吹時刻對燒結礦產質量指標及CO排放的影響。結果表明，在50kg級燒結杯原料條件下，料面噴吹蒸汽最佳試驗條件應為燒結點火8min后連續噴15min，噴吹流量為0.02m3／min，噴吹總量為180g；此時，較基準相比，垂直燒結速度和利用系數稍有降低，成品率和轉鼓強度分別提高0.60％和0.94％，固體能耗降低1.15kg／t，達到最優值，燒結煙氣CO濃度降低10.94％；表明噴吹蒸汽的進入使得被其他混勻礦包裹燃料中的碳元素充分反應，發揮高溫反應的效果顯著，進而提高成品率和轉鼓強度；同時適宜蒸汽的加入參與到燒結高溫帶反應，有利于 H2O 與C和 O2 反應，將還原性氣氛的CO轉化為CO2，進而降低CO排放和燒結固體能耗。綜合來看，在合理的噴吹制度下，料面噴吹蒸汽可起到燒結過程CO減排和改善燒結礦產質量指標的雙重效果。
關鍵詞：噴吹蒸汽；燒結；CO排放；質量指標；噴吹制度
2020年中國鋼產量13.25億t，占世界鋼產量的53.31％［1］。作為國民經濟的支柱產業，鋼鐵工業能源消耗量約占全國能耗的15％～20％［2－9］。鐵礦燒結工序是鋼鐵聯合企業中重要的組成部分，為高爐提供優質煉鐵原料的同時也具有高能耗、高污染、余熱利用率低等特點［10－13］，燒結能耗約占流程總能耗的12％［14－16］。節能、減排和提質是鐵礦燒結面臨的3大重任［17］，近些年來，圍繞燒結節能減排和提質要求，在傳統方法上衍生了諸多新的技術，諸如煙氣多污染物集并吸附脫除技術、煙氣／熱廢氣循環、燒結料面燃氣噴吹、燒結料面蒸汽噴吹等新技術［18－21］，其中燒結料面噴吹蒸汽技術以其高燃料燃燒效率、低污染物排放等顯著優勢受到廣泛關注與認可。
近幾年，國內外報道了在燒結料面噴吹蒸汽及其他含氫介質對燒結節能和質量影響的研究，日本JFE公司通過噴吹液化氣技術改善了燒結礦質量指標，重點改善了表層燒結礦強度和底層燒結礦還原性［22］；同樣噴吹含氫介質，梅鋼燒結噴吹焦爐煤氣也在一定程度上改善了燒結礦質量和還原性［23－24］；日本新日鐵鋼鐵公司最早開展向燒結料面噴吹蒸汽的研究，利用水蒸氣促進燃料的燃燒，降低燒結所需焦炭用量，減少碳排放及降低抽風機電動機的電力消耗［25］；印度ＢＳＰ公司以及中國沙鋼、安鋼、首鋼京唐先后開展了料面噴吹蒸汽的工業試驗和生產實踐［26］，2016年首鋼京唐應用蒸汽噴吹，固體燃耗降低1.64kg／t，并具有抑制二 英生成的效果，有利于燒結節能降耗［27］；文獻［28］研究了H2O（g）對燒結過程的影響，發現其在適宜的體積分數和噴灑區間時有利于燃燒，進而降低煙氣中 CO的排放濃度，提高固體燃料燃燒效率。上述學者針對燒結料面噴吹蒸汽對燒結節能和質量影響進行了研究，但目前對燒結料面噴吹蒸汽的流量、噴吹總量及開始噴吹時刻等具體工藝鮮有報道。
本文根據燒結工藝條件，采用某鋼鐵廠燒結現場的燒結原料，通過燒結杯試驗研究了噴吹總量、噴吹流量及噴吹時刻等因素對燒結礦產質量指標及CO排放的影響，選取了實驗室條件下燒結料面噴吹蒸汽的最優工藝條件，為后續料面噴吹蒸汽的工業化應用提供了理論依據和參考。
1 原料性能及研究方法
1.1 試驗原料
本研究以國內某鋼鐵公司實際燒結生產中使用的燒結原料，包括：鐵礦粉、燃料、返礦、熔劑等，其化學成分及配比見表１。
1.2 試驗方法
試驗采用直徑為200mm，高度為800mm 的燒結杯，點火負壓為7kPa，點火溫度為（1150±50）℃，點火時間為 90s并保溫30s，燒結負壓為 14kPa。燒結平臺及蒸汽噴吹系統示意圖如圖1所示，試驗過程中，采用 TitaDryfasteco抗化學腐蝕隔膜泵（上海泰坦科技股份有限公司）從煙氣管道中抽取燒結煙氣進行采樣，后端采用 MRU煙氣分析儀（德國 MRU 公司）對燒結煙氣污染物檢測。
噴吹蒸汽主要用于降低煙氣CO排放，通過對該鋼鐵廠燒結機風箱煙氣成分進行檢測，從3號風箱開始，一直到12號風箱結束，CO排放濃度均在12000mg／m3 左右，特別是11號風箱CO濃度高達18000mg／m3以上。高CO濃度主要集中在4～12號風箱，因此，試驗基準選擇在此區域進行噴吹。 針對燒結杯試驗，燒結時間約為40min，平均每個風箱對應約2min，4～12號風箱對應燒結杯噴吹時間為8～2min。根據文獻［16］，適宜的噴灑強度為0.2～0.8kg／（m2·min），燒結杯直徑為200mm，蒸汽密度為0.6kg／m3，噴吹量為 0.01～0.04 m3／min。 通過采用該鋼鐵廠燒結現場的燒結原料，探究噴吹總量、噴吹流量、噴吹時刻及間隔噴吹，考察其對燒結產質量指標、CO排放的影響，具體試驗方案見表2。
對燒結煙氣中CO數據進行積分處理，計算不同試驗條件下燒結過程CO平均排放濃度，再通過燒結煙氣平均流量計算排放總量，計算公式為
T ＝Q×t×C （1）
式中：T為排放總量，103mg；Q為燒結煙氣平均流量，m3／h；t為燒結時間，min；C為平均排放濃度， mg／m3。
2 結果與分析
2.1 蒸汽噴吹總量對燒結過程的影響
2.1.1 蒸汽噴吹總量對燒結礦產質量的影響
在燒結混合料目標水分為7.0 ％條件下，燒結礦質量指標性能見表3。結果表明，蒸汽噴吹總量對燒結礦產質量指標影響較為明顯，噴吹蒸汽后，垂直燒結速度和利用系數均有小幅降低，分析認為水蒸氣的加入發揮了其高溫反應的效果，在一定程度上拓寬了燒結燃燒帶，進而延緩了燒結時間。成品率和轉鼓指數隨著噴吹總量的增加呈現先升高后降低的趨勢，分析認為在合適的范圍內，隨著噴吹蒸汽總量的提高，蒸汽通過部分燃料外層的混勻礦，使得被其他混勻礦包裹的燃料中的碳元素充分反應，其發揮高溫反應的效果顯著，當噴吹總量為180g時，成品率達到最大值 75.36％，但當噴吹蒸汽過量時，蒸汽與燒結礦表層接觸時間過長，導致燒結礦表層質量局部變差，進而形成返礦或粉末，導致成品率和轉鼓指數降低。相較于基準，噴吹蒸汽固體燃耗有所降低，當噴吹總量為180g時，固體燃耗降低 1.15jg／t，這就表明噴吹蒸汽促進水煤氣鏈式反應進行，并提供了部分熱量。
2.1.2 蒸汽噴吹總量對CO排放的影響
不同噴吹總量的條件下，燒結煙氣中CO的排放變化如圖2所示。在燒結杯試驗過程中，在燒結點火階段，由于采用的是液化石油氣點火，導致CO在燒結前3～5 min呈現峰值，隨著燒結過程的進行，CO的排放較為穩定，波動較小，燒結升溫后，CO排放值迅速降低。在合適的范圍內，隨著噴吹總量的增加，在相對應階段的基準試驗中，CO的排放明顯較低，分析認為，可能是噴吹蒸汽的進入參與了固體燃料碳顆粒的燃燒反應，促進了水煤氣鏈式反應進行，大大加速了CO向CO2的轉化，使得CO的排放降低較為顯著。
分別對不同噴吹總量試驗過程和相對應噴吹時間段基準試驗的CO排放曲線進行積分，進而得到CO的平均濃度，就噴吹120g而言，如圖2所示，該噴吹階段，噴吹蒸汽的加入使得CO排放有小幅降低，從積分結果來看，在對應基準試驗的10min內， CO平均濃度為16167.27mg／m3，噴吹120g時其濃度為15194.76mg／m3，CO濃度降低7.23％；就噴吹180g而言，相較于對應基準試驗的 15min內，CO濃度降低10.91％，結合CO排放趨勢分析，噴吹蒸汽的加入使得CO整體排放趨勢低于對應基準試驗，同時延緩了CO排放第二個峰值的時刻，分析認為，蒸汽的加入參與燒結高溫帶的反應，同時與部分反應不徹底的燃料接觸，延長其高溫帶的存在時間，由于高溫帶以還原性氣氛為主，噴吹蒸汽的加入有利于H2O 與 C 和 O2 反應，將還原性氣氛的CO轉化為CO2，進而降低CO排放。當噴吹240g時，在對應的基準試驗的20min內，CO濃度降低6.72％。
2.2 蒸汽噴吹流量對燒結過程的影響
2.2.1 蒸汽噴吹流量對燒結礦產質量的影響
在燒結混合料水分為7.0％條件下，不同噴吹流量條件下料面噴吹蒸汽燒結杯試驗中燒結礦質量指標性能見表4。結果表明，噴吹流量對燒結礦質量影響較為明顯，垂直燒結速度和利用系數均有不同程度的降低，分析認為，蒸汽的加入發揮了其高溫反應的效果，延長了高溫帶的持續時間，進而延長燒結時間。當噴吹流量為0.01m3／min時，較基準而言，成品率有小幅降低，分析認為，噴吹流量過小，噴吹蒸汽在未到達高溫帶之前在冷燒結礦凝結成水珠，因此并未發揮其蒸汽作用，同時在抽風作用下自上而下運動，接觸到熱燒結礦時發生吸熱反應，使得部分燒結礦放散無效熱量，導致燒結成品率降低。當流量為0.02m3／min時，此時噴吹蒸汽促進水煤氣鏈式反應進行，提供了部分熱量用于高溫液相燒結礦的黏結，成品率達到最大值75.36％，轉鼓指數也達到最大值，同時固體燃耗降低1.15kg／t。當噴吹流量為0.04m3／min時，噴吹流量過大，噴吹蒸汽對表層燒結礦有沖散作用，使得燒結礦表層質量局部變差，進而形成返礦或粉末，最終導致成品率和轉鼓指數降低。
2.2.2 蒸汽噴吹流量對CO排放的影響
分別對不同噴吹流量試驗過程和基準試驗的CO排放曲線進行積分，進而得到CO平均濃度，如圖3所示。總體而言，噴吹不同流量蒸汽對CO均有不同程度減排效果，噴吹流量為0.01m3／min時，CO濃度降低4.45％，分析認為是噴吹流量過小，部分噴吹蒸汽在未到達高溫帶之前在冷燒結礦凝結成水珠，僅有少量蒸汽參與H2O 與 C和 O2反 應，CO到 CO2的轉化效率有限。噴吹流量為0.02m3／min時，CO濃度降低10.91％，表明此時噴吹蒸汽的加入參與燒結高溫帶的反應，有利于H2O與C 和O2 反應，將還原性氣氛的CO 轉化為CO2，進而降低CO排放。噴吹流量為0.04m3／min時，其流量過大，不利于燒結礦質量。但由于 較大的蒸汽流量為H2O與C和 O2 反應提供了足夠的H2O源，將高溫帶大量的CO轉化為 CO2，同時較大的 蒸汽流量為被其他混勻礦包裹的燃料開辟了反應 “通道”，直至燒結原料 中碳被全部消耗，CO濃度降低28.65％。
2.3 蒸汽噴吹時刻對燒結過程的影響
2.3.1 蒸汽噴吹時刻對燒結礦產質量的影響
在燒結混合料水分為7.0％條件下，進行了蒸汽不同開始噴吹時刻燒結杯試驗 （表5）。結果表明，隨著蒸汽噴吹位置（開始噴吹時刻）的逐步靠后，燒結礦質量指標呈現先升高后降低的趨勢，噴吹位置對燒結礦質量影響較為明顯，若噴吹位置過前，在高溫帶并未形成或剛形成時，初始較薄的高溫帶易被噴吹蒸汽冷凝的急冷作用和水蒸氣與碳的吸熱反應所影響甚至可能被熄滅，不利于后續反應，進而導致燒結礦質量指標下降。若噴吹位置過晚，由于高溫帶形成穩定并下移到料層較低的位置，此時噴吹蒸汽使得部分蒸汽在料層內停留時間和路徑過長，較晚時間才能接觸到高溫帶并發揮其作用，則對料層中上部的燒結礦質量基本沒有好的效果。同時部分蒸汽遇到上部冷燒結礦而冷凝成水，而后在抽風作用下碰到熱燒結礦才又吸熱成水蒸氣，耗散部分燒結成礦液相黏結所用能量，不利于燒結礦質量，從而影響到噴吹的效果。因此，適宜的開始噴吹時刻為點火后8min，此時成品率和轉鼓指數最優，同時較基準而言，固體燃耗降低1.15kg／t。
3 結論
（1）燒結料面噴吹蒸汽對燒結礦成品率和轉鼓指數提升較明顯，同時顯著降低固體能耗，但不利于燒結垂直速度和利用系數；燒結料面噴吹蒸汽對降低CO排放效果較為顯著，燒結杯試驗條件下，適宜的噴吹工藝可使CO濃度降低10％以上。
（2）綜合來看，料面噴吹蒸汽最佳試驗條件應為點火8min后連續噴15min，噴吹流量為0.02m3／min，噴吹總量為180g，較基準相比，成品率和轉鼓強度提高0.60％和1.94％，固體能耗降低1.15kg／t，達到最優值；此時煙氣CO濃度降低10.91％。表明燒結料面噴吹適宜的蒸汽可起到CO減排和改善燒結礦質量的綜合效果。
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