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以及氧氣和空氣的配比, 在實驗室進行了一系列點火燒結試驗研究, 重點考查富氧對燒結點火的影響。研究表明, 富氧燒結點火能夠降低燒結點火能耗和減少CO₂ 的排放量, 同時點火溫度上升, 燒結料層表面固體燃料的利用率提高, 并可獲得良好的燒結礦產量、質量指標。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), 氧氣過剩系數為1.9 的情況下, 燒結點火能耗為30.32MJ · m-2 , 點火煙氣中氧的體積分數為14.28 %, 所獲得的燒結礦成品率和轉鼓強度分別為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提高了5.17%, 燒結礦成品率和轉鼓強度分別提高了10.59 %和1.97 %。

關鍵詞:燒結;富氧點火;氧氣過剩系數;點火強度

燒結礦作為中國高爐煉鐵的主要入爐含鐵原料, 隨著鋼鐵工業的迅猛發展, 最近幾年燒結礦產量也一路飆升(表1)^{[ 1]} 。按照燒結工序能耗為每噸燒結礦60 kg 標煤計算, 2007 年燒結總能耗就超過3 千萬t 標煤, 而燒結點火能耗占整個燒結能耗的5 %～ 10 %, 如果能夠在燒結點火方面進一步降低能耗, 不僅能為國家節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濟和環境保護戰略要求^{[ 2-3]} 。

點火的目的是為固體燃料的強烈燃燒和把表層燒結料加熱至燒結過程所需的溫度創造條件^{[ 3]} 。燒結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的熱量,使得上部很厚一層為生料, 降低了燒結礦的成品率^{[ 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, 提高燒結生產率的同時降低了燃耗^{[ 4-6]} 。梅鋼、長鋼等鋼鐵公司通過生產實踐證明, 富氧燒結點火能夠解決高爐煤氣燃燒不充分, 點火溫度低的問題, 而且能夠提高燒結礦的產量與質量, 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點火的影響, 筆者在實驗室的燒結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, 從而達到富氧燒結點火的目的。

1 　原料性能及研究方法

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

實驗室燒結點火裝置如圖3 所示。為了實現富氧點火, 對燒結點火裝置進行了一些改動, 在點火罩口放蜂窩陶瓷, 并用網板固定, 使得點火溫度更加穩定、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。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, 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, 根據質量和能量守恒定律以及燃燒過程物質的物理化學變化, 在試驗條件的基礎上進行了理論計算。其中天然氣的主要成分(體積分數, %)為:CH₄ 97.04 、C₆H₆0.71 、CO₂ 1.28 、H₂ 0.97 , 天然氣的發熱值為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α和氧氣瓶配入的氧氣占助燃風中總氧的體積分數(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, 在氧氣過剩系數不變的情況下, 增加助燃風中氧氣的配比,可以提升燒結點火的溫度。在空氣作為助燃風進行燒結點火的時候, 一般要求煙氣溫度為(1 100 ±50)℃, 但從圖4 可以查出, 此時氧氣過剩系數小于1.3 , 盡管在較低的氧氣過剩系數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 %, 氧氣過剩系數為1.9 , 燒結點火的溫度可以達到1 186 ℃, 同時煙氣中的氧氣的體積分數提高到14.28 %, 可以實現高溫富氧燒結點火目標。

2.2 　富氧點火對煙氣排放量的影響

在上述燒結點火的試驗條件下, 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, 計算的結果如圖5 所示。從圖5 可以看出, 隨著氧氣過剩系數的提高, 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 , 氧氣過剩系數為1.9 , 煙氣中的氧氣的體積分數提高到14.28 %, 煙氣排放量只有25.14m3 ·h -1 。

2.3 　富氧點火對燒結礦質量的影響

為了驗證富氧點火對燒結礦質量的影響, 通過試驗進行了比較說明, 對應的試驗結果如圖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 , 燒結負壓10 kPa , 改變氧氣過剩系數以及γ值。

從圖6 可以看出, 隨著氧氣過剩系數增大, 在助燃風全為空氣的情況下, 燒結轉鼓強度呈先升后降趨勢, 天然氣流量越大越有助于轉鼓強度的提高;同時可以看出, 當γ提高到50 %時, 燒結轉鼓強度提升幅度很大, 而且隨著氧氣過剩系數的提高而增大。顯然, 在助燃風中配入一定量的氧氣, 可以明顯提高燒結礦的質量, 但要得到滿意的燒結礦質量, 在γ值提高的同時, 增大助燃風的氧氣過剩系數, 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, 燒結礦轉鼓強度為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 %的轉鼓強度。

2.4 　富氧點火對燒結生產率的影響

燒結生產率主要表現在垂直燒結速度和燒結礦的成品率方面, 為了考查富氧點火對燒結生產率的影響, 試驗通過改變氧氣過剩系數以及γ值, 提高煙氣中氧氣的含量, 最后通過燒結利用系數的變化情況來加以說明, 試驗結果如圖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可以提高燒結礦的利用系數,但進一步提高氧氣過剩系數, 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, 以致于燒結礦的利用系數出現先升后降的趨勢。然而把γ提高到50 %, 燒結礦的利用系數則隨著氧氣過剩系數的增大而得到提高, 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, 燒結礦的生產率得到明顯提高。在天然氣流量為3m³ · h-1 , 空氣作為助燃風, α為1.9 時,燒結礦的利用系數為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, 燒結礦的利用系數提高到1.44 t ·m-2 · h -1 。

3 　結論

　　采用富氧進行燒結點火, 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上獲得滿意的燒結礦產量、質量指標。

　　富氧燒結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 , 燒結點火的溫度可以達到1186 ℃, 同時煙氣中氧的體積分數提高到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。

　　富氧燒結點火試驗研究表明, 在空氣作為助燃風進行燒結點火時, 要獲得優良的燒結礦產量、質量指標, 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, 燒結礦轉鼓強度為64.07 %, 利用系數為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 %的轉鼓強度和1.44 t ·m-2 ·h-1的利用系數。

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