胡　兵, 　黃柱成, 　姜　濤, 　張?jiān)?/span>

(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:采用鏡鐵礦作為鐵原料, 通過(guò)改變天然氣流量和氧氣過(guò)剩系數(shù)以及氧氣和空氣的配比, 在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一系列點(diǎn)火燒結(jié)試驗(yàn)研究, 重點(diǎn)考查富氧對(duì)燒結(jié)點(diǎn)火的影響。研究表明, 富氧燒結(jié)點(diǎn)火能夠降低燒結(jié)點(diǎn)火能耗和減少CO₂ 的排放量, 同時(shí)點(diǎn)火溫度上升, 燒結(jié)料層表面固體燃料的利用率提高, 并可獲得良好的燒結(jié)礦產(chǎn)量、質(zhì)量指標(biāo)。當(dāng)天然氣流量為2 m³ · h -1 , 點(diǎn)火時(shí)間為1.5 min, 助燃風(fēng)為50 %氧氣+50%空氣(體積分?jǐn)?shù)), 氧氣過(guò)剩系數(shù)為1.9 的情況下, 燒結(jié)點(diǎn)火能耗為30.32MJ · m-2 , 點(diǎn)火煙氣中氧的體積分?jǐn)?shù)為14.28 %, 所獲得的燒結(jié)礦成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度分別為72.32 %和65.30%。與助燃風(fēng)為空氣, 其它條件不變的情況比較, 煙氣中氧的體積分?jǐn)?shù)提高了5.17%, 燒結(jié)礦成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度分別提高了10.59 %和1.97 %。

關(guān)鍵詞:燒結(jié);富氧點(diǎn)火;氧氣過(guò)剩系數(shù);點(diǎn)火強(qiáng)度

燒結(jié)礦作為中國(guó)高爐煉鐵的主要入爐含鐵原料, 隨著鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展, 最近幾年燒結(jié)礦產(chǎn)量也一路飆升(表1)^{[ 1]} 。按照燒結(jié)工序能耗為每噸燒結(jié)礦60 kg 標(biāo)煤計(jì)算, 2007 年燒結(jié)總能耗就超過(guò)3 千萬(wàn)t 標(biāo)煤, 而燒結(jié)點(diǎn)火能耗占整個(gè)燒結(jié)能耗的5 %～ 10 %, 如果能夠在燒結(jié)點(diǎn)火方面進(jìn)一步降低能耗, 不僅能為國(guó)家節(jié)約更多的資源和適應(yīng)日趨激烈的原料市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng), 同時(shí)也符合國(guó)家的低碳經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略要求^{[ 2-3]} 。

點(diǎn)火的目的是為固體燃料的強(qiáng)烈燃燒和把表層燒結(jié)料加熱至燒結(jié)過(guò)程所需的溫度創(chuàng)造條件^{[ 3]} 。燒結(jié)廠一般采用煤氣進(jìn)行點(diǎn)火, 采用空氣作為助燃風(fēng), 使得點(diǎn)火煙氣中氮?dú)狻⒍趸紳舛群芨? 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(fèi)燃料, 又很難獲得表層物料得以燒結(jié)的熱量,使得上部很厚一層為生料, 降低了燒結(jié)礦的成品率^{[ 4-5]}

采用富氧進(jìn)行點(diǎn)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(jié)生產(chǎn)率的同時(shí)降低了燃耗^{[ 4-6]} 。梅鋼、長(zhǎng)鋼等鋼鐵公司通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明, 富氧燒結(jié)點(diǎn)火能夠解決高爐煤氣燃燒不充分, 點(diǎn)火溫度低的問(wèn)題, 而且能夠提高燒結(jié)礦的產(chǎn)量與質(zhì)量, 同時(shí)降低點(diǎn)火能耗和煙氣排放量^{[ 7-10]} 。為了考查氧氣對(duì)燒結(jié)點(diǎn)火的影響, 筆者在實(shí)驗(yàn)室的燒結(jié)杯中進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究, 通過(guò)改變助燃風(fēng)中氧氣的過(guò)剩系數(shù)和在助燃風(fēng)中配入一定量的氧氣來(lái)提高煙氣中的氧氣含量, 從而達(dá)到富氧燒結(jié)點(diǎn)火的目的。

1 　原料性能及研究方法

顯微結(jié)構(gòu)觀察(圖1)和X 射線衍射(圖2)分析結(jié)果表明, 本次試驗(yàn)采用的鐵礦石是一種鏡鐵礦, 其主要物質(zhì)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù), %)為鏡鐵礦65.9 , 半假象、假象赤鐵礦21.3 。燒結(jié)原料的化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表2 , 原料配比見(jiàn)表3 。

實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)點(diǎn)火裝置如圖3 所示。為了實(shí)現(xiàn)富氧點(diǎn)火, 對(duì)燒結(jié)點(diǎn)火裝置進(jìn)行了一些改動(dòng), 在點(diǎn)火罩口放蜂窩陶瓷, 并用網(wǎng)板固定, 使得點(diǎn)火溫度更加穩(wěn)定、點(diǎn)火氣流更加均勻;其次在一次助燃風(fēng)和二次助燃風(fēng)管道接三通管, 增加氧氣入口。

2 　試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用天然氣作為點(diǎn)火的燃料, 空氣或者空氣和氧氣的混合氣體作為助燃風(fēng)。為了得到高的燃燒溫度, 氧氣過(guò)剩系數(shù)要大于1.0 , 以保證完全燃燒,但應(yīng)該盡可能減小氧氣過(guò)剩系數(shù)。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(guò)剩系數(shù)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(guò)剩系數(shù), 采用富氧進(jìn)行點(diǎn)火是有效而唯一的選擇。

2.1 　富氧點(diǎn)火對(duì)燃燒溫度的影響

為了考查富氧點(diǎn)火對(duì)燃燒溫度的影響, 根據(jù)質(zhì)量和能量守恒定律以及燃燒過(guò)程物質(zhì)的物理化學(xué)變化, 在試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行了理論計(jì)算。其中天然氣的主要成分(體積分?jǐn)?shù), %)為:CH₄ 97.04 、C₆H₆0.71 、CO₂ 1.28 、H₂ 0.97 , 天然氣的發(fā)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(guò)計(jì)算得到在不同氧氣過(guò)剩系數(shù)α和氧氣瓶配入的氧氣占助燃風(fēng)中總氧的體積分?jǐn)?shù)(用γ表示)改變的情況下, 點(diǎn)火煙氣溫度的變化情況見(jiàn)圖4 。

從圖4 可以看出, 隨著氧氣過(guò)剩系數(shù)的提高, 點(diǎn)火煙氣的溫度是逐漸降低的, 同時(shí)可以看出, 在氧氣過(guò)剩系數(shù)不變的情況下, 增加助燃風(fēng)中氧氣的配比,可以提升燒結(jié)點(diǎn)火的溫度。在空氣作為助燃風(fēng)進(jìn)行燒結(jié)點(diǎn)火的時(shí)候, 一般要求煙氣溫度為(1 100 ±50)℃, 但從圖4 可以查出, 此時(shí)氧氣過(guò)剩系數(shù)小于1.3 , 盡管在較低的氧氣過(guò)剩系數(shù)下達(dá)到了點(diǎn)火的溫度, 然而從表4 可以看到, 這時(shí)候煙氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)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(guò)剩系數(shù)為1.9 , 燒結(jié)點(diǎn)火的溫度可以達(dá)到1 186 ℃, 同時(shí)煙氣中的氧氣的體積分?jǐn)?shù)提高到14.28 %, 可以實(shí)現(xiàn)高溫富氧燒結(jié)點(diǎn)火目標(biāo)。

2.2 　富氧點(diǎn)火對(duì)煙氣排放量的影響

在上述燒結(jié)點(diǎn)火的試驗(yàn)條件下, 為了考查富氧點(diǎn)火對(duì)煙氣排放量的影響, 同樣通過(guò)理論計(jì)算加以說(shuō)明, 計(jì)算的結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可以看出, 隨著氧氣過(guò)剩系數(shù)的提高, 點(diǎn)火所排放的煙氣是逐漸增加的, 但如果在助燃風(fēng)中增加氧氣的配比, 則可以明顯減少煙氣排放量。

同時(shí)可以看出, 在燒結(jié)點(diǎn)火可行的條件下, 適當(dāng)降低天然氣流量, 不但可以降低點(diǎn)火能耗, 而且煙氣排放量降低的幅度很大。當(dāng)天然氣流量為3m³ ·h-1時(shí), 氧氣過(guò)剩系數(shù)為1.2 , 助燃風(fēng)全為空氣的情況下,煙氣中的氧氣的體積分?jǐn)?shù)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(guò)剩系數(shù)為1.9 , 煙氣中的氧氣的體積分?jǐn)?shù)提高到14.28 %, 煙氣排放量只有25.14m3 ·h -1 。

2.3 　富氧點(diǎn)火對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量的影響

為了驗(yàn)證富氧點(diǎn)火對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量的影響, 通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了比較說(shuō)明, 對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。其試驗(yàn)條件為:天然氣流量分別為3 m³ · h -1 和2m³ ·h-1 , 點(diǎn)火時(shí)間1.5min , 點(diǎn)火負(fù)壓3 kPa , 燒結(jié)負(fù)壓10 kPa , 改變氧氣過(guò)剩系數(shù)以及γ值。

從圖6 可以看出, 隨著氧氣過(guò)剩系數(shù)增大, 在助燃風(fēng)全為空氣的情況下, 燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度呈先升后降趨勢(shì), 天然氣流量越大越有助于轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度的提高;同時(shí)可以看出, 當(dāng)γ提高到50 %時(shí), 燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度提升幅度很大, 而且隨著氧氣過(guò)剩系數(shù)的提高而增大。顯然, 在助燃風(fēng)中配入一定量的氧氣, 可以明顯提高燒結(jié)礦的質(zhì)量, 但要得到滿意的燒結(jié)礦質(zhì)量, 在γ值提高的同時(shí), 增大助燃風(fēng)的氧氣過(guò)剩系數(shù), 并且可以適當(dāng)降低點(diǎn)火燃料的用量。在天然氣流量為3m³ · h-1 , 空氣作為助燃風(fēng), α為1.9 時(shí), 燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度為64.07 %;當(dāng)γ值提高到50 %, 天然氣流量降低到2m3 ·h -1 , α為1.9 時(shí), 可以獲得65.30 %的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度。

2.4 　富氧點(diǎn)火對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)率的影響

燒結(jié)生產(chǎn)率主要表現(xiàn)在垂直燒結(jié)速度和燒結(jié)礦的成品率方面, 為了考查富氧點(diǎn)火對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)率的影響, 試驗(yàn)通過(guò)改變氧氣過(guò)剩系數(shù)以及γ值, 提高煙氣中氧氣的含量, 最后通過(guò)燒結(jié)利用系數(shù)的變化情況來(lái)加以說(shuō)明, 試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

從圖7 可以看出, 在空氣作為助燃風(fēng)時(shí), 隨著氧氣過(guò)剩系數(shù)的增大, 煙氣中的氧氣含量有所提高, 適當(dāng)提高氧氣過(guò)剩系數(shù)可以提高燒結(jié)礦的利用系數(shù),但進(jìn)一步提高氧氣過(guò)剩系數(shù), 使點(diǎn)火的溫度降低, 同時(shí)煙氣總量增加造成廢氣攜帶的熱量也增加, 以致于燒結(jié)礦的利用系數(shù)出現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。然而把γ提高到50 %, 燒結(jié)礦的利用系數(shù)則隨著氧氣過(guò)剩系數(shù)的增大而得到提高, 只是上升的幅度越來(lái)越小。從圖7 可以看出, 助燃風(fēng)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(lái)越不明顯。同時(shí)可以看出,在助燃風(fēng)中配入一定量的氧氣后, 在較低的燃料用量下就能正常進(jìn)行點(diǎn)火, 而且與空氣作為助燃風(fēng)的情況相比, 燒結(jié)礦的生產(chǎn)率得到明顯提高。在天然氣流量為3m³ · h-1 , 空氣作為助燃風(fēng), α為1.9 時(shí),燒結(jié)礦的利用系數(shù)為1.37 t · m-2 · h-1 ;當(dāng)γ值提高到50 %, 天然氣流量降低到2m³ · h-1 , α為1.9時(shí), 燒結(jié)礦的利用系數(shù)提高到1.44 t ·m-2 · h -1 。

3 　結(jié)論

　　采用富氧進(jìn)行燒結(jié)點(diǎn)火, 可以減少?gòu)U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(diǎn)火溫度提高, 并且在降低能耗、減少?gòu)U氣排放的基礎(chǔ)上獲得滿意的燒結(jié)礦產(chǎn)量、質(zhì)量指標(biāo)。

　　富氧燒結(jié)點(diǎn)火試驗(yàn)理論計(jì)算表明, 采用空氣作為助燃風(fēng)進(jìn)行點(diǎn)火時(shí), 天然氣流量為3m³ · h-1 , 要達(dá)到(1100 ±50)℃的點(diǎn)火溫度, 要求α<1.3 , 當(dāng)α為1.2 時(shí), 煙氣中的氧的體積分?jǐn)?shù)僅為3.06 %, 造成表層固體燃料燃燒不充分, 此時(shí)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(jié)點(diǎn)火的溫度可以達(dá)到1186 ℃, 同時(shí)煙氣中氧的體積分?jǐn)?shù)提高到14.28 %,煙氣排放量降低到25.14m³ · h -1 。所以說(shuō), 在富氧點(diǎn)火時(shí), 不僅可以降低燃料的用量, 同時(shí)可以提高點(diǎn)火的溫度, 并且有利于表層固定燃料的燃燒。

　　富氧燒結(jié)點(diǎn)火試驗(yàn)研究表明, 在空氣作為助燃風(fēng)進(jìn)行燒結(jié)點(diǎn)火時(shí), 要獲得優(yōu)良的燒結(jié)礦產(chǎn)量、質(zhì)量指標(biāo), 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(fēng), α為1.9 時(shí), 燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度為64.07 %, 利用系數(shù)為1.37 t ·m -2 ·h -1 ;當(dāng)γ值提高到50 %, 天然氣流量降低到2m³ ·h -1 , α為1.9 時(shí), 可以獲得65.30 %的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度和1.44 t ·m-2 ·h-1的利用系數(shù)。

參考文獻(xiàn):

[ 1] 　ZH ANG Sh ou-rong , YIN H an .The Trends of Ironmaking Indust ry and Challenges t o C hinese Blast Fu rnace Ironmaking inthe 21st Century [ C] ∥Th e 5th In ternational Congress on theS cience and Technology of Ironmaking .Shanghai:2009 .

[ 2] 　傅菊英, 姜濤, 朱德慶.燒結(jié)球團(tuán)學(xué)[ M] .長(zhǎng)沙:中南工業(yè)大學(xué)出版社, 1996 .

[ 3] 　王宏斌, 張?jiān)伱?降低燒結(jié)工序能耗的措施[ J] .鋼鐵, 1999 ,1(1):1 .

[ 4] 　周興德, 袁文彬, 李上峙, 等譯.鐵礦石燒結(jié)點(diǎn)火過(guò)程[ M] .北京:冶金工業(yè)部燒結(jié)球團(tuán)和煉鐵情報(bào)網(wǎng), 1985 .

[ 5] 　黃柱成, 羅勇, 彭虎, 等.鐵礦石微波熱風(fēng)燒結(jié)點(diǎn)火研究[ J] .材料導(dǎo)報(bào), 2007 , 21(11):301 .

[ 6] 　黃亞蕾, 黃柱成, 毛曉明, 等.鐵礦石微波熱風(fēng)燒結(jié)點(diǎn)火研究[ J] .礦冶工程, 2008 , 28(10):64 .

[ 7] 　黃亞蕾.微波熱風(fēng)燒結(jié)點(diǎn)火技術(shù)及機(jī)理研究[ D] .長(zhǎng)沙:中南大學(xué), 2008 .

[ 8] 　李步星, 崔建偉.燒結(jié)富氧點(diǎn)火自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[ J] .山西冶金, 2003 , 3(3):13 .

[ 9] 　沈小峰.梅鋼富氧燒結(jié)技術(shù)的研究與應(yīng)用[ J] .實(shí)用科技, 2009(30):238 .

[ 10] 　陳樹(shù)義, 章麗玲.燃料燃燒及燃燒裝置[ M] .北京:冶金工業(yè)出版社, 1985 .