鐵礦燒結(jié)低熱值點(diǎn)火富氧預(yù)熱技術(shù)試驗研究

周浩宇，王賽輝，甘 敏，李 謙1，，王業(yè)峰1，，劉 前1，，陳思墨1，

（1.國家燒結(jié)球團(tuán)裝備系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙410205；2.中冶長天國際工程有限責(zé)任公司，湖南 長沙410205；3.中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長沙410083）

燒結(jié)過程主要是通過焦粉或煤粉的燃燒使得燒結(jié)礦熔化并重新結(jié)晶的過程[1]。 傳統(tǒng)燒結(jié)工藝一般采取高熱值的燃?xì)饣蛘呷剂嫌瓦M(jìn)行點(diǎn)火。 但隨著國內(nèi)大量環(huán)保不達(dá)標(biāo)的焦?fàn)t被取締， 可用于燒結(jié)點(diǎn)火的高熱值燃?xì)夤?yīng)量大幅減少。 與此同時，隨著鋼鐵生產(chǎn)規(guī)模的日益增大， 鋼鐵廠內(nèi)產(chǎn)生了大量低熱值燃?xì)猓ㄈ绺郀t煤氣），該部分煤氣由于成分雜、熱值低而得不到有效利用被大量外排，據(jù)統(tǒng)計國內(nèi)某鋼廠一年有近300 萬m3高爐煤氣被點(diǎn)燃外排，在能源浪費(fèi)的同時造成了嚴(yán)重環(huán)境污染。因此， 探索燒結(jié)工藝中的低熱值燃?xì)飧咝c(diǎn)火技術(shù)意義重大[2-3]。

本研究前，業(yè)內(nèi)專家針對低熱值燃?xì)怆p預(yù)熱點(diǎn)火、富氧點(diǎn)火技術(shù)和富氧燒結(jié)技術(shù)做過相關(guān)研究[4-8]。 郭佳琪等[9]通過計算對燒結(jié)機(jī)富氧點(diǎn)火技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)可行性分析。 韓鳳光等[10]采取富氧方式對鐵礦石燒結(jié)過程進(jìn)行試驗研究，觀察富氧后燒結(jié)固體燃料消耗、成品率、利用系數(shù)、冶金性能及礦相顯微結(jié)構(gòu)等指標(biāo)的變化情況。 劉曉文等[11]根據(jù)不同氧氣流通量進(jìn)行鐵礦粉富氧燒結(jié)試驗研究，結(jié)合廢氣溫度、收縮率、燒結(jié)速度等參數(shù)及燒結(jié)礦的顯微礦相分析結(jié)果，研究不同富氧量對燒結(jié)礦的成品率、利用系數(shù)、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、粒度組成等綜合性能的影響。 劉東岳等[12]在燒結(jié)機(jī)上利用高爐煤氣燃燒完成高爐煤氣、助燃空氣雙預(yù)熱，用于燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火，取得了一定的節(jié)能效果。 以上研究均只考慮了富氧濃度對燒結(jié)過程的影響。 在實際燒結(jié)點(diǎn)火過程中，多種因素相互影響、相互作用，關(guān)于富氧空氣的相關(guān)指標(biāo)有空氣過剩系數(shù)、富氧濃度、空氣預(yù)熱溫度等，僅考慮單一濃度因素不夠全面。

由此，本文通過開展多組燒結(jié)杯試驗，研究了低熱值燃?xì)恻c(diǎn)火過程中空氣過剩系數(shù)、 富氧濃度以及空氣預(yù)熱溫度對燒結(jié)指標(biāo)的影響規(guī)律， 并開展了三因素三水平正交試驗，探究了多因素協(xié)同作用結(jié)果。以探究多因素富氧預(yù)熱點(diǎn)火規(guī)律、 提高點(diǎn)火效率為目標(biāo)， 期望為鐵礦燒結(jié)低熱值高效點(diǎn)火方案的設(shè)計制定提供理論支持。

1 原料條件及試驗方法

1.1 試驗原料

試驗過程使用的原料為巴西CSN 燒結(jié)試驗原料，包括鐵礦石（CSF：一種鏡鐵礦）、石灰石、生石灰、白云石、焦粉（湘鋼）和返礦，混合料按照二元堿度1.95 進(jìn)行配礦。 原料的化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，原料配比見表2。

表1 燒結(jié)原料化學(xué)成分分析結(jié)果 （%）

表2 點(diǎn)火燒結(jié)原料配比 （%）

1.2 試驗裝置

本文的所有試驗均在自行設(shè)計的燒結(jié)杯試驗平臺上開展，燒結(jié)杯平臺如圖1 所示，主要包括配氣系統(tǒng)、混合預(yù)熱系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、料層測溫系統(tǒng)與燒結(jié)杯本體系統(tǒng)。 燒結(jié)杯的高度為700 mm，直徑為180 mm，可以模擬實際燒結(jié)生產(chǎn)過程，且沿杯體高度方向配置了料層測溫系統(tǒng)， 采用上海輝宇電熱電器公司生產(chǎn)的S 型鉑銠熱電偶實時監(jiān)測料層溫度變化，精度±1.5 ℃。 配氣系統(tǒng)主要是由風(fēng)機(jī)和O2鋼瓶組成，鋼瓶氣的氣體純度為99.99%，試驗中按照所需富氧濃度設(shè)計不同的O2流量?；旌项A(yù)熱系統(tǒng)采取自行設(shè)計的混勻室，外設(shè)電輔熱，能在均勻混合空氣與氧氣的同時對混勻氣體進(jìn)行精準(zhǔn)加熱[13]。

圖1 氣體噴吹燒結(jié)技術(shù)試驗研究裝置示意圖

1.3 試驗方法

燒結(jié)試驗過程如下：試驗過程中，按照某實際燒結(jié)廠中原料的配比， 采用質(zhì)量配料法對燒結(jié)原料進(jìn)行配料， 混勻后在轉(zhuǎn)速為15 r/min 的圓筒混合機(jī)中制粒4 min。 隨后，在燒結(jié)杯中鋪入1 kg 底料，底料的粒度為10～16 mm、厚度為20～25 mm，將制粒好的燒結(jié)原料鋪入裝有底料的燒結(jié)杯中。 燒結(jié)試驗采用天然氣進(jìn)行點(diǎn)火，燒結(jié)料面在（1050±50） ℃的溫度下點(diǎn)火1.5 min，并保溫0.5 min，點(diǎn)火負(fù)壓保持在5 kPa。點(diǎn)火后，表層燒結(jié)礦中的固體燃料被點(diǎn)燃，抽風(fēng)負(fù)壓為10 kPa，在抽風(fēng)的作用下，燃燒帶不斷下移。從點(diǎn)火至燒結(jié)廢氣溫度達(dá)到最高后開始降溫時所需時間即為燒結(jié)時間。當(dāng)?shù)竭_(dá)燒結(jié)終點(diǎn)時，抽風(fēng)負(fù)壓調(diào)低至5 kPa，冷卻3 min 后卸料，經(jīng)單齒輥破碎機(jī)破碎，選用燒結(jié)速度、成品率、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、利用系數(shù)等指標(biāo)評價其產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)，檢測方法均采用ISO-2007等國際和國家通用檢測標(biāo)準(zhǔn)[14]。

2 燒結(jié)杯試驗結(jié)果及分析

2.1 空氣過剩系數(shù)對點(diǎn)火燒結(jié)的影響

圖2 為空氣過剩系數(shù)對點(diǎn)火燒結(jié)的影響，其中，高爐煤氣流量為2 m3/h，空氣過剩系數(shù)1.5。 由于高爐煤氣流量為1 m3/h 時燒結(jié)過程未點(diǎn)燃， 因此高爐煤氣流量取為2 m3/h，隨空氣過剩系數(shù)的增加，垂直燒結(jié)速度、 燒結(jié)利用系數(shù)、 燒結(jié)成品率先增加后減小， 當(dāng)空氣過剩系數(shù)為1.5 時分別達(dá)到最大值為24.3 mm/min、72.24%、1.42 t/（m2·h）。 這是因為氧氣在初期作為助燃劑使低熱值燃?xì)恻c(diǎn)火并形成穩(wěn)定燃燒帶，有利于料層內(nèi)碳顆粒的點(diǎn)燃，當(dāng)空氣過剩系數(shù)增加至一定值時，助燃效果達(dá)到最大，但空氣過剩系數(shù)繼續(xù)增大時， 過量的低溫空氣又會給點(diǎn)火系統(tǒng)造成一定的熱量損失，因此垂直燒結(jié)速度、燒結(jié)利用系數(shù)及燒結(jié)成品率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢規(guī)律。

圖2 空氣過剩系數(shù)對點(diǎn)火燒結(jié)的影響

2.2 空氣預(yù)熱溫度對點(diǎn)火燒結(jié)的影響

表3 所示為空氣預(yù)熱溫度對點(diǎn)火燒結(jié)的影響，其中，高爐煤氣流量為1 m3/h，空氣過剩系數(shù)1.5。 從表中可以看出，不進(jìn)行預(yù)熱處理燒結(jié)未點(diǎn)燃，隨著空氣預(yù)熱溫度的升高，點(diǎn)火最高溫度、廢氣溫度逐漸升高，垂直燒結(jié)速度、燒結(jié)成品率、燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、燒結(jié)利用系數(shù)先升高后降低， 當(dāng)空氣預(yù)熱溫度為300 ℃時，垂直燒結(jié)速度最高為23.3 mm/min，燒結(jié)成品率最高為68.06%，燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度最高為64.24%，燒結(jié)利用系數(shù)最高為1.39 t/（m2·h）。 這是因為在低熱值燃?xì)庀拢ǜ郀t煤氣流量為1 m3/h）燒結(jié)過程處于熱量缺乏的狀態(tài)，燃燒及傳熱速率不匹配，隨著空氣預(yù)熱溫度的升高，點(diǎn)火溫度及燒結(jié)速度大大增加，因此垂直燒結(jié)速度、燒結(jié)成品率、燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、燒結(jié)利用系數(shù)均相應(yīng)升高，但空氣預(yù)熱溫度過高時，在同等標(biāo)況供風(fēng)量不變條件下工況體積變大導(dǎo)致單位體積內(nèi)的氧原子密度變小， 進(jìn)而對燒結(jié)料層內(nèi)碳顆粒著火燃燒形成負(fù)面影響，導(dǎo)致垂直燒結(jié)速度、燒結(jié)利用系數(shù)及燒結(jié)成品率下降。

表3 空氣預(yù)熱溫度對點(diǎn)火燒結(jié)的影響

2.3 富氧濃度對點(diǎn)火燒結(jié)的影響

表4 所示為富氧濃度對點(diǎn)火燒結(jié)的影響，其中，高爐煤氣流量為1 m3/h，空氣過剩系數(shù)1.5。從表中可以看出，隨著富氧濃度的升高，點(diǎn)火最高溫度、廢氣溫度逐漸升高，垂直燒結(jié)速度、燒結(jié)成品率、燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、 燒結(jié)利用系數(shù)先升高后降低， 當(dāng)富氧濃度為50%時，垂直燒結(jié)速度最高為24.3 mm/min，燒結(jié)成品率最高為68.92%， 燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度最高為66.62%，燒結(jié)利用系數(shù)最高為1.39 t/（m2·h）。 這是因為隨著富氧濃度的增加，N2的減少有效降低了燒結(jié)過程中的熱量損失，同時氧氣與燃?xì)忾g的反應(yīng)速率及反應(yīng)活性大大增加，傳熱效果得到增強(qiáng)，使得燒結(jié)相關(guān)指標(biāo)都有所改善，但氧氣濃度過高時，碳顆粒燃燒速率顯著快于料層內(nèi)傳熱速率， 導(dǎo)致熱量不能及時向下傳遞，頂部燒結(jié)礦過融板結(jié)造成抽風(fēng)受阻， 造成垂直燒結(jié)速度、燒結(jié)利用系數(shù)及燒結(jié)成品率明顯下降[15-16]。

表4 富氧濃度對點(diǎn)火燒結(jié)的影響

2.4 正交試驗

以上試驗工況均為控制單一變量， 在實際燒結(jié)點(diǎn)火過程中，幾種因素相互作用、相互影響，通常多種因素都在一定范圍內(nèi)同步變化。為此，作者開展了三因素三水平正交試驗， 研究了空氣過剩系數(shù)（A）、富氧濃度（B）和空氣預(yù)熱溫度（C）對低熱值燃?xì)鉄Y(jié)點(diǎn)火過程中的點(diǎn)火最高溫度、垂直燒結(jié)速度、廢氣最高點(diǎn)溫度、燒結(jié)成品率、燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度及燒結(jié)利用系數(shù)的影響規(guī)律。其中，各因素的選擇均以工程實際為基準(zhǔn)，具體因素水平選取值見表5，正交試驗方案及結(jié)果見表6。

表5 因素水平

表6 正交試驗方案及結(jié)果

表7 為正交試驗的極差分析表， 獲得了空氣過剩系數(shù)、 富氧濃度和空氣預(yù)熱溫度對不同指標(biāo)的影響大小及最優(yōu)水平，分析如下：各因素對垂直燒結(jié)速度、燒結(jié)成品率、燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度及燒結(jié)利用系數(shù)的影響作用大小為： 富氧濃度＞空氣預(yù)熱溫度＞空氣過剩系數(shù)。 在正交試驗研究范圍內(nèi)，隨著富氧濃度增加，垂直燒結(jié)速度、燒結(jié)成品率、燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度及燒結(jié)利用系數(shù)先升高后降低， 且均在氧氣濃度為50%時取得最大值；隨著空氣預(yù)熱溫度增加，垂直燒結(jié)速度、燒結(jié)成品率、 燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度及燒結(jié)利用系數(shù)先升高后降低， 且均在空氣預(yù)熱溫度為400 ℃時取得最大值；空氣過剩系數(shù)對各指標(biāo)的影響作用最小，其值為1.6 時垂直燒結(jié)速度最快， 其值為1.4 時燒結(jié)成品率、燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度及燒結(jié)利用系數(shù)最大。通過分析以上三種因素對不同燒結(jié)指標(biāo)的影響效果， 得出最優(yōu)水平為A1B2C3，即空氣過剩系數(shù)為1.4，富氧濃度為50%，空氣預(yù)熱溫度為400 ℃。

表7 極差分析

3 結(jié)論

本文通過燒結(jié)杯試驗，研究了空氣過剩系數(shù)、富氧濃度和空氣預(yù)熱溫度對燒結(jié)低熱值燃料點(diǎn)火過程的影響，同時開展了三因素三水平正交試驗，探究了多因素協(xié)同作用的結(jié)果。

（1）隨著空氣過剩系數(shù)的增加，垂直燒結(jié)速度、燒結(jié)利用系數(shù)及燒結(jié)成品率先增加后減小， 當(dāng)空氣過剩系數(shù)為1.5 時分別達(dá)到最大值為24.3 mm/min、72.24%及1.42 t/（m2·h）。

（2）隨著空氣預(yù)熱溫度的升高，點(diǎn)火最高溫度、廢氣溫度逐漸升高，垂直燒結(jié)速度、燒結(jié)成品率、燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度及燒結(jié)利用系數(shù)先升高后降低， 當(dāng)空氣預(yù)熱溫度為300 ℃時， 垂直燒結(jié)速度最高為23.3 mm/min，燒結(jié)成品率最高為68.06%，燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度最高為64.24%，燒結(jié)利用系數(shù)最高為1.39 t/（m2·h）。

（3）隨著富氧濃度的升高，點(diǎn)火最高溫度及廢氣溫度逐漸降低，垂直燒結(jié)速度、燒結(jié)成品率、燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度及燒結(jié)利用系數(shù)先升高后降低， 當(dāng)富氧濃度為50%時，垂直燒結(jié)速度最高為24.3 mm/min，燒結(jié)成品率最高為68.92%， 燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度最高為66.62%，燒結(jié)利用系數(shù)最高為1.39 t/（m2·h）。

（4）通過正交試驗研究了空氣過剩系數(shù)、富氧濃度和空氣預(yù)熱溫度對燒結(jié)指標(biāo)的影響。各因素對垂直燒結(jié)速度、燒結(jié)成品率、燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度及燒結(jié)利用系數(shù)的影響作用大小為：富氧濃度＞空氣預(yù)熱溫度＞空氣過剩系數(shù)。最優(yōu)低熱值燃?xì)恻c(diǎn)火工藝參數(shù)為空氣過剩系數(shù)1.4，富氧濃度50%，空氣預(yù)熱溫度400 ℃。