固體燃料種類對燒結(jié)過程CO排放影響規(guī)律研究

郭 嘉，周炫庚，游 洋，徐 健，呂學偉

（1.重慶大學材料科學與工程學院,重慶 400044；2.四川遂寧高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)黨政辦公室 四川 遂寧 629000）

引 言

在國民經(jīng)濟基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)中，鋼鐵行業(yè)作為其中之一，一方面，在能源、制造、廢物處理等方面發(fā)揮著不可或缺的作用[1-2]；另一方面，這一國民經(jīng)濟基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)也是現(xiàn)代工業(yè)的污染大戶，鋼鐵行業(yè)走綠色發(fā)展的道路顯得刻不容緩[3-4]。鐵礦石燒結(jié)作為鋼鐵行業(yè)污染物排放最多的工序，如何控制燒結(jié)過程中污染物的排放一直是鋼鐵行業(yè)亟待解決的問題。

2019年4月29日，唐山市印發(fā)了《5月份全市大氣污染防治強化管控方案》，要求燒結(jié)機機頭的CO小時排放量不超過4000 mg/m3；而常州市、邯鄲市分別要求燒結(jié)機的CO小時排放量不超過5000，6000 mg/m3，實際上，燒結(jié)煙氣中CO的平均質(zhì)量濃度在5000 mg/m3以上，其排放量遠大于其他氣體污染物的總和[5]，因此合理有效地控制燒結(jié)煙氣中CO排放刻不容緩。

研究表明，燒結(jié)料層中固體燃料的種類和粒度等性質(zhì)對燒結(jié)煙氣排放量影響很大，燃料燃燒狀況直接影響COx排放，而CO的產(chǎn)生主要是因為燃料未能充分利用，間接造成固體燃料消耗高，這與當前我國所提倡的節(jié)能環(huán)保理念是相悖的。

因此，本文從不同種類固體燃料對燒結(jié)過程中CO排放影響規(guī)律及燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量兩個方面展開相應(yīng)研究，希冀達到降低CO排放的同時也保證燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量的目的。這對推動綠色燒結(jié)生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，保護環(huán)境具有重要意義。

1 實驗方案

1.1 實驗原料

實驗原料均來源于某鋼廠，對混勻礦、返礦、石灰石、白云石進行化學分析，成分如表1所示。固體燃料包括自產(chǎn)焦、外購焦以及蘭炭，工業(yè)分析、發(fā)熱值測定以及比表面積測試結(jié)果如表2-3所示。

表1 混勻礦、返礦成分表

表2 燃料工業(yè)分析

表3 三種燃料比表面積測試結(jié)果

從工業(yè)分析結(jié)果來看，自產(chǎn)焦與外購焦的固定碳、水分、揮發(fā)分、灰分及發(fā)熱值含量相差不大，而蘭炭樣品固定碳含量最高，且水分、揮發(fā)分含量遠遠大于兩種焦炭，發(fā)熱值比兩種焦炭低，但其灰分含量最低。比表面積由大到小順序為：自產(chǎn)焦＞外購焦＞蘭炭。

1.2 配料方案

依據(jù)某鋼廠現(xiàn)場配料水平，研究固體燃料針對燒結(jié)過程CO排放的影響規(guī)律并進行燒結(jié)杯實驗。選用自產(chǎn)焦、外購焦、蘭炭三種燃料，分別探究單一燃料和混合燃料對燒結(jié)過程尾氣變化的影響，配料方案如表4所示。

表4 固體燃料種類實驗配料方案（干重）/kg

1.3 實驗設(shè)備

燒結(jié)杯實驗主要實驗工序為：配料、制粒、布料、點火燒結(jié)和檢測。燒結(jié)杯實驗使用設(shè)備主要包括：混料機、燒結(jié)杯（礦物燒結(jié)系統(tǒng)）、物料運輸系統(tǒng)、溫度及廢氣檢測裝置、篩分裝置、落下強度檢測裝置和轉(zhuǎn)鼓強度檢測裝置。燒結(jié)杯系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃料燃燒特性

利用熱分析設(shè)備，分析燃料在空氣氣氛下隨溫度升高的失重過程，探究其燃燒特性，結(jié)果如圖2所示。

自產(chǎn)焦與外購焦在相同升溫速率下，二者的失重曲線幾乎沒有區(qū)別，燃燒速率及最大失重率基本相同，自產(chǎn)焦的開始燃燒溫度略微低于外購焦，從該角度看來，二者可以互相取代。

而燃燒特性與燃料的成分以及比表面積密切相關(guān)，自產(chǎn)焦與外購焦的工業(yè)分析結(jié)果差別不大，自產(chǎn)焦比表面積略大于外購焦，較大的比表面積增加了空氣與焦炭的反應(yīng)面積，因此自產(chǎn)焦的開始燃燒溫度略低。蘭炭的開始燃燒溫度顯著低于兩種焦炭，在相同溫度下失重率遠大于焦炭，并且最大失重率稍大于兩種焦炭。盡管前者比表面積較小，約為焦炭的1/2，但是其揮發(fā)分較大，約為焦炭的3倍，最終使其在較低溫度下便產(chǎn)生燃燒失重。后者是由于蘭炭的灰分較少（6.07%），因此其燃燒后剩余在坩堝中的質(zhì)量較小。另外，從失重曲線看，蘭炭的線型并不平滑，這表明其燃燒過程并不均勻，這可能是其較為致密的結(jié)構(gòu)所致。

圖3～6所示為不同固體燃料對燒結(jié)杯實驗煙氣中O2，CO和CO2含量的影響規(guī)律及計算所得燃料利用率。

從煙氣成分含量的變化范圍可將實驗分為三組，即高O2、低CO及CO2含量的蘭炭+自產(chǎn)焦組，低O2、高CO及CO2含量的蘭炭組，以及中等O2、CO及CO2含量的自產(chǎn)焦、外購焦和自產(chǎn)焦+外購焦組。正如熱分析實驗所示，蘭炭在較低溫度下便能發(fā)生燃燒，故其在燒結(jié)條件下能夠快速燃燒消耗空氣中的氧氣，同時燃燒產(chǎn)物CO和CO2在煙氣中含量增加。自產(chǎn)焦、外購焦和自產(chǎn)焦+外購焦組試驗的煙氣成分含量變化、廢氣溫度曲線、燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量參數(shù)都變化不大，這與熱分析試驗結(jié)果相吻合，即自產(chǎn)焦與外購焦的燃燒性質(zhì)差別甚微。

2.2 燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量指標

提質(zhì)、降耗、減排是鋼鐵行業(yè)的三大目標，關(guān)注燒結(jié)過程CO減排的同時，燒結(jié)礦的產(chǎn)質(zhì)量指標也應(yīng)當被重視。因此，對燒結(jié)礦燒成率、成品率、落下強度、轉(zhuǎn)鼓強度等指標進行檢測和計算。圖7為燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量指標，表5為燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量指標具體數(shù)值，廢氣溫度如圖8所示，圖9為燒結(jié)生料粒徑分布。

表5 燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量指標具體數(shù)值

如圖7～9所示，由于蘭炭揮發(fā)分較高，灰分較低，且固定碳含量較高，故蘭炭組試驗所得的燒成率相較其他組較低（83.07%）。當自產(chǎn)焦與蘭炭混合進行燒結(jié)時，由于二者的燃燒特性相差巨大，導致二者在燒結(jié)過程中的燃燒速率不匹配，使得燃料燃燒放熱效應(yīng)不能夠集中在一個較窄的燃燒帶內(nèi)，反而形成一個范圍較寬、溫度較低的燃燒帶。這樣，燃料燃燒不充分，燒結(jié)液相量的生成受到抑制，料層透氣性惡化，燒結(jié)時間延長，最終體現(xiàn)在參數(shù)上為最低的燒結(jié)尾氣溫度（396℃），最低的燒結(jié)質(zhì)量指標，成品率僅為63.52%，落下強度僅為78.33%，轉(zhuǎn)鼓強度只有67.24%。

取燒結(jié)礦進行殘?zhí)挤治黾皝嗚F含量分析，結(jié)果如表6所示。自產(chǎn)焦+蘭炭組燒結(jié)礦中還有大量的殘?zhí)即嬖?，證明了燃料的燃燒性能不匹配將嚴重影響燒結(jié)過程的熱狀態(tài)，進而影響燃料的燃燒過程。該組試驗燒結(jié)礦亞鐵含量較低，符合尾氣中含氧量較高的結(jié)果。

表6 燒結(jié)礦殘?zhí)己?、亞鐵含量

將燒結(jié)煙氣中CO濃度做平均值計算，結(jié)果如圖10所示，對CO排放總量依據(jù)燒結(jié)流量、CO排放瞬時濃度計算其排放總量其結(jié)果如表7所示，考慮到實際燒結(jié)抽風流量波動較大，且對其實時檢測值積分發(fā)現(xiàn)，其規(guī)律與用均值表示基本一致，為簡化計算，本研究中燒結(jié)抽風流量用均值表示，最終計算公式為：

表7 CO排放總量結(jié)果

式中VCO為CO排放總量（m3）；Q為燒結(jié)抽風流量（m3/h）；t1，t2為燒結(jié)開始時間和結(jié)束時間（s）；pCO為任意時刻燒結(jié)煙氣中CO體積分數(shù)（10-6）。

從CO排放總量及CO平均濃度來看，自產(chǎn)焦+蘭炭的 CO排放總量最低，為2.81 m3/（t·s），相比自產(chǎn)焦（4.53 m3/（t·s））、自產(chǎn)焦+外購焦（3.47 m3/（t·s））、外購焦（5.42 m3/（t·s））、蘭炭（8.30 m3/（t·s））都低，使用蘭炭和自產(chǎn)焦混合使用的方法可以降低CO排放量，而結(jié)合燒結(jié)礦質(zhì)量數(shù)據(jù)分析，這是以犧牲其產(chǎn)質(zhì)量為代價的，沒能達到減排、保質(zhì)的最低要求。且由于蘭炭揮發(fā)分比兩種焦炭高，導致CO排放總量高。

因此，通過調(diào)控燃料種類的手段來實現(xiàn)CO減排時，需避免使用自身燃燒速度太快的燃料（如蘭炭），并且在進行燃料混搭時，需使用燃燒性能（如燃燒速率，開始燃燒溫度等）相匹配的燃料進行搭配，否則將大大惡化燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量。

2.3 燒結(jié)氧勢理論計算

利用煙氣中氧氣的體積分數(shù)對燒結(jié)氧勢進行理論計算，氧氣的體積分數(shù)可用氧分壓pO2表示。依據(jù)下式對氧勢進行理論計算：

式中πO(O2)為氧勢（J/mol）；R為常數(shù)，R=8.314；T為溫度（K）；pO2為氧分壓，由燒結(jié)煙氣成分數(shù)據(jù)可得。

依據(jù)式（2），對不同種類固體燃料進行氧勢計算。

針對燃料種類這一研究因素，以點火結(jié)束后500 s為起點，2000 s為終點，設(shè)置料層溫度為1250℃和1350℃，其結(jié)果如圖11，12所示。

蘭炭實驗組所測的FeO含量結(jié)果為8.3%，自產(chǎn)焦與蘭炭混合使用的FeO含量結(jié)果為7.53%，從FeO含量結(jié)果看：蘭炭＞自產(chǎn)焦+蘭炭，從氧勢結(jié)果看：蘭炭＜自產(chǎn)焦+蘭炭，這說明理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果是相吻合的。蘭炭單獨作為燃料時氧勢較低，可能是由于其固定碳含量（87.77%）高，相當配比下燃燒消耗了更多的氧，而外購焦固定碳含量（86.09%）和自產(chǎn)焦（84.69%）均比蘭炭固定碳含量低，相當配比下燃燒則消耗更少的氧。因此不論是焦炭單獨作為燃料還是焦炭與蘭炭混合作為燃料，其氧勢均高于蘭炭單獨作為燃料。

3 結(jié) 論

本文通過對不同種類固體燃料對鐵礦石燒結(jié)過程CO排放影響規(guī)律進行分析，得到如下結(jié)論：

（1）通過調(diào)控固體燃料種類的手段來實現(xiàn)CO減排的目的時，需避免使用自身燃燒速度太快的燃料（如蘭炭），并且在進行燃料混合時，需使用燃燒性能（如燃燒速率，開始燃燒溫度等）相匹配的燃料進行搭配，否則將惡化燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量。

（2）從煙氣成分含量的變化范圍可將實驗分為三組。蘭炭單獨使用時，煙氣中O2低、CO及CO2高，蘭炭和自產(chǎn)焦混合作為燃料時煙氣中O2高、CO及CO2含量低，而自產(chǎn)焦和外購焦單獨使用時O2，CO和CO2處于中等水平。自產(chǎn)焦和蘭炭混合作為燒結(jié)燃料時，CO排放總量（2.81 m3/（t·s）最低，但是結(jié)合燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量結(jié)果分析，由于蘭炭與焦炭的燃燒速率不匹配，導致燃料燃燒放熱效應(yīng)未能集中在一個較窄的燃燒帶內(nèi)，形成了一個范圍較寬、溫度較低的燃燒帶，進而使燃料燃燒不充分，燒結(jié)液相量生成受抑制，料層透氣性惡化，最終燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量惡化，因此這種方案是以犧牲其產(chǎn)質(zhì)量為代價的，沒有達到減排、保質(zhì)的要求。

（3）通過對燒結(jié)料層中氧勢進行理論計算，發(fā)現(xiàn)蘭炭實驗組的氧勢較自產(chǎn)焦與蘭炭混合使用低，而FeO含量比自產(chǎn)焦與蘭炭混合使用時的高。蘭炭固定碳含量（87.77%）較外購焦（86.09%）和自產(chǎn)焦（84.69%）均高，相當配比下燃燒消耗了更多的氧，從而造成燒結(jié)料層氧勢降低。