裴元東1，2 ，歐書(shū)海3 ，馬懷營(yíng)2，潘文2 ，趙志星2 ，吳桂輯3 ，吳勝利1
( 1． 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京，100083;
2． 首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院，北京 100043;
3． 首鋼股份公司煉鐵部，河北 遷安 064400)
摘 要: 近年來(lái)，燒結(jié)料面噴吹技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)，期望通過(guò)噴吹介質(zhì)達(dá)到燒結(jié)節(jié)能減排改質(zhì)的效果。前人研究了燒結(jié)料面噴吹天然氣、焦?fàn)t煤氣、氧氣、燒結(jié)大煙道和環(huán)冷機(jī)廢氣等介質(zhì)對(duì)燒結(jié)礦產(chǎn)、質(zhì)量的影響。本文重點(diǎn)研究了燒結(jié)料面噴吹蒸汽對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量和CO排放的影響，通過(guò)在燒結(jié)杯試驗(yàn)中對(duì)燒結(jié)廢氣成分和料層溫度進(jìn)行測(cè)試的手段評(píng)價(jià)了噴吹蒸汽的效果。研究表明燒結(jié)料面適宜的蒸汽噴吹可起到 CO 減排和改善燒結(jié)礦質(zhì)量的綜合效果。
關(guān)鍵詞: 燒結(jié); 水蒸氣; 噴吹; CO
1 前 言
節(jié)能、減排和提質(zhì)是鐵礦粉燒結(jié)面臨的三大重任。近幾年，國(guó)內(nèi)外報(bào)道了在燒結(jié)料面噴吹介質(zhì)對(duì)燒結(jié)節(jié)能和質(zhì)量影響的研究，日本 JFE 通過(guò)噴吹液化氣技術(shù)改善了燒結(jié)礦氣孔結(jié)構(gòu)和燒結(jié)礦質(zhì)量，重點(diǎn)取得了改善表層燒結(jié)礦強(qiáng)度和底層燒結(jié)礦還原性的效果［1］; 同樣噴吹含氫介質(zhì)，梅鋼燒結(jié)噴吹焦?fàn)t煤氣也取得了改善燒結(jié)礦質(zhì)量和還原性的效果［2，3］。國(guó)內(nèi)曾就富氧燒結(jié)開(kāi)展過(guò)大量研究［4 ～7］，氧氣促進(jìn)燃料燃燒、有助于燒結(jié)提產(chǎn)的作用，也可用于與天然氣的綜合噴吹上［8］。利用燒結(jié)大煙道廢氣［9 ～14］或環(huán)冷機(jī)廢氣［15 ～17］進(jìn)行返回料面的熱風(fēng)燒結(jié)本質(zhì)上也屬于噴吹技術(shù)，有顯著的節(jié)能和減排效果。燒結(jié)料面噴吹蒸汽可提高燃料燃燒效率的效果已在首鋼京唐 550m 2 燒結(jié)機(jī)上被確定［18］。2018年1月1日，《環(huán)境保護(hù)稅法》頒布，將正式開(kāi)始對(duì)廢氣CO 污染物征稅，燒結(jié) CO 減排的意義重大。本文進(jìn)一步對(duì)燒結(jié)料面噴吹蒸汽影響燒結(jié)礦質(zhì)量和 CO 排放進(jìn)行了研究。
2 試驗(yàn)方法
為考察不同的噴吹制度對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量和排放的影響，本次試驗(yàn)所用鐵料為同一種，見(jiàn)表 1，最后兩個(gè)方案的焦粉配比從 3.7% 降到3.5%，以作為燃料配比降低后的對(duì)比。
3 噴吹蒸汽對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量的影響
表 3 和表 4 所示為各方案燒結(jié)杯試驗(yàn)的指標(biāo)。
噴吹蒸汽對(duì)燒結(jié)礦指標(biāo)的影響分析如下:
( 1) 方案 1 和 2 較基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)明顯降低，可能與其水分偏大導(dǎo)致垂直燒結(jié)速度過(guò)快有關(guān)系，同時(shí)蒸汽噴吹量過(guò)大也導(dǎo)致表層和中間層冷卻強(qiáng)度大，造成燒結(jié)礦急冷現(xiàn)象多，使轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度降低。
( 2) 方案 1 比 2 的成品率高 5． 7%，說(shuō)明蒸汽噴吹位置太靠前會(huì)影響成品率，這應(yīng)是由于點(diǎn)火后料層紅層相對(duì)較薄，蒸汽接觸紅層后進(jìn)行吸熱反應(yīng)，導(dǎo)致表層質(zhì)量變差形成返礦。
( 3) 方案 3 較基準(zhǔn)未噴 1 和 2 的指標(biāo)均顯著改善，其可能是方案 3 的水分較二者的相對(duì)為高所致。與水分接近的基準(zhǔn)未噴 3 相比，方案 3 的成品率降低5.3%，轉(zhuǎn)鼓和系數(shù)變化不大，分析認(rèn)為與噴吹位置太靠后有關(guān)—隨著高溫帶的下移，過(guò)后位置噴吹使蒸汽在表層和中間層停留過(guò)長(zhǎng)，也可能造成粉末多; 同時(shí)，粉末多也與本實(shí)驗(yàn)所使用蒸汽壓力和溫度低有關(guān)。
( 4) 方案 4 比 5 的成品率和轉(zhuǎn)鼓指數(shù)分別高3.4%和5.8%，方案 5 的噴吹總量稍高，其噴吹流量小，但其效果反而不如前者，可能也是由于噴吹蒸汽位置過(guò)后對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量不利所致。
( 5) 降燃料配比的系列，整體上看噴吹蒸汽的方案 6 較不噴吹蒸汽的指標(biāo)略好，其中成品率高1.3%，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)降低 2%，燃料消耗接近，但燒結(jié)全系數(shù)顯著提高。
( 6) 從方案 3、4、5 在噴吹總量接近時(shí)的燒結(jié)指標(biāo)看，后期連續(xù)噴吹的效果最好( 方案 3) ，早期間隔噴吹其次( 方案 4) ，從早期到后期的長(zhǎng)時(shí)間間斷噴吹效果最差( 方案 5) 。結(jié)合不同蒸汽噴吹量來(lái)看，效果更差的是如前所述的從燒結(jié)早期到后期的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)噴吹( 方案 1 和方案 2) ，效果更好的是低燃料配比時(shí)的低蒸汽量、長(zhǎng)時(shí)間間隔噴吹( 方案 6) ，即噴吹效果: 方案 6 ＞ 方案 3＞ 方案 4 ＞ 方案 5 ＞ 方案 1 ＞ 方案 2。方案 6 的效果最好，分析認(rèn)為這是蒸汽進(jìn)入燒結(jié)料層后發(fā)揮高溫反應(yīng)的效果也與燃料本身配比有關(guān)，二者的匹配性值得繼續(xù)探索研究。
( 7) 從降低燃料的最后兩個(gè)方案與之前方
案對(duì)比看，燃耗顯著降低了 2 ～10 kg/t。流量小，但其效果反而不如前者，可能也是由于噴吹蒸汽位置過(guò)后對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量不利所致。
( 5) 降燃料配比的系列，整體上看噴吹蒸汽的方案 6 較不噴吹蒸汽的指標(biāo)略好，其中成品率高1.3%，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)降低 2%，燃料消耗接近，但燒結(jié)全系數(shù)顯著提高。
( 6) 從方案 3、4、5 在噴吹總量接近時(shí)的燒結(jié)指標(biāo)看，后期連續(xù)噴吹的效果最好( 方案 3) ，早期間隔噴吹其次( 方案 4) ，從早期到后期的長(zhǎng)時(shí)間間斷噴吹效果最差( 方案 5) 。結(jié)合不同蒸汽噴吹量來(lái)看，效果更差的是如前所述的從燒結(jié)早期到后期的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)噴吹( 方案 1 和方案 2) ，效果更好的是低燃料配比時(shí)的低蒸汽量、長(zhǎng)時(shí)間間隔噴吹( 方案 6) ，即噴吹效果: 方案 6 ＞ 方案 3＞ 方案 4 ＞ 方案 5 ＞ 方案 1 ＞ 方案 2。方案 6 的效果最好，分析認(rèn)為這是蒸汽進(jìn)入燒結(jié)料層后發(fā)揮高溫反應(yīng)的效果也與燃料本身配比有關(guān)，二者的匹配性值得繼續(xù)探索研究。
( 7) 從降低燃料的最后兩個(gè)方案與之前方案對(duì)比看，燃耗顯著降低了 2 ～10 kg/t。
( 8) 圖 1 所示為不考慮具體噴吹位置，僅分析噴吹蒸汽量與燒結(jié)指標(biāo)的關(guān)系?？梢?jiàn)，隨著噴吹量的增加，燒結(jié)礦指標(biāo)基本呈現(xiàn)穩(wěn)定然后變差的趨勢(shì)。燒結(jié)指標(biāo)變化不大的蒸汽噴吹量為 ＜0.01m 3 ，折算到燒結(jié)料重量為 ＜ 0.01%，或者為噸燒結(jié)料噴吹 ＜100 g 蒸汽。此數(shù)量級(jí)為京唐現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際蒸汽噴吹量的 1/20。分析認(rèn)為，燒結(jié)杯試驗(yàn)所用蒸汽的壓力較京唐現(xiàn)場(chǎng)使用的低0.2MPa，溫度低 30 ℃，可以預(yù)見(jiàn)工業(yè)生產(chǎn)中所能容納的適宜蒸汽噴吹量在燒結(jié)杯試驗(yàn)中將降低。
整體上看，由于燒結(jié)杯試驗(yàn)蒸汽的溫度和壓力均比實(shí)際工業(yè)低，會(huì)一定程度影響噴吹效果。從燒結(jié)杯試驗(yàn)分析，蒸汽噴吹存在適宜量和噴吹范圍，在此適宜范圍內(nèi)噴吹蒸汽對(duì)提高燒結(jié)礦質(zhì)量有利，否則將產(chǎn)生負(fù)面影響。因此在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)上使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行適宜蒸汽量和噴吹位置的摸索。
4 噴吹蒸汽對(duì)燒結(jié)廢氣 CO 含量的影響
圖 2 ～3 所示為噴吹蒸汽對(duì)燒結(jié)廢氣 CO 含量的影響?？梢?jiàn)在不噴吹蒸汽時(shí)，CO 含量在燒結(jié)過(guò)程中段基本呈現(xiàn)逐步升高的形態(tài)( 隨工況變化 CO 含量有一定波動(dòng)) ; 而噴吹蒸汽后，在噴吹期間，廢氣中 CO 含量呈現(xiàn)被拉低的趨勢(shì)，噴吹結(jié)束后 CO 含量再次升高。這說(shuō)明噴吹蒸汽對(duì)于燒結(jié)廢氣 CO 有減排效果。從 CO 曲線波峰波谷看，噴吹蒸汽可使燒結(jié)過(guò)程 CO 含量降低1 000～2 000 ppm 以上。
5 結(jié) 論
( 1) 燒結(jié)料面噴吹蒸汽起到了降低 CO 的效果，尤其降低 CO 的效果明顯; 燒結(jié)杯條件下( 50kg 料) 噴吹蒸汽 0． 002 ～0． 032 m 3 ，CO 峰值含量降低 1 000 ～2 000 ppm 以上。
( 2) 由于在管道末端，本次燒結(jié)杯試驗(yàn)所用蒸汽量的壓力和溫度均較工業(yè)使用時(shí)低，一定程度影響燒結(jié)礦的質(zhì)量如成品率指標(biāo)。
( 3) 存在可改善燒結(jié)礦質(zhì)量的適宜噴吹量，料面噴吹蒸汽位置不能過(guò)前也不能過(guò)后; 實(shí)際使用時(shí)應(yīng)摸索適宜的蒸汽量，噴吹量逐步由小到大進(jìn)行嘗試。