郭會良  呂玉新  紀召毅  王宏霞  谷國華  趙麗明

（山東泰山鋼鐵集團有限公司  山東濟南 271100）

摘  要：文章重點介紹了燒結(jié)礦的脫硫率，主要與燃料的性質(zhì)、混合料的性質(zhì)操作等因素有關(guān)。根據(jù)研究，燃料加量在3.5~4.0%時，燒結(jié)礦脫硫率最高，主要是由于在這一范圍內(nèi)燃燒具有合適的溫度，且燃燒氣氛有利于硫元素的反應(yīng)，3mm以下的燃料占比在70%左右時脫硫率達到峰值；混合料中粒度在6~8mm時脫硫率最高；低堿度有利于硫元素的脫除，料層厚度的升高對脫硫率的提升有害。

關(guān)鍵詞：燒結(jié)；脫硫；燃料；操作

1  前言

燒結(jié)過程是含鐵原料在燃料的燃燒作用下完成物理化學(xué)變化的過程，最終生成多孔狀的固體混合物。由于在這一過程中需要進行燃燒，而燃料中和礦粉中含有的大量非鐵雜質(zhì)就會由燃燒得以釋放。硫元素在燒結(jié)礦中屬于有害雜質(zhì)，硫元素的提高能大幅度降低冶金性能，如低溫還原粉化率、還原性等，因此，必須嚴格控制脫硫率。

燒結(jié)過程的脫硫其實就是硫元素的化學(xué)反應(yīng)過程，只要控制好化學(xué)反應(yīng)氣氛就可保證脫硫效果，脫硫反應(yīng)大都屬于固氣兩相界面的反應(yīng)，因此，適宜的燒結(jié)溫度、巨大的反應(yīng)接觸面積、良好的氣體擴散條件和充足的氧氣供應(yīng)等能增加硫元素的反應(yīng)程度。所以，影響脫硫效果的主要因素有燃料的性質(zhì)、混合料的性質(zhì)、操作條件等。

2  影響因素

2.1  燃料的性質(zhì)

燃料性質(zhì)直接關(guān)系到燒結(jié)過程的溫度變化和反應(yīng)氣氛，其性質(zhì)主要有兩方面，其一是燃料的加量，其二是燃料的粒度組成。燃料的加量可影響燒結(jié)和脫硫反應(yīng)的溫度環(huán)境，加量較少時溫度較低，反應(yīng)受限，加量較多時溫度峰值較大，可產(chǎn)生大量液相。而燃料的粒度主要影響燃燒過程的速率，粒度小，燃燒快，反之燃燒慢。燃料性質(zhì)與脫硫效果的關(guān)系見圖1。

從圖1中可以看出，隨著燃料加量的增加，燒結(jié)礦含硫量先減少后降低，脫硫率先上升后下降。這是因為當燃料加量較少時，燒結(jié)溫度較低，而很多硫元素的脫除反應(yīng)活化能較高，如硫酸鹽，導(dǎo)致反應(yīng)受到抑制。隨著燃料加量的增加，燒結(jié)溫度逐漸提升，脫除反應(yīng)得到促進。當燃料繼續(xù)增加時，整個體系溫度過高，燃料燃燒時消耗大量O₂，使得脫除反應(yīng)中氧濃度下降，還原氣氛增強，而且液相增加，降低了固體的反應(yīng)面積，另外，過高的溫度使得FeO含量增加，易與FeS形成共熔體或共晶，抑制了硫化物的脫除，使得燒結(jié)礦中硫元素殘留增加，脫硫率下降。

圖1 燃料性質(zhì)對脫硫效果的影響

燃料粒級組成是燃料的重要指標，通常用-3mm粒級含量表示，當燃料粒度較粗時，其分布存在不均勻性，與燃料接觸的混合料顆粒溫度較高，但還原氣氛較強，不與燃料接觸的顆粒溫度相對降低，氧化氣氛強，這就導(dǎo)致脫除反應(yīng)兩極分化，脫硫率下降。隨著燃料粒度的增加，其分散相對均勻，燒結(jié)溫度和燒結(jié)速度適中，體系的氧化氣氛增加，脫硫效果提升。而當燃料粒度極細時，垂直燃燒速度加快，但燃燒熱量降低，而且部分燃料會隨氣流損失，降低了燃料的利用率，從而使得脫硫率下降。根據(jù)經(jīng)驗，通常將燃料粒度控制在-3mm粒級含量在70±5%之間。

另外，燃料本身就含有一定量的硫元素，在燃燒時會轉(zhuǎn)化成SO₂，當其絕對含硫量較多時會增加燒結(jié)礦中的殘余硫元素，而且若燃燒環(huán)境不佳，存在燃燒不充分現(xiàn)象，也會增加燒結(jié)礦中單質(zhì)硫和有機硫的含量。因此，為保證燒結(jié)質(zhì)量的穩(wěn)定，在優(yōu)化燃料用量和粒度的基礎(chǔ)上控制燃料的含硫量，而且保證較好的燃燒環(huán)境。

2.2  混合料性質(zhì)

混合料是硫元素的主要載體，也是脫除過程的反應(yīng)場所，對反應(yīng)的環(huán)境起到至關(guān)重要的作用，尤其是對于反應(yīng)界面的多少、透氣性及氣體擴散性等有直接關(guān)系?；旌狭系男再|(zhì)中的粒度大小對脫硫效果影響最大，兩者關(guān)系見圖2。

混合料的最大粒度指在篩分過程中篩上累計達到10%時對應(yīng)的篩孔尺寸，最大粒度越大，混合料的平均粒徑就越大。當混合料最大粒度較小時，整體粒徑偏小，雖然比表面積較大，有足夠的反應(yīng)界面，但是混合料堆積過程中密實現(xiàn)象嚴重，導(dǎo)致透氣性大大降低，O₂供應(yīng)量嚴重不足，從而抑制了氧化反應(yīng)的進行。隨著粒度的增加，透氣性加強，O₂和SO₂的擴散效果提升，而且有助于熱量的傳遞，使得硫元素的氧化反應(yīng)得到促進，脫硫率提升。而當粒度進一步增大時，透氣性過大，導(dǎo)致燒結(jié)溫度下降，大量熱量隨氣流散失，而且大顆粒內(nèi)部產(chǎn)生欠燒現(xiàn)象，生料增多，部分硫元素來不及反應(yīng)就進入卸料區(qū)域，從而導(dǎo)致了燒結(jié)礦中硫元素的殘余量增加。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，混合料的最大粒度在6~8mm時得到的燒結(jié)礦質(zhì)量較好，脫硫率最高。

圖2 混合料粒度對脫硫效果的影響

除了混合料的粒度，品位、脈石種類和含量、硫元素的含量、水分大小等因素也是影響脫硫效果的因素。一般當混合料品位較高時，采用高溫?zé)Y(jié)，有利于硫元素的脫除，而脈石含量較多時，尤其是硫酸鹽脈石較多時，硫元素會發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)變化，導(dǎo)致某些硫酸鹽共熔晶體的產(chǎn)生，抑制了硫元素的脫除。水分的大小通過透氣性來影響脫硫效果，水分低，制粒效果差，透氣性變差，而水分偏高，混合料泥化現(xiàn)象嚴重，同樣造成透氣性差，脫硫效果不佳，而且高水分導(dǎo)致燒結(jié)溫度下降，抑制了硫酸鹽礦物的反應(yīng)。

2.3  操作及其他因素

堿度是燒結(jié)礦質(zhì)量的重要參數(shù)，堿度的調(diào)節(jié)可通過配料過程中改變石灰石或生石灰的加量來控制，目前各廠家燒結(jié)礦的堿度各不相同，但是目前都普遍采用高堿度燒結(jié)礦。堿度的變化對燒結(jié)氣氛產(chǎn)生一定的影響，進而改變了硫元素反應(yīng)的環(huán)境。堿度的變化對脫硫效果的影響見圖3。

圖3 燒結(jié)礦堿度對脫硫效果的影響

堿度的提升意味著燒結(jié)礦內(nèi)堿性物質(zhì)，如鈣、鎂等物質(zhì)含量的升高，這些物質(zhì)與鐵氧化物反應(yīng)生成低熔點的鐵酸鈣等，導(dǎo)致體系的熔化溫度低，在相同的燒結(jié)環(huán)境中液相物增加，惡化了透氣性和氣體的擴散條件，導(dǎo)致混合料周圍O₂濃度下降，從而降低了脫硫效果。在燃料配比相同堿度不同的情況下，堿度高的體系燒結(jié)溫度會下降，不利于脫硫反應(yīng)的進行。另外，高溫環(huán)境下，堿性物質(zhì)CaO和CaCO₃的化學(xué)性質(zhì)極為活潑，可以與酸性氧化物SO₂強烈反應(yīng)，生成固體硫酸鹽并結(jié)合在鐵氧化物的晶格中，導(dǎo)致脫硫率的下降。堿性物質(zhì)的物理性質(zhì)也對脫硫過程產(chǎn)生較大影響，當石灰石、生石灰等顆粒較細時，比表面積較大，反應(yīng)面積提升，吸收SO₂、SO₃等酸性物質(zhì)的能力增加，脫硫效果下降。當堿性物質(zhì)粒度較大時，比表面積下降，特別是石灰石在高溫環(huán)境下會釋放出CO₂，提高了氣體的分壓，抑制了SO₂的生成，同樣對脫硫產(chǎn)生抑制。總體來說，燒結(jié)礦品位越低、堿度越高，對脫硫效果的影響就越大。根據(jù)經(jīng)驗，相同品位情況下，堿度每提升0.5，脫硫率下降2~5%；相同堿度情況下，燒結(jié)礦品位每降低0.5%，脫硫率下降0.5~2%。

料層厚度是又一重要的操作指標，目前很多企業(yè)追求厚料層燒結(jié)，料層厚度甚至達到1000mm以上，厚料層燒結(jié)可提高產(chǎn)量，降低能耗，但是對燒結(jié)過程的控制極為嚴格，尤其是對于透氣性的改善，是影響厚料層的關(guān)鍵技術(shù)。料層厚度與脫硫效果的關(guān)系見圖4。

料層厚度主要對燒結(jié)過程的透氣性產(chǎn)生影響，當料層較?。ǎ?00mm）時，透氣性較好，不用采用專門的措施即可達到良好的燒結(jié)指標，此時料層內(nèi)部O₂供應(yīng)量充足，溫度適中，硫元素的脫除反應(yīng)可順利進行。當料層厚度超過700mm后透氣性會急劇惡化，通常會采用松料器等設(shè)備強制疏松料層，但是效果不佳，透氣性的下降使得料層內(nèi)部氣體擴散效果受阻，O₂供應(yīng)量減少，且生成的SO₂難以迅速稀釋，使得體系中SO₂的分壓增大，抑制了脫除反應(yīng)的進行。此外，厚料層使得過濕層厚度提升，對SO₂等酸性氣體的吸收量增加，在而且這部分硫元素在蓄熱作用下可轉(zhuǎn)移到燒結(jié)礦的晶格中，造成硫元素殘余量升高。隨著對燒結(jié)透氣性認識的提升，很多廠家在混合制粒階段入手，降低制粒過程的微細粒含量，增加大顆粒和球形顆粒的占比，這樣可適當提升料層厚度而不至于脫硫效果下降過大。

圖4 料層厚度對脫硫效果的影響

返礦是燒結(jié)過程中重要的循環(huán)物質(zhì)，一方面有助于保護燒結(jié)機不受強熱變形，增加料層透氣性，但另一方面增加了燒結(jié)機的循環(huán)負荷，降低了產(chǎn)量。在改善透氣性方面，返礦的增加對脫硫效果的提升是有益的，但是返礦同時可促使液相物的生成，導(dǎo)致對硫元素的吸收增加，另外，返礦中殘余的硫元素會通過化學(xué)作用重新進入燒結(jié)礦或在燒結(jié)工藝中循環(huán)，對脫硫產(chǎn)生不利影響。

除了上述幾種操作因素外，布料的偏析程度、料面的平整度、燒結(jié)機速、含水率、點火溫度等都可對脫硫過程產(chǎn)生影響，它們的影響機理通過硫元素的反應(yīng)溫度、反應(yīng)界面和氣體的擴散程度起作用。但各因素之間的影響程度有大有小，因此，控制好多因素之間的協(xié)調(diào)關(guān)系是提高脫硫效果的重點。

3  對現(xiàn)場的指導(dǎo)

基于上述研究，在生產(chǎn)中控制燒結(jié)氣氛要比后期進行煙氣處理更容易節(jié)約成本和達到排放標準，因此，主要的措施如下：

（1）燃料加量在3.5~4.0%時，燒結(jié)礦脫硫率最高，主要是由于在這一范圍內(nèi)燃燒具有合適的溫度，且燃燒氣氛有利于硫元素的反應(yīng)，另外，確保燃料粒度-3mm在70%左右。

（2）確保燒結(jié)礦混合料的粒度在6~8mm，此時的脫硫率達到最大值；

（3）低堿度有利于硫元素的脫除，料層厚度的升高對脫硫率的提升有害，因此，在生產(chǎn)中建議使用低堿度薄料層。