郭會(huì)良；楊逢庭；紀(jì)召毅；王宏霞；谷國(guó)華；趙麗明

（山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 271100）

摘要：文章重點(diǎn)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(shí)，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(shí)脫硫率達(dá)到峰值；混合料中粒度在6~8mm時(shí)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(duì)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(guò)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(guò)程，最終生成多孔狀的固體混合物。由于在這一過(guò)程中需要進(jìn)行燃燒，而燃料中和礦粉中含有的大量非鐵雜質(zhì)就會(huì)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(yán)格控制脫硫率。

燒結(jié)過(guò)程的脫硫其實(shí)就是硫元素的化學(xué)反應(yīng)過(guò)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(kuò)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(guò)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(shí)溫度較低，反應(yīng)受限，加量較多時(shí)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(guò)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(jiàn)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?yàn)楫?dāng)燃料加量較少時(shí)，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(jìn)。當(dāng)燃料繼續(xù)增加時(shí)，整個(gè)體系溫度過(guò)高，燃料燃燒時(shí)消耗大量O₂，使得脫除反應(yīng)中氧濃度下降，還原氣氛增強(qiáng)，而且液相增加，降低了固體的反應(yīng)面積，另外，過(guò)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(duì)脫硫效果的影響

燃料粒級(jí)組成是燃料的重要指標(biāo)，通常用-3mm粒級(jí)含量表示，當(dāng)燃料粒度較粗時(shí)，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(qiáng)，不與燃料接觸的顆粒溫度相對(duì)降低，氧化氣氛強(qiáng)，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(duì)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(dāng)燃料粒度極細(xì)時(shí)，垂直燃燒速度加快，但燃燒熱量降低，而且部分燃料會(huì)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(yàn)，通常將燃料粒度控制在-3mm粒級(jí)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(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化成SO₂，當(dāng)其絕對(duì)含硫量較多時(shí)會(huì)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(huì)增加燒結(jié)礦中單質(zhì)硫和有機(jī)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(guò)程的反應(yīng)場(chǎng)所，對(duì)反應(yīng)的環(huán)境起到至關(guān)重要的作用，尤其是對(duì)于反應(yīng)界面的多少、透氣性及氣體擴(kuò)散性等有直接關(guān)系?；旌狭系男再|(zhì)中的粒度大小對(duì)脫硫效果影響最大，兩者關(guān)系見(jiàn)圖2。

混合料的最大粒度指在篩分過(guò)程中篩上累計(jì)達(dá)到10%時(shí)對(duì)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(dāng)混合料最大粒度較小時(shí)，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(guò)程中密實(shí)現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致透氣性大大降低，O₂供應(yīng)量嚴(yán)重不足，從而抑制了氧化反應(yīng)的進(jìn)行。隨著粒度的增加，透氣性加強(qiáng)，O₂和SO₂的擴(kuò)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(jìn)，脫硫率提升。而當(dāng)粒度進(jìn)一步增大時(shí)，透氣性過(guò)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(lái)不及反應(yīng)就進(jìn)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(yàn)，混合料的最大粒度在6~8mm時(shí)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(duì)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(dāng)混合料品位較高時(shí)，采用高溫?zé)Y(jié)，有利于硫元素的脫除，而脈石含量較多時(shí)，尤其是硫酸鹽脈石較多時(shí)，硫元素會(huì)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(guò)透氣性來(lái)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(yán)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(guò)配料過(guò)程中改變石灰石或生石灰的加量來(lái)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(duì)燒結(jié)氣氛產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而改變了硫元素反應(yīng)的環(huán)境。堿度的變化對(duì)脫硫效果的影響見(jiàn)圖3。

圖3 燒結(jié)礦堿度對(duì)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(diǎn)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(kuò)散條件，導(dǎo)致混合料周?chē)鶲₂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(huì)下降，不利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)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(qiáng)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(duì)脫硫過(guò)程產(chǎn)生較大影響，當(dāng)石灰石、生石灰等顆粒較細(xì)時(shí)，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(dāng)堿性物質(zhì)粒度較大時(shí)，比表面積下降，特別是石灰石在高溫環(huán)境下會(huì)釋放出CO₂，提高了氣體的分壓，抑制了SO₂的生成，同樣對(duì)脫硫產(chǎn)生抑制?？傮w來(lái)說(shuō)，燒結(jié)礦品位越低、堿度越高，對(duì)脫硫效果的影響就越大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(biāo)，目前很多企業(yè)追求厚料層燒結(jié)，料層厚度甚至達(dá)到1000mm以上，厚料層燒結(jié)可提高產(chǎn)量，降低能耗，但是對(duì)燒結(jié)過(guò)程的控制極為嚴(yán)格，尤其是對(duì)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(jiàn)圖4。

料層厚度主要對(duì)燒結(jié)過(guò)程的透氣性產(chǎn)生影響，當(dāng)料層較?。ǎ?00mm）時(shí)，透氣性較好，不用采用專門(mén)的措施即可達(dá)到良好的燒結(jié)指標(biāo)，此時(shí)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(jìn)行。當(dāng)料層厚度超過(guò)700mm后透氣性會(huì)急劇惡化，通常會(huì)采用松料器等設(shè)備強(qiáng)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(kuò)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(jìn)行。此外，厚料層使得過(guò)濕層厚度提升，對(duì)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(duì)燒結(jié)透氣性認(rèn)識(shí)的提升，很多廠家在混合制粒階段入手，降低制粒過(guò)程的微細(xì)粒含量，增加大顆粒和球形顆粒的占比，這樣可適當(dāng)提升料層厚度而不至于脫硫效果下降過(guò)大。

圖4 料層厚度對(duì)脫硫效果的影響

返礦是燒結(jié)過(guò)程中重要的循環(huán)物質(zhì)，一方面有助于保護(hù)燒結(jié)機(jī)不受強(qiáng)熱變形，增加料層透氣性，但另一方面增加了燒結(jié)機(jī)的循環(huán)負(fù)荷，降低了產(chǎn)量。在改善透氣性方面，返礦的增加對(duì)脫硫效果的提升是有益的，但是返礦同時(shí)可促使液相物的生成，導(dǎo)致對(duì)硫元素的吸收增加，另外，返礦中殘余的硫元素會(huì)通過(guò)化學(xué)作用重新進(jìn)入燒結(jié)礦或在燒結(jié)工藝中循環(huán)，對(duì)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(jī)速、含水率、點(diǎn)火溫度等都可對(duì)脫硫過(guò)程產(chǎn)生影響，它們的影響機(jī)理通過(guò)硫元素的反應(yīng)溫度、反應(yīng)界面和氣體的擴(kuò)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(diǎn)。

3    對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行煙氣處理更容易節(jié)約成本和達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，因此，主要的措施如下：

（1）燃料加量在3.5~4.0%時(shí)，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(shí)的脫硫率達(dá)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(duì)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。