烟气氧含量对循环烧结的影响研究.pdf

第3 5 卷第6 期 2 0 1 5 年1 2 月 矿冶工程 妇N 卫V GA N D ⅧT A I ．L U R G I C A LE N G 耵忸E R ⅡV G V 0 1 ．3 5 №6 D e c e m b e r2 0 1 5 烟气氧含量对循环烧结的影响研究① 熊林，李咸伟，李建 宝山钢铁股份有限公司研究院，上海2 0 1 9 9 9 摘要为优化烟气循环烧结技术、实现节能减排，在实验室条件下，通过模拟烟气研究了循环烟气氧含量对烧结产质量指标、烟 气成分排放规律、烟气温度、冶金性能和矿相组成的影响。结果表明随着循环烟气氧含量增加，垂直烧结速度、成品率、生产率和 转鼓强度都逐渐升高。循环烟气氧含量不低于1 8 ％时，氧含量变化对烧结过程燃烧率的影响有限，但循环烟气氧含量的减少会使 烧结烟气中的氧含量降低，抑制烧结矿铁酸钙的生成，使还原度略有下降，低温还原粉化性能得到改善。与基准相比，采用循环烧 结会延长料层高温维持时间并使循环烟气中的S 0 产生富集。将循环烟气氧含量控制在1 8 ％以上，可得到产质量指标良好、矿相 组成合理的烧结矿。 关键词铁矿石；烧结；烧结烟气；烟气循环；氧含量 中图分类号T F 0 4 6文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 5 ．0 6 ．0 2 7 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 5 0 6 0 1 0 9 一0 5 E f f e c to fo x y g e nC o n t e n ti nF l u eG 嬲o nC y c U cS i n t e r i I 曙P r o c e s s X 1 0 N G “n ，UX i a n w e i ，UJ i 卸 胍e 口以加f 如疵矿胁s 口凡，r o n 跏e fc o 厶d ，‰啦谢2 0 1 9 9 9 ，醌i 耽 A b s t r a c t F o rt h ep u 印o s eo fo p t i m i z i n gc y c l i cs i n t e r i n gp r o c e s sa n dr e a c h i n gt h ea i mo fe n e r g r - s a V i n ga I l de m i s s i o n r e d u c t i o n ，e 丑- e c t so fo x y g e nc o n t e n ti n t h ec i r c u l a t e dn u eg a so nt h e r i e l da n dq u a l i t yi n d e x e s ，e m i s s i o n1 1 l l eo f c o n s t i t u e n t si nt h en u eg a s ，n u eg a s t e m p e r a t u r e ， m e t a l l u r g i c a lp m p e r t i e s ，a n dm i n e r a l o g i c a lc o m p o s i t i o n sw e r e e x p e r i m e n t a Ⅱys t u d i e dw i t hs i m u l a t e dn u eg a s ．R e s u l t ss h o wt h a tw i t I lt } I ei n c r e 鹊i n go fo x y g e nc o n t e n ti nc i r c u l a t e dn u e g a s ，t h ev e r t i c a ls i n t e r i n gs p e e d ，y i e l d ，p r o d u c t i v i t y 锄dd r u ms t l ．e n g t ha r ea Ug r a d u a l l yi n c r e 硒e d ．T h e 似y g e nc o n t e n t i nc i r c u l a t e dn u eg a s ，i fn ol e s st h a J l1 8 ％，h a sl e s si m p a c to nt l l ec o m b u s t i o nm t eo fs i n t e r i n gp m c e s s ．H o w e V e r ，t h e 甜l i n go x y g e nc o n t e n ti nt h ec i r c u l a t e dn u eg 鹊w i l lr e s u l ti nt l l eo x y g e nc o n t e n ti ns i n t e r i n g Ⅱu eg 酗d e c r e 鹊e d 锄dt I l e g e n e r a t i o no fc a l c i u mf b 而t ei n h i b i t e d ．C o n s e q u e n t l y ，t l l er e d u c t i o no fs i n t e r 诵Ub ed e c r e a s e ds l i g h t l ya n d 兄D _ i s i m p r o v e d ．B a s e do nb e n c h m a r k i n g ，c y c l i cs i n t e r i n gp r o c e s s c a np r o l o n gt h et i m eo fs i n t e r i n gb e db e i n ga th i g h t e m p e r a t u r e ，a n dr e s u l ti nS 0 2e 埘c h e dj nt h ef i n a ls i n t e r i n gf l u eg 酗．I ti sc o n c l u d e dt } l a tk e e p i n gt l l eo x y g e nc o n t e n ti n t h ec i r c u l a t e dn u eg a sa b o v e18 ％c a I ll e a dt ot l l es i n t e r e dp r o d u c tw i t } lf a v o r a b l em i n e r a l o g i c a lc o m p o s i t i o n sa n dg o o d q u a l i t yi n d e x e s ． K e yw o r d s i r o no r e ；s i n t e r i n g ；s i n t e r i n gg a s ；n u eg a sc i r c u l a t i o n ；o x y g e nc o n t e n t 近年来，随着我国钢铁产量的迅猛增长，能源消耗 与环境保护之间的矛盾日益突出，实现“节能减排”成 为钢铁工业可持续发展的必然要求。烧结工序能耗占 整个钢铁企业能耗的1 0 ％，是仅次于高炉炼铁的第二 大耗能工序J 。但有研究表明旧qJ ，占烧结工序能耗 5 0 ％以上的烧结机主烟道烟气余热和环冷机废气余热 未能得到全面有效利用。为回收烧结烟气余热和降低 污染物排放，国外先后开发了优化烧结排放法 E O S 和E p o s i n t 环保型烧结工艺，取得了较好的节能减排效 果H 。5J 。国内近年来也开展了一些烟气循环烧结相关 技术研究M 。9J ，但对循环烟气氧含量变化对循环烧结 产质量指标、烧结过程、矿相组成和烟气成分排放规律 等的影响还未见系统研究。本文通过模拟烧结烟气深 入研究了循环烟气氧含量对烟气循环烧结的影响，为 优化循环烧结氧含量控制提供依据。 1 实验 1 ．1 实验原料 实验原料均来自烧结生产现场，实验所用原料化 学成分如表1 所示，焦粉工业分析及灰成分如表2 3 ①收稿日期2 0 1 5 0 6 一0 6 作者简介熊林 1 9 8 2 一 ，男，湖南怀化人，工程师，硕士，主要研究方向为配矿与烧结技术。 万方数据 l l O 矿冶工程 第3 5 卷 所示。由表l 可知，匀矿的铁品位较高，S i O 含量适 中，S 含量较低。生石灰c a O 含量为8 5 ．7 9 ％，品质较 好。由表2 3 可知，焦粉固定碳含量高灰分低，分别 为8 5 ．9 4 ％和1 2 ．4 2 ％。 表1 实验原料化学成分及烧损 质量分数 ／％ 1 ．2 实验设备 模拟烟气循环烧结实验主体设备示意图如图l 所 示。实验所用模拟热烟气由烟气发生器产生，通过控 制助燃气和煤气流量可使烟气发生器产生2 0 0 ℃的模 拟热烟气，并根据实验需要用气瓶向热烟气中输入氧 气／混合气等对模拟热烟气成分进行进一步调节。在 烧结杯炉篦条下面设置K 型热电偶，采用N I 生产的 P X I E 一1 0 7 8 型温度数据采集仪在线记录烧结烟气温 度。采用德国M R u 公司制造的D 2 0 0 0 C D I V 型烟气 分析仪检测模拟热烟气的温度和成分，V A 瞰OP L u S 增强型烟气分析仪检测烧结烟气中O 、C O 、C O 、s O 和N O 。等气体含量的变化情况。 煤气 助燃 空气 1 ．3 实验方法 采用相同原燃料和制粒水分进行了编号为J z 、 0 2 ．1 8 、0 2 1 9 和0 2 2 0 的4 组烧结实验，其中J z 基 准 为常规烧结，O 一1 8 、0 一1 9 和O 一2 0 为模拟烟气循 环烧结 循环烟气温度同为2 0 0 ℃，烟气氧含量分别 为1 8 ％、1 9 ％和2 0 ％ 。 烟气循环烧结实验方法将烧结原料进行配料和 混合制粒后，用自动布料器装入①3 0 0m m 7 0 0m m 烧结杯内，料高7 0 0m m ，然后进行点火烧结，点火温度 l0 5 0 5 0 ℃，点火时间2 ．0m i n 。点火结束后立刻将 烟气罩旋转至烧结杯上方，并保证烟气罩和烧结杯连 接处为微正压状态，防止过多的冷空气吸人烧结杯，当 烧结烟气温度开始快速升高后移开烟气罩，以此模拟 循环烧结时循环烟气进入烧结料层的工艺过程。烧结 结束后，对烧结矿进行冷却、破碎和筛分处理，并采用 J I S 标准对转鼓强度 ” 、还原性 彤 和低温还原粉 化率 删 进行检测。 2 实验结果及讨论 2 ．1 循环烟气氧含量对烧结产质量的影响 图2 为循环烟气氧含量对烧结矿产质量的影响。 从图2 中可以看出，随着循环烟气氧含量增加，烧结矿 垂直烧结速度、成品率、生产率和转鼓强度都呈现逐渐 上升趋势，循环烟气氧含量从1 8 ％提高到2 0 ％，烧结 垂直烧结速度、成品率、生产率和转鼓强度分别从 2 4 ．3 8 咖n ／m i n 、7 7 ．0 3 ％、1 ．5 6L ／ m 2 h 和5 3 ．0 4 ％增 加到了2 7 ．2 7 眦n ／I I l i n 、7 7 ．3 6 ％、1 ．7 7 ∥ m 2 h 和5 5 ．2 2 ％。 与J z 相比，循环烟气氧含量为1 8 ％时，烧结矿垂直烧 结速度、生产率和转鼓强度有所降低，成品率则增加了 一个百分点。当循环烟气氧含量增加到1 9 ％时，除垂直 烧结速度略低于J z 以外，其余产质量指标开始优于J z 。 图1模拟烟气循环烧结实验主体设备示意 图2 循环烟气氧含量对烧结矿产质量的影响 万方数据 第6 期熊林等烟气氧含量对循环烧结的影响研究 循环烟气氧含量进一步增加到2 0 ％时，烧结矿各产质 量指标已全面优于J z 。因此，采用循环烧结时，将循 环烟气氧含量控制在1 8 ％以上，既有利于烧结矿转鼓 强度的提高，又有助于保持或增加烧结矿产量。 2 ．2 循环烟气氧含量对烧结烟气成分和温度的影响 图3 为氧含量对烧结烟气O 、C O 和C O 含量的 影响。由图3 可知，采用烟气循环烧结以后，烧结烟气 中的氧含量出现了明显下降，循环烟气氧含量越低，烧 结烟气中的氧含量也越低。当循环烟气氧含量为 1 8 ％时，其烧结过程中烟气的平均氧含量相比O - 2 0 和J z 分别下降了1 ．4 7 ％和1 ．9 5 ％。循环烟气氧含量从 2 0 ％降到1 9 ％，烧结烟气C O 变化较小，但C O 含量明 显升高，当循环烟气氧含量进一步降到1 8 ％以后，烧 结烟气c O 和c O 含量都有明显下降。 图3循环烟气氧含量对烧结烟气O 、C O 和C O 含量的影响 循环烟气氧含量是影响烧结燃料燃烧效率的重要 因素，其对烧结燃烧率 烧结烟气中C O ／ C O C O 1 0 0 ％ 的影响如图4 所示。从图4 中可以看出，在烧 结过程中，循环烟气氧含量从2 0 ％降到1 9 ％，烧结燃 烧率有所降低，当降到1 8 ％时，燃烧率略有回升，但烧 结时间明显延长。在整个烧结过程中，J z 、O 1 8 、O 1 9 和O ，一2 0 的平均燃烧率分别为8 9 ．9 5 ％、9 1 ．1 0 ％、9 0 ．9 9 ％ 和9 1 ．6 7 ％，相差较小，说明在循环烟气氧含量不低于 1 8 ％时，循环烟气氧含量的变化主要影响烧结烟气中 残留的氧含量，从而对烧结气氛产生影响，其对烧结过 程燃烧率的影响有限。 图4 循环烟气氧含量对烧结燃烧率的影响 图5 为氧含量对烧结烟气S O 和N O ，含量的影响。 由图5 可知，烟气循环烧结 O 1 8 、O 一1 9 和O - 2 0 和 常规烧结 J z 的S O 的排放规律基本相似。点火保 温完成之后，烟气中s O 含量维持在较低水平。随着 烧结料层过湿带开始消失，烟气中s O 含量快速上升， 直至出现明显的峰值。与J Z 烧结烟气S O 的峰值 0 ．0 5 8 ％ 相比，烟气循环烧结条件下，循环烟气氧含 量为1 8 ％、1 9 ％和2 0 ％时的烧结烟气S O 峰值分别为 0 ．0 6 6 3 ％、O ．0 7 4 3 ％和0 ．0 8 2 5 ％，比J Z 烧结烟气S 0 2 最 大值高1 4 ．3 l ％、2 8 ．1 0 ％和4 2 ．2 4 ％。循环烟气中的 S O ，在烧结过程中产生了富集，且循环烟气氧含量越 高，烧结烟气中S O 富集得越多。这一结果表明，通过 将低浓度s O 烟气进行循环，可使s O 在烧结过程中产 生富集后再集中排放，从而减少烟气的处理量。从图5 中还可以看出，随着实验条件的改变，烧结烟气N O ；排 放规律高度一致，烟气中N O ，含量没有明显差异 享 ＼ 衄 缸 分 Z 扩 璺 姆 璎 枣 ＼ 跚 缸 o 力 扩 聚 姆 璎 图5 氧含量对烧结烟气S O 和N O 。含量的影响 采用循环烧结以后，循环烟气氧含量的变化不仅 对烧结烟气成分产生影响，也会对烧结烟气温度产生 影响。通过在烧结杯炉篦条下面安装热电偶测得不同 实验条件下的烧结烟气温度如图6 所示。从图6 中可 以看出，与J z 相比，在循环烧结条件下的烧结烟气最 高温度增加不明显，J z 、O 一1 8 、0 一1 9 和0 ．2 0 的烧结 万方数据 矿冶工程第3 5 卷 烟气最高温度分别为5 7 0 、5 7 7 、5 6 6 和5 8 9 ℃，温度相 差不大。但采用循环烧结后，烧结烟气维持高温的时 间与J Z 相比明显延长，J Z 、O ．1 8 、O 一1 9 和0 2 2 0 的烧 结烟气温度维持在5 0 0 ℃以上的时间分别为3 1 0 、 4 5 0 、5 0 0 和4 7 0s 。与此同时，在循环烧结条件下循环 烟气氧含量的变化对烧结烟气高温维持时间的影响不 大。实验结果表明采用循环烧结以后，烧结料层的燃 烧带会明显变宽，从而使烧结物料的高温维持时间得 到延长，有利于烧结反应的进行，提高了烧结矿的成品 率和强度，这与实际实验结果相一致。 图6 循环烟气氧含量对烧结烟气温度的影响 2 ．3 循环烟气氧含量对烧结矿冶金性能的影响 采用J I s 标准检测了J z 、0 2 一1 8 、0 2 1 9 和0 2 2 0 烧 结矿的低温还原粉化 肋， 和还原度 彤 ，结果如图 7 所示。从图7 中可以看出，O 1 8 、O 一1 9 和0 2 2 0 烧 结矿的碰”一，。。分别为2 6 ．4 ％、3 0 ．6 ％和3 0 ．5 ％，与J Z 烧结矿的肋，一，。。为3 6 ．0 ％相比有所下降，表明烟气循 环烧结对烧结矿的低温还原粉化性能有改善作用。但 循环烧结条件下的还原度略低于J z 常规烧结，循环烟 气氧含量从1 8 ％提高到2 0 ％，还原度从6 5 ．7 2 ％增加到 了6 9 ．5 7 ％，仍然低于J z 的7 0 ．1 4 ％。相对而言，J z 烧 结矿在还原性能方面略优。 图7 氧含量对烧结矿尺D f 和只』的影响 图8 为氧含量对烧结矿软熔性能的影响。由图8 可知，4 种样品都具有较好的软熔性能，软化区间和软 熔区间都不宽，有利于改善高炉料层透气性。J z 、O 一1 8 、 0 2 - 1 9 和0 2 ．2 0 的软化区间分别为1 3 6 ．0 、1 3 3 ．9 、1 3 6 ．1 和1 4 4 ．6 ℃，软熔区间分别为2 2 7 ．6 、2 1 5 ．6 、2 2 1 ．7 和 2 3 0 ．9 ℃，相差幅度也不大，表明循环烟气氧含量变化 对烧结矿的软熔性能影响很小。综合来看，循环烟气 氧含量在1 8 ％以上时，成品烧结矿都具有良好的冶金 性能。 图8 氧含量对烧结矿软熔性能的影响 2 ．4 循环烟气氧含量对烧结矿相组成的影响 对4 种烧结矿进行了矿相和显微结构研究。其化 学成分如表4 所示。由于混合料配料条件相同，4 种 烧结矿的T F e 、s i O 、A l O ，、c a O 和M g O 等含量基本相 同，但F e O 含量相差较大，循环烟气氧含量越低，烧结 矿中F e 0 含量越高。烧结矿F e 0 含量高意味着可以 进一步降低循环烧结时的焦粉配比。此外，除O 一1 8 外，烧结矿中的S 含量并没有因循环烟气S O 含量的 提高而增加。 表4 烧结矿化学成分 质量分数 ／％ 编号 F e 0T F eT CS S i 0 2 J 2 0 3 C a 0 M g o 1 ．5 8 I ．5 4 1 ．6 l 1 ．6 0 J Z 0 2 一1 8 0 2 1 9 0 2 2 0 4 种烧结矿试样制片经光学显微镜鉴定，主要矿物 组成为铁酸钙、熔融形磁铁矿、残存赤铁矿、骸晶状菱 形赤铁矿、自形晶磁铁矿、硅酸盐和未渣化熔剂等，具 体含量见表5 。由表5 可知，与J z 相比，0 2 1 8 、O 一1 9 和O 一2 0 的铁酸钙和残存赤铁矿明显减少，熔融形磁 铁矿和自形晶磁铁矿有所增加。此外，随着循环烟气 氧含量升高，烧结矿铁酸钙含量逐渐接近J z 。表明烧 结过程中增加循环烟气氧含量可以提高氧化性气氛， 促进烧结矿中铁酸钙的生成；但如果减少循环烟气中 蝤勉虬傩 8 9 8 9 娩褐踮∞ 够吆褐仇 4 5 4 5 懈m 唧邮 O O O O町∞吣；兮 O O 0 0￡j 跖∞∞船卯鼹弱∞∞∞加良吼吼 万方数据 第6 期熊林等烟气氧含量对循环烧结的影响研究 的氧含量，还原性气氛则会变浓，磁铁矿的生成量逐渐 增加，这与表4 所示的4 种烧结矿F e O 含量与氧含量 的关系相符。由于铁酸钙的还原性优于磁铁矿，烧结 矿中铁酸钙含量越高，还原性也越好，因而上述4 种烧 结矿还原度的大小关系与4 种烧结矿中铁酸钙含量的 大小关系正好一致。 表5 烧结矿矿物组成 质量分数 ／％ 图9 为4 种烧结矿的局部显微结构照片。从图9 中可以看出，在4 种烧结矿中，铁酸钙和熔融形磁铁矿 相互交织，结构均匀，具有较高的强度。但与J z 烧结 矿相比，O - 1 8 、0 2 1 9 和O 一2 0 烧结矿的铁酸钙略有减 少，熔融形磁铁矿有所增加，且循环烟气氧含量越低， 铁酸钙含量越少，熔融形磁铁矿含量越高。4 种烧结 矿中的铁酸钙含量依次为J z 0 2 2 0 0 2 1 9 0 2 1 8 ，熔 融形磁铁矿含量顺序则正好相反。 图9 烧结矿显微结构 M 磁铁矿；C F 铁酸钙 灰白色 a J z ； b 0 2 1 8 ； c 0 2 - 1 9 ； d 0 2 2 0 3 结论 1 随着循环烟气氧含量增加，垂直烧结速度、成 品率、生产率和转鼓强度都呈现逐渐上升趋势。将循 环烟气氧含量控制在1 8 ％以上，既有利于烧结矿转鼓 强度的提高，又有助于保持或增加烧结矿产量。 2 烧结排放烟气中的氧含量随着循环烟气氧含 量下降而逐渐降低。循环烟气氧含量不低于1 8 ％时， 循环烟气氧含量对烧结过程燃烧率的影响有限。循环 烟气中的S O 在烧结过程会产生富集，循环烟气氧含 量越高，烧结排放烟气中S O 富集越多，但烧结矿中的 硫含量并不会增加。 3 采用循环烧结可使烧结料层的燃烧带变宽，提 高烧结矿成品率和强度。循环烧结对烧结矿的低温还 原粉化性能有改善作用，但还原度会略有下降。4 种 烧结矿软化区间和软熔区间都不宽，具有良好的冶金 性能。 4 随着循环烟气氧含量升高，烧结矿铁酸钙含量 逐渐增加，熔融形磁铁矿含量的变化趋势则正好相反。 在4 种烧结矿中，铁酸钙和熔融形磁铁矿相互交织，结 构均匀，具有较高的强度。 参考文献 [ 1 ]G u ozc ，F uzx ．c u 玳n ts i t u 撕0 no fE n e r g yc o n s u m p t i o n 柚d M 嘲吡T a k 曲f o rE I l e r g yS a v i n gi nt h eI r o na n dS t e e ll I l d u s t r yi n c h i n a [ J ] ．E n e q g y ，2 0 1 0 ，3 5 1 1 4 3 5 6 4 3 6 0 ． [ 2 ] 王兆鹏，胡晓民．烧结余热回收发电现状及发展趋势[ J ] ．烧结球 团，2 0 0 8 ，3 3 1 3 卜3 5 ． [ 3 ]赵斌，张志远，冯俊小，等．烧结工序能量平衡及节能诊断分析 [ J ] ．钢铁，2 0 l l ，4 6 3 8 3 8 6 ． [ 4 ]w e 坨H ，0 t t oJ ，R e n g e r 靶mJ ．S 0 u I ℃eP o l l u t i o nc o n t m la ti r o no 陀s i n t e r i n gp l 锄t st l I r o u g l lw 鹳t eg 鹊r e c y c l i n g [ J ] ．s t a l l lu n dE i s e n ，1 9 9 5 ， 1 1 5 3 7 ． [ 5 ] A l e x ∞d e rn e i 8 c h ∞d e r I ，c h r i s t o p hA i c h i n ，E n d nz w i I t a g ．环保型烧 结生产新技术E p o s i n t 锄dM E R O s [ J ] ．中国冶金，2 0 0 8 ，1 8 1 1 4 l 一4 6 ． [ 6 ]z H A N GH e l e i ，R A 0M i n g ．j u n ，F A Nz h e n y u ，e ta 1 ．E 插e c t so fc i r ． c u l a 吲n u eG 髂c 砌p 0 鹏n t so nl r o nO r es i n t e r i n g [ J ] ．I S UI r I t e m a ． t i o n a l ，2 0 1 2 ，5 2 1 2 2 1 3 9 2 1 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