兰炭替代焦粉应用于铁矿烧结的试验研究.pdf

书书书第 卷第 期 年 月烧结球团 收稿日期：；修回日期：基金项目：湖北省重点研发计划资助项目（）；中央引导地方科技发展专项项目（）；武汉市应用基础研究项目（）作者简介：秦林波（），男，副教授，从事烧结节能减碳及污染物控制研究。兰炭替代焦粉应用于铁矿烧结的试验研究秦林波，秦万里，陈旺生，王世杰，韩军（武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 ）摘要：为了开发清洁价廉的燃料用于铁矿烧结以缓解钢铁行业控煤、减煤政策实施，同时围绕“碳中和、碳达峰”的国家战略需求，本文采用兰炭替代部分焦粉作为烧结燃料，通过优化配料和粒度优化的方法，重点研究兰炭不同替代比及粒度对烧结矿质量性能指标的影响。研究结果表明：当兰炭替代焦粉占比为 ，且控制兰炭 粒级占比为 时，烧结矿的性能指标最佳；此时烟气中 、的排放量分别降低了 、，但 的排放量增加了 。矿物显微结构分析表明，控制兰炭 粒级占比有助于烧结矿质量的提升。关键词：兰炭；烧结矿；优化配料；粒度优化；烟气分析中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）：，（，）：，“”，；，；，：；铁矿烧结是现代钢铁工业生产过程中必不可少的工序，也是铁矿粉造块主要方法之一。铁矿烧结是将铁矿粉、固体燃料及熔剂按一定配比混匀，并布置于烧结机上，借助固体燃料燃烧产生高温，生成一定量的液相中间体将铁矿颗粒润湿黏结起来，形成具有一定强度的多孔块状烧结矿的过程 。烧结工序能耗是钢铁企业总能耗的 ，其中固体燃料消耗占烧结工序总能耗的 。随着我国煤炭贮存量逐渐减少和控煤减煤政策实施，开发清洁价廉的燃料替代现有烧结球团第 卷第 期化石燃料用于铁矿烧结是缓解钢铁行业能源紧缺重要途径之一 。兰炭是弱黏结性煤在 以下经过干燥脱气、软化、熔融、流动、膨胀、固化后形成的浅黑色块状多孔体 ，是一种新型固体燃料，具有价格低、硫低、固定碳高和发热值高等优点 。兰炭的软化温度和流动温度低于焦粉，在烧结过程中更加利于液相的生成和黏结，有助于烧结矿质量的提升 。目前国内外对兰炭用作烧结燃料已开展了大量研究。等 认为兰炭的替代占比为 时，烧结矿质量最佳，和 的排放量分别降低了 和 。于韬等 和王润博等 研究得出，当兰炭的粒度过小时，因燃烧速度过快会导致烧结矿质量下降。杨双平等 发现当兰炭的替代占比为 、碱度为 时，烧结效果最佳。延雨雨 研究发现：当使用兰炭替代焦粉用于烧结时，其对烧结矿质量的影响呈现先增加后减少的趋势；当兰炭替代焦炭占比为 时，烧结矿成品率最高，其转鼓指数等指标达到烧结行业标准。但目前尚未结合烧结优化配料及粒度优化以提升兰炭的替代占比及调控烧结矿的品质。本文采用优化配料和粒度优化相结合方法提升烧结固体燃料中兰炭的替代占比，并调控烧结矿的品质，在 烧结杯中开展兰炭替代部分焦粉用作烧结燃料的试验研究，重点考察不同替代占比及粒度兰炭对烧结矿成品率、转鼓指数、落下指数、利用系数、烧结矿微观结构的影响，同时获得不同粒度的兰炭对烧结杯料层温度、燃烧效率及烟气组分的影响，为兰炭应用于烧结生产提供依据。试验材料与方法 试验材料烧结试验所用的混匀料、返矿、石灰石、除尘灰、燃料由南京某钢铁厂提供，生石灰取自当地某钢铁厂，主要化学成分如表 所示。燃料分别为陕西一号兰炭、筛焦楼焦粉（焦粉 ）、兖矿焦粉（焦粉 ）。试验过程中，为了保证固体燃料的粒度分布不影响试验结果，对其进行粒度筛分，分为 、（，、（，、（，、（，、（，、共 个粒级，按照每个粒级占比称取相应的质量，多次混合后装袋备用。固体燃料的基本性质如表 所示。表 烧结原料的主要化学成分（质量分数）原料名称 混匀料 返矿 石灰石粉 除尘灰 生石灰 表 烧结燃料的基本性质 燃料名称粒度范围 质量分数 挥发分固定碳灰分着火点温度 燃尽温度 综合燃烧特性指数 热值（）焦粉 （，（，兰炭 （，（，书书书 年第 期秦林波，等：兰炭替代焦粉应用于铁矿烧结的试验研究表 （续）燃料名称粒度范围 质量分数 挥发分固定碳灰分着火点温度 燃尽温度 综合燃烧特性指数 热值（）焦粉 （，（，试验方案及过程根据南京某钢厂烧结生产条件，控制混合料的含水率为 ，碱度为 左右，混合焦粉由焦粉 和焦粉 以 的配比混合而成。试验混匀料、生 石 灰、返 矿、除 尘 灰 的 配 比 分 别 为 、，固体燃料配比及兰炭 粒级占比如表 所示。由表 可 知：分 别 以 、的兰炭代替混合焦粉（兰炭、混合焦粉的配比分别为 、），其它原料的相对质量分数不变；的兰炭代替混合焦粉配比不变（），通过调整兰炭 粒级占比分别为 、，从而改变兰炭的平均粒度，其它原料的相对质量分数不变。表 烧结试验固体燃料配比及粒度 试验方案混合焦粉 兰炭（焦粉）（兰炭）兰炭 粒级占比 注：兰炭 粒级占比是指兰炭粒度 部分占总兰炭的质量分数，。烧结杯试验装置示意如图 所示。由图 可知，烧结杯是一个由耐高温合金材料制成的圆柱体（），铺底料为 粒度为 的烧结矿。点火前，调节液化气流量至 左右、助燃风流量为 。当点火罩温度达到 后，移动点火罩至烧结杯上，点火时间为 ，点火负压控制在 。点火结束后保温 ，调节烧结负压至 。烧结结束后，将抽风负压调至 ，冷却 后卸料。烧结结束后，翻转烧结杯，使烧结矿落入单辊破碎机中进行破碎。破碎后的烧结矿依次送至落下、转鼓装置中测定烧结矿落下强度和转鼓强度。烧结矿的落下强度和转鼓强度分别采用 烧结矿落下强度的测定（）、烧结矿和球团矿转鼓强度的测定方法（）进行分析，测定结束后再计算烧结矿的成品率、落下强度、转鼓强度、利用系数等。在兰炭粒度优化的实验中，用 系列彩色无纸记录仪记录热电偶在烧结杯中间料层的温度，采用德国 烟气分析仪检测烟气中、的质量浓度。图 烧结杯装置示意 结果与讨论 兰炭替代占比及粒度对烧结矿质量的影响兰炭替代占比及粒度对烧结矿质量的影响试验结果如表 所示。由表 可知：随着兰炭替代焦粉占比的增加，烧结矿的转鼓强度出现波动；当兰炭替代焦粉的占比为 时，转鼓强度和落下强度分别为 和 ，低于单独焦粉烧结球团第 卷第 期作为烧结燃料时的转鼓和落下强度。分析原因认为，掺混兰炭相较于单独焦粉降低了 质量分数，抑制了烧结矿中铁酸钙的生成，而铁酸钙是黏结相和矿物组成最主要的物质，导致烧结矿的强度降低 。由表 、可知，兰炭的加入提高了垂直烧结速度，当兰炭替代占比为 时，其相较于混合焦粉提高了 。兰炭的固定碳质量分数比焦粉低，但燃料反应性更好，因此掺混兰炭会缩短烧结时间，增加垂直燃烧速度 。此外，当兰炭替代焦粉占比从 升高到 时，烧结矿的成品率和利用系数呈现先增加后减少的趋势。在兰炭替代占比为 时，成品率和利用系数最大分别为 和 （）。烧结矿的固结受到燃烧速度和传热速度的影响，当燃烧速度和传热速度不匹配时，会导致自动蓄热作用减弱，影响烧结料进行物理化学反应时所需要的融化温度保持时间，也会减少烧结过程中液相量的生成，从而影响烧结矿的成品率和转鼓强度 ，。随着兰炭 的粒级占比的增加，转鼓强度呈现先减少后上升的趋势。当替代占比为 时，转鼓强度最高为 ，略高于混合焦粉。当兰炭 的粒级占比为 时，相较于混合焦粉碱度增加了 ，碱度的增加有利于针状或网状铁酸钙的生成，从而提高了烧结矿的强度 。另外，落下强度在 波动。因为 兰炭的热值为 ，相比其它粒度低 左右，热量提供不足会影响烧结蓄热，导致烧结矿料层温度过低，对烧结矿的强度和成品率有着不利的影响 。由表 可知，成品率在 上下波动，未有明显影响。当兰炭粒度 的粒级占比为 时，利用系数最大，随着兰炭 粒级占比的增加，呈现总体下降的趋势。这是因为细粒级燃烧速度更快导致烧结速度快于传热速度，不利于烧结矿的固结，从而降低了烧结矿的利用系数。表 烧结杯试验结果 试验方案垂直烧结速度（）转鼓强度 落下强度 成品率 利用系数（）碱度 注：试验仅测量了、的碱度。兰炭粒度对料层温度及烟气成分的影响兰炭粒度优化对料层温度的影响如图 （）所示。图 （）中，对温度高于 的区域进行积分计算，得到结果为高温熔融带面积（）：，而融化温度保持时间（）：。由图 （）可知：当兰炭 粒级占比为 时，和 最高；兰炭 粒级占比为 时，和 最低。随着兰炭 粒级占比的增加，料层开始升温时间及达到最高温度的时间呈现整体缩短的趋势，而料层的融化温度保持时间和高温熔融带面积整体减少的趋势。通常，铁矿石在烧结过程中，熔融阶段提供了高强度烧结矿所需的凝聚力，产生的熔融体在很大程度上取决于温度 的停留时间 。等 认为固定碳质量分数过高，过高会导致烧结矿产品孔隙率降低，导致炼铁能耗较高。当兰炭 粒级占比为 时，料层温度在 升至最高值 ；当替代占比为 时，料层温度在 升至最高值 。年第 期秦林波，等：兰炭替代焦粉应用于铁矿烧结的试验研究粒度优化对燃烧效率的影响如图 （）所示。等 采用 与（）体积分数的比值作为燃烧效率的指标。由图 （）可知：不同兰炭 粒级占比对应的燃烧效率大小关系：；当兰炭 的粒级占比为 时，固体燃料的燃烧效率最低，这可能是固体燃料的平均粒度增大引起的。（）料层温度；（）燃烧效率 粒级占比：；。图 粒度优化对料层温度和燃烧效率的影响 试验测得 混合焦粉烧结烟气中 、的 平 均 体 积 分 数 分 别 为 、，相 对 于 掺 混 兰炭来说，、的平均体积分数分别降低了 、，但 体积分数增加了 。兰炭粒度优化后固体燃烧效率变化如图 所示。图 中，对 图像积分后得到的大小关系为 ，和 体积分数积分结果为 ，体积分数积分的结果为 。由图 可知，当兰炭 粒级占比由 提升至 时，平均体积分数由 降至 ，平均体积分数由 上升为 。烟气成分分析结果表明，在高固定碳质量分数时，的体积分数显著增加，的体积分数明显降低 。当兰炭 粒级占比由 上升至 时，体积分数总体呈现下降趋势，由 下降为 ，体积分数由 下降为 。随着兰炭 粒级占比增加，和 的量在逐渐减小，的体积分数增加。因此，兰炭 粒级占比增加会减少碳的排放量，这可能是由于 兰炭的固定碳质量分数低引起的，和 的排放量也会减少，同时烧结矿质量稍有降低。矿物的显微结构分析兰炭对烧结矿微观结构的影响如图 所示。由图 （）可知，当烧结燃料为混合焦粉时，烧结矿熔融区的针状铁酸钙较多，相互间紧密交织，具有良好的强度。由图 （）可知，当用兰炭替代 焦粉时，针状的铁酸钙质量分数减少，板片状的铁酸钙质量分数增加，烧结矿熔融区表面多处出现裂缝，使得烧结矿的质量降低。当用兰炭替代焦粉时，磁铁矿的质量分数降低，铁酸钙形态由针状向板片状发展，使得烧结矿的质量降低 。图 （）、（）是粒度优化对烧结矿质量的影响。当兰炭 的粒级占比为 时，针状的铁酸钙质量分数较多，针状铁酸钙和磁铁矿形成交织溶蚀结构，使得烧结矿的质量明显提高。而当兰炭 的粒级占比为 ，烧结矿的针状铁酸钙不再那么密集，出现了大量的孔洞和缝隙，导致烧结矿的质量下降。王素平等 通过试验研究发现：当煤粉 的粒级占比为 时，铁酸钙多呈细针状，然而当 粒级占比为 时，铁酸钙多呈长板状；王永红等 通过降低燃料中 的粒级占比，增大 燃料粒度来对燃料进行优化，发现燃料优化后针状铁酸钙明显增多，他认为应该控制燃料 的粒级占比在 内；刘遷灰等 认为降低焦粉 粒级占比有利于烧结液烧结球团第 卷第 期（）；（）；（）；（）粒级占比：；。图 粒度优化对烧结烟气成分的影响 （）混合焦粉；（）兰炭替代焦粉；（）粒级占比为 ；（）粒级占比为 铁酸钙；赤铁矿；磁铁矿；孔洞。图 兰炭对烧结矿微观结构的影响 相的生成及冷凝固结，能促进针状铁酸钙的生成。本文试验结果表明，控制兰炭 的粒级占比可以有效提高烧结矿的质量。烧结矿的主要化学成分如表 所示。综合以上结果表明，优化配料中，随着兰炭替代占比的增加，燃料的转鼓强度、落下强度，年第 期秦林波，等：兰炭替代焦粉应用于铁矿烧结的试验研究表 烧结矿的主要化学成分（质量分数）试验方案 垂直燃烧速度和成品率都呈现先增后减的趋势，在 时出现拐点。掺混兰炭虽然提高了垂直燃烧速度，但会影响烧结过程的传热速度和蓄热作用，不利于液相中间体的生成，从而导致烧结矿的转鼓强度、落下强度和成品率下降。粒度优化后，当兰炭 的粒级占比为 时，相较于混合焦粉，转鼓强度提高了 ，垂直烧结速度上升 。严格控制兰炭 粒级占比，可以有效提高烧结矿质量，降低兰炭用作烧结燃料时其对烧结矿质量的负面影响，可以进一步提高兰炭替代焦粉的占比。微观结构分析结果证实，掺混兰炭会降低烧结矿的质量，但控制兰炭 的粒级占比可以有效提高烧结矿质量。结论本文重点研究了兰炭替代占比和粒度优化对烧结矿质量的影响，探明了兰炭对烧结矿质量的影响规律，获取了烧结用最优兰炭配比。其主要的研究结论如下。（）当兰炭替代焦粉占比为 时，烧结矿的质量最佳。选择兰炭替代焦粉占比为 ，且通过控制兰炭 的粒级占比，可以有效提高烧结矿质量，使得烧结矿质量的性能指数与混合焦粉相近。（）控制兰炭 的粒级占比为 时，烧结矿质量最优。当兰炭 的粒级占比为 时，烟气中 和 的排放量分别为 、。兰炭替代焦粉占比为 时，烟气中 、的排放量相较于单独焦粉作为燃料分别降低了 、，但 的排放量增加了 。（）兰炭的配入，提高了垂直烧结速度，但成品率、转鼓强度、利用系数会略有下降；随着兰炭 的粒级占比增加，转鼓强度、利用系数有变差的趋势。通过控制兰炭 的粒级占比，可以有效提升兰炭替代焦粉占比，同时改善烧结矿质量。参考文献：，（）：范晓慧，季志云，甘敏，等 生物质燃料应用于铁矿烧结的研究 中南大学学报（自然科学版），（）：，（）：于韬，张建良，王?，等 兰炭作烧结燃料对烧结矿质量的影响 烧结球团，（）：，（）：李硕，朱子宗，徐军 兰炭改性及配煤炼焦优化 钢铁，（）：，（）：杨双平，郭拴全，张攀辉，等 兰炭作烧结燃料对烧结矿冶金性能的影响 钢铁，（）：，（）：王建鹏，张颖，惠宏智，等 陕钢集团烧结配加兰炭的工业试验 烧结球团，（）：，（）：，（）：烧结球团第 卷第 期 王润博，张建良，王?，等 兰炭替代焦粉对烧结过程影响研究 钢铁钒钛，（）：，（）：延雨雨 兰炭作为烧结燃料的应用研究 西安：西安建筑科技大学，：，：，：，（）：，：，（）：王素平，毕学工，翁得明 煤粉粒度组成对武钢烧结矿铁酸钙生成的影响 烧结球团，（）：，（）：王永红，刘建波，周俊兰，等 燃料粒度对烧结指标的影响研究 烧结球团，（）：，（）：刘遷辉，白凯凯，倪桂虎，等 燃料粒度对铁矿烧结的影响研究 烧结球团，（）：，（）：櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵 （上接第 页）杜洪缙，朱德庆，杨聪聪，等 高压辊磨和球磨预处理强化铬铁矿球团制备的研究 烧结球团，（）：，（）：李亚飞，杨涛，刘在春，等 高压辊磨对含硫酸渣超细铁精粉生球性能的影响 钢铁研究学报，（）：，（）：，（）：