倪文杰， 鄒宗樹， 李海峰， 張穎異

(1.東北大學(xué) 多金屬共生礦生態(tài)利用教育部重點實驗室，沈陽 110819；2.東北大學(xué) 冶金學(xué)院，沈陽 110819；3. 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002；4. 重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400030)

在鋼鐵企業(yè)中，煉鐵工序能耗占鋼鐵企業(yè)總能耗的69.41%，其中燒結(jié)工序能耗約占整個企業(yè)能耗的10%～20%，是僅次于高爐的一大耗能工序[1]，與此同時燒結(jié)工序產(chǎn)生的CO2、SO2、NOx等污染物對環(huán)境的危害隨著工業(yè)的發(fā)展越來越突出，因此如何能降低固體燃料消耗，減少CO2、SO2、NOx等污染物的排放量成為鋼鐵企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急.

日本JFE鋼鐵公司開發(fā)了燒結(jié)機噴吹氫系氣體燃料技術(shù)[2]，該技術(shù)能夠在不增加固體燃料配比的前提下提高燒結(jié)礦質(zhì)量，目前已經(jīng)在京濱一廠成功應(yīng)用.采用氫系氣體燃料噴吹工藝的同時，降低固體燃料配比，可以避免燒結(jié)料層底部溫度過高，有利于改善燒結(jié)礦質(zhì)量，同時也減少了CO2、SO2、NOx等污染物的排放.程志龍等[3]在實驗室條件下，對使用木炭結(jié)合噴吹氣體燃料工藝部分的替代焦粉進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在合適的木炭比例和氣體噴吹量下，在不降低燒結(jié)礦生產(chǎn)率的前提下，可以優(yōu)化燒結(jié)料層溫度場，提高產(chǎn)品質(zhì)量.

綜上所述，氣體燃料噴入技術(shù)在保證燒結(jié)礦質(zhì)量的前提下，節(jié)能減排的優(yōu)勢顯著.在考察研究國外燒結(jié)新工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)實際[4]，如何利用企業(yè)現(xiàn)有的、富余的、可利用的焦?fàn)t煤氣來降低固體燃料消耗和減少污染物的排放是當(dāng)前亟待解決的技術(shù)難題.

本文從物料平衡與能量平衡的計算[5]出發(fā)，建立了焦?fàn)t煤氣噴吹鐵礦石燒結(jié)過程的靜態(tài)模型，考察了不同焦?fàn)t煤氣噴吹工藝的物料與能量消耗，旨在說明焦?fàn)t煤氣噴吹比例、噴吹面積和富氧等因素對固體燃料消耗和污染物排放的影響，為燒結(jié)新工藝的付諸實踐提供參考.

1 焦?fàn)t煤氣噴吹工藝流程

焦?fàn)t煤氣噴吹鐵礦石燒結(jié)過程工藝流程如圖1所示，其原理是從燒結(jié)機料層表面噴灑低于著火濃度的焦?fàn)t煤氣，在燒結(jié)負(fù)壓作用下，焦?fàn)t煤氣隨著空氣被抽入到燒結(jié)礦層，當(dāng)?shù)竭_(dá)燒結(jié)燃燒層上方高溫區(qū)時發(fā)生燃燒反應(yīng)，提供新的高溫區(qū)，減緩了燒結(jié)高溫區(qū)物料的冷卻速度，延長了新生成的燒結(jié)礦在高溫區(qū)的保持時間，從而提高燒結(jié)礦強度[6].相應(yīng)減少的固體燃料配入量則使固體燃料燃燒產(chǎn)生的高溫區(qū)的最高溫度降低，有助于改善燒結(jié)礦的還原性[7]，并且降低環(huán)境污染.

圖1 焦?fàn)t煤氣噴吹鐵礦石燒結(jié)過程工藝流程圖Fig.1 Schematic diagram of iron ore sintering process with coke oven gas injection

2 焦?fàn)t煤氣噴吹工藝靜態(tài)模型

焦?fàn)t煤氣噴吹鐵礦石燒結(jié)過程工藝靜態(tài)模型[8]主要由一個主模塊和六個子模塊組成，如圖2所示，其建立和求解過程，在此不再贅述.其中，子模塊分別為固體原料模塊、氣體燃料模塊、空氣模塊，操作條件模塊、物料平衡模塊、熱平衡模塊.在主模塊中給定鐵礦石燒結(jié)不同工藝條件下的操作參數(shù)，通過對各元素平衡方程進(jìn)行循環(huán)、迭代求解，可計算出鐵礦石量、含碳小球量、生石灰量、石灰石量、白云石量、爐塵量及焦粉量，同時還可進(jìn)一步獲得空氣量、點火煤氣量、保溫煤氣量、燒結(jié)煙氣成分、燒結(jié)礦成分等.

圖2 焦?fàn)t煤氣噴吹工藝靜態(tài)模型模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Module structure of static model for iron ore sintering with coke oven gas injection

焦?fàn)t煤氣噴吹鐵礦石燒結(jié)過程工藝靜態(tài)模型的計算中，所用的鐵礦石、爐塵、熔劑、焦粉、燒結(jié)礦以及焦?fàn)t煤氣化學(xué)成分均來自國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)，具體成分如表1、表2和表3所示.

焦?fàn)t煤氣噴吹鐵礦石燒結(jié)過程工藝包括點火、保溫、焦?fàn)t煤氣噴吹和抽風(fēng)燒結(jié)等過程，其操作參數(shù)如表4所示，模型中噴吹煤氣量計算公式如下：

噴吹煤氣量=燒結(jié)空氣基準(zhǔn)體積×煙罩面積覆蓋比例×噴吹比例

式中， 燒結(jié)空氣基準(zhǔn)體積以傳統(tǒng)燒結(jié)為基準(zhǔn)，為一常數(shù)，本模型中取值1 223.0 m3/t.

表1 燒結(jié)礦的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 原料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

注： a表示以FeS2形式存在，b表示以S形式存在.

表3 焦?fàn)t煤氣化學(xué)成分及熱值

在給定的原料成分條件下，以物料平衡和能量平衡為基礎(chǔ)[9]，建立靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，計算流程如圖3所示.

圖3 程序計算流程圖Fig.3 The program flow chart

名稱參數(shù)w(FeO)/%7.5產(chǎn)量/kg1 000堿度1.8脫硫率/%90空氣過剩系數(shù)(點火)1.4空氣過剩系數(shù)(保溫)1.4空氣過剩系數(shù)(抽風(fēng)燒結(jié))1.8干料溫度/℃50鋪底料溫度/℃100燒結(jié)煙氣溫度/℃120燒結(jié)餅溫度/℃600返礦比/%20鋪底料比例/%10水分比例/%8漏風(fēng)率/%40熱損失/%10

3 模型驗證

如表5所示，通過國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)和本文數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果進(jìn)行對比，實驗結(jié)果和計算結(jié)果誤差在3%以內(nèi)，故本文所建立的模型是合理的、準(zhǔn)確的.

表5 現(xiàn)場數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比

4 模型計算結(jié)果及討論

采用焦?fàn)t煤氣作為氣體燃料進(jìn)行噴吹，分別考察三種參數(shù)對鐵礦石燒結(jié)過程固體燃料消耗、CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量的影響，包括煙罩面積覆蓋比例40%～100%，噴吹比例0.1%～0.5%(體積分?jǐn)?shù))，氧氣體積分?jǐn)?shù)21%～30%.

4.1 焦?fàn)t煤氣噴吹比例對燒結(jié)的影響

圖4 噴吹比例對焦粉單耗的影響Fig.4 Effect of gas injection on coke powder consumption

不同焦?fàn)t煤氣噴吹比例對燒結(jié)固體燃料消耗的影響如圖4所示.由圖可知，傳統(tǒng)鐵礦石燒結(jié)工藝中，焦粉單耗為52.037 kg/t；當(dāng)煙罩面積覆蓋比例為40%時，隨著噴吹比例的增加，焦粉單耗不斷降低，其中噴吹比例為0.5%時，焦粉單耗為50.363 kg/t，與傳統(tǒng)燒結(jié)工藝相比，焦粉單耗減少了1.674 kg/t，減少比例為3.22%.其原因是噸礦燒結(jié)過程所需熱量不變，在噴吹面積比例一定的前提下，隨著焦?fàn)t煤氣噴吹比例增加，焦?fàn)t煤氣燃燒熱替代部分焦粉燃燒熱，則所需焦粉量就會減少.

圖5 噴吹比例對燒結(jié)過程CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量的影響Fig.5 Effect of gas injection on emissions of CO2, SO2 and flue gas

不同焦?fàn)t煤氣噴吹比例對燒結(jié)過程CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量的影響如圖5所示.由圖可知，傳統(tǒng)鐵礦石燒結(jié)工藝中CO2排放量、SO2排放量和燒結(jié)煙氣排放量分別為224.169、0.694和1 903.942 kg/t；隨著噴吹比例的增加，CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量均不斷降低，當(dāng)噴吹比例為0.5%時，與傳統(tǒng)燒結(jié)工藝相比，CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量分別減少了3.012、0.004和23.597 kg/t，減少比例分別為1.34%、0.58%和1.24%.其原因是焦炭是產(chǎn)生CO2、SO2的根源，焦?fàn)t煤氣的主要成分為氫氣，用其替代部分固體燃料后，可使燒結(jié)過程的CO2排放量、SO2排放量相應(yīng)降低[4].

4.2 煙罩面積覆蓋比例對燒結(jié)的影響

在噴吹比例為0.5%時，考察了不同煙罩面積覆蓋比例對鐵礦石燒結(jié)過程焦粉單耗、CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量的影響.

不同煙罩面積覆蓋比例對燒結(jié)固體燃料消耗的影響見圖6所示.可以看出，隨著煙罩面積覆蓋比例的增加，焦粉單耗逐漸減少，當(dāng)煙罩面積覆蓋比例為100%時，焦粉單耗最低可達(dá)47.861 kg/t，和傳統(tǒng)工藝相比焦粉單耗減少了4.176 kg/t，減少比例為8.03%.在燒結(jié)過程熱量收入不變的前提下，焦?fàn)t煤氣噴吹比例為0.5%時，隨著煙罩面積覆蓋比例的增加，焦?fàn)t煤氣能夠替換更多的熱量，從而減少了焦粉單耗.

圖6 煙罩面積覆蓋比例對焦粉單耗的影響Fig.6 Effect of hood area on coke powder consumption

不同煙罩面積覆蓋比例對燒結(jié)過程CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量的影響如圖7所示.可以看出，隨著煙罩面積覆蓋比例的增加，CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量逐漸減少，當(dāng)煙罩面積覆蓋比例為100%時，CO2排放量和煙氣排放量分別為216.656、0.683和 1 848.077 kg/t，與傳統(tǒng)燒結(jié)工藝相比，CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量分別減少了7.513、0.011和55.865 kg/t，減少比例分別為3.35%、1.59%和2.93%.同樣，其原因是焦炭是產(chǎn)生CO2、SO2的根源，焦?fàn)t煤氣的主要成分為氫氣，用其替代部分固體燃料后，可使燒結(jié)過程的CO2排放量、SO2排放量相應(yīng)降低.

圖7 煙罩面積覆蓋比例對燒結(jié)過程CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量的影響Fig.7 Effect of hood area on emissions CO2, SO2 and flue gas

4.3 富氧對焦?fàn)t煤氣噴吹工藝的影響

富氧、富氧和焦?fàn)t煤氣組合噴吹工藝對燒結(jié)固體燃料消耗的影響如圖8所示.可以看出，單純富氧時，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加，焦粉單耗逐漸降低，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為30.0%時，焦粉單耗為48.944 kg/t，和傳統(tǒng)工藝相比焦粉單耗減少了3.093 kg/t，減少比例為5.94%；富氧和焦?fàn)t煤氣組合噴吹時，噴吹比例為0.5%，煙罩面積覆蓋比例為100%時，除氣體燃料外，對吸入空氣進(jìn)行富氧，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加，焦粉單耗逐漸降低且降幅較大，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為30.0%時，焦粉單耗可降至44.864 kg/t，和傳統(tǒng)工藝相比焦粉單耗減少了7.173 kg/t，減少比例為13.78%.富氧時，由于空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)提高，減少了物料收入項的冷空氣的攝入，同時也減少了焦粉燃燒產(chǎn)生的含熱廢氣量，故焦粉單耗降低；富氧和焦?fàn)t煤氣組合噴吹時，在減少物料收入項冷空氣和焦粉燃燒產(chǎn)生的廢氣量的同時，噴吹焦?fàn)t煤氣產(chǎn)生了更多的熱量，所以焦粉單耗進(jìn)一步降低，與前人文獻(xiàn)[10]研究結(jié)果一致.

圖8 氧氣體積分?jǐn)?shù)對焦粉單耗的影響Fig.8 Effect of oxygen concentration on coke powder consumption

富氧、富氧和焦?fàn)t煤氣組合噴吹工藝對燒結(jié)過程CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量的影響見圖9所示.可以看出，單純富氧時，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加，CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量逐漸減少，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為30.0%時，和傳統(tǒng)工藝相比，CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量分別減少了9.084、0.008和534.249 kg/t，減少比例分別為4.05%、1.15%和28.06%；富氧和焦?fàn)t煤氣噴吹組合噴吹時，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加，CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量大幅降低，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為30.0%時，與傳統(tǒng)工藝相比，CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量分別減少了16.317、0.019和574.485 kg/t，減少比例分別為7.28%、2.74%和30.17%.單純富氧時，能夠減少了物料收入項的冷空氣的攝入，同時也減少了焦粉燃燒產(chǎn)生的廢氣量；富氧和焦?fàn)t煤氣組合噴吹時，一方面物料收入項中冷空氣攝入量減少，焦粉燃燒產(chǎn)生的廢氣量減少，另一方面由于焦?fàn)t煤氣的主要成分是氫氣，燃燒產(chǎn)物是H2O，故CO2和煙氣排放量降低.

圖9 氧氣體積分?jǐn)?shù)對燒結(jié)過程CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量的影響Fig.9 Effect of oxygen concentration on emission CO2, SO2 and flue gas

5 結(jié) 論

開發(fā)了焦?fàn)t煤氣噴吹鐵礦石燒結(jié)工藝靜態(tài)模型，并應(yīng)用模型計算了焦?fàn)t煤氣噴吹工藝的關(guān)鍵參數(shù)對工藝過程的影響，為燒結(jié)新工藝的開發(fā)提供參考.主要獲得以下結(jié)論：

(1) 采用焦?fàn)t煤氣噴吹工藝，當(dāng)煙罩面積覆蓋比例為40%時，隨著噴吹比例的增加，焦粉單耗減少，當(dāng)噴吹比例為0.5%時，與傳統(tǒng)工藝相比，焦粉單耗、CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量分別減少1.674，3.012，0.004和23.597 kg/t，減少比例分別為3.22%，1.34%，0.58%和1.24%.

(2) 采用焦?fàn)t煤氣噴吹工藝，當(dāng)噴吹比例為0.5%時，隨著焦?fàn)t煤氣噴吹面積煙罩面積覆蓋比例的增加，焦粉單耗逐漸減少，當(dāng)煙罩面積覆蓋比例為100%時，與傳統(tǒng)工藝相比，焦粉單耗、CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量分別減少4.176，7.513，0.011和55.865 kg/t，減少比例分別為8.03%，3.35%，1.59%和2.93%.

(3) 采用富氧工藝，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加，焦粉單耗逐漸降低，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為30.0%時，與傳統(tǒng)工藝相比，焦粉單耗、CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量分別減少3.093，9.084，0.008和534.249 kg/t，減少比例分別為5.94%，4.05%，1.15%和28.06%.

(4) 采用焦?fàn)t煤氣和富氧組合噴吹工藝，噴吹比例為0.5%，煙罩面積覆蓋比例為100%，氧氣體積分?jǐn)?shù)為30.0%時，焦粉單耗最低，CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量最少.與傳統(tǒng)工藝相比，焦粉單耗、CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量分別減少7.173，16.317，0.019和574.485 kg/t，減少比例分別為13.78%，7.28%，2.74%和30.17%.