吳宏亮，羅云飛，周江虹，春鐵軍，余正偉，裴元東，楊佳龍，龍紅明,4

(1. 安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山，243032；2. 馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山，243022；3. 中天鋼鐵集團有限公司，江蘇常州，213000；4. 冶金工程與資源綜合利用安徽省重點實驗室(安徽工業(yè)大學(xué))，安徽馬鞍山，243002)

2020年中國鋼產(chǎn)量為13.25 億t，占世界鋼產(chǎn)量的53.31%[1]。作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，鋼鐵工業(yè)能源消耗量占全國能耗的15%～20%[2-3]。鐵礦燒結(jié)工序是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中的重要工序，為高爐提供優(yōu)質(zhì)煉鐵原料的同時也具有高能耗、高污染、余熱利用率低等特點[4-6]。近年來，圍繞燒結(jié)節(jié)能減排和提質(zhì)要求，人們在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上開發(fā)出了多種技術(shù)，如多污染物中低溫協(xié)同催化凈化、煙氣循環(huán)、燃?xì)?蒸汽噴吹等[7-9]，其中煙氣循環(huán)技術(shù)以低排放、低能耗等優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注與認(rèn)可。

煙氣循環(huán)是基于部分熱廢氣被再次引入到燒結(jié)過程中的原理而開發(fā)的一種新型燒結(jié)技術(shù)[10-11]，代表性工藝有LEEP(low emission and energy optimized sinter process)工藝、 EOS(emission optimized sintering)工藝和EPOSINT(environment process optimized sintering)工藝[12-14]等。2013年，寶山鋼鐵股份有限公司以EPOSINT 工藝為基礎(chǔ)，開發(fā)了具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的BSFGR(Bao steel flue gas recirculation)工藝，并將該工藝應(yīng)用于寧波鋼鐵有限公司的燒結(jié)機。國內(nèi)學(xué)者外開展了多項煙氣循環(huán)對燒結(jié)過程和污染物排放影響的相關(guān)研究。張小輝等[15]通過數(shù)值模擬的方法，從節(jié)能減排效果和對燒結(jié)過程的影響兩方面出發(fā)，對比探討了煙氣循環(huán)與常規(guī)燒結(jié)工藝的不同。AHN 等[16]利用流程模擬器建立了熱廢氣循環(huán)燒結(jié)過程的二維數(shù)學(xué)模型，考察了廢氣成分和返回料面位置等因素對燒結(jié)過程廢氣排放規(guī)律的影響。范曉慧等[17-19]研究了煙氣循環(huán)工藝中不同煙氣成分對燒結(jié)過程的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)循環(huán)煙氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)低于18%時，會導(dǎo)致燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)急劇下降。熊林等[20]通過模擬實驗研究了循環(huán)煙氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)對燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)、煙氣成分排放規(guī)律、煙氣溫度等的影響，發(fā)現(xiàn)循環(huán)煙氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)控制在18%以上可得到產(chǎn)量及質(zhì)量指標(biāo)良好、礦相組成合理的燒結(jié)礦。倪文杰等[21]研究了富氧、焦?fàn)t煤氣噴吹及其組合使用對鐵礦石煙氣循環(huán)燒結(jié)工藝中固體燃料消耗和污染物排放的影響。龍紅明等[22]研究了BSFGR 工藝對燒結(jié)煙氣中O2，CO，SO2和NOx等成分排放規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)煙氣循環(huán)工藝節(jié)能減排效果顯著。王兆才等[23-24]分析了燒結(jié)廢氣中O2體積分?jǐn)?shù)、富氧氣體中O2體積分?jǐn)?shù)及漏風(fēng)率等因素對燒結(jié)廢氣循環(huán)率的影響規(guī)律，提出了適宜的內(nèi)外循環(huán)方案。王志寧等[25]使用全混流反應(yīng)器模型并結(jié)合化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)研究了煙氣循環(huán)過程對NO生成的影響。由此可見，針對煙氣循環(huán)對燒結(jié)節(jié)能減排和產(chǎn)品質(zhì)量方面的影響已有較多研究，但不同煙氣循環(huán)模式及煙氣溫度、氧氣體積分?jǐn)?shù)對燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)和污染物排放影響的研究較少。

本文作者根據(jù)燒結(jié)工藝條件，采用某鋼鐵廠燒結(jié)現(xiàn)場的燒結(jié)原料為研究對象，通過對燒結(jié)杯裝置進行煙氣循環(huán)工藝改造，研究煙氣內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)及富氧協(xié)同煙氣循環(huán)等不同循環(huán)模式對燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)及CO排放的影響，以期獲得實驗室條件下煙氣循環(huán)的最優(yōu)工藝條件，為煙氣循環(huán)的工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

1 試驗原料及方法

1.1 試驗原料

以國內(nèi)某鋼鐵公司實際燒結(jié)生產(chǎn)中使用的燒結(jié)原料為研究對象，包括鐵礦粉、返礦、熔劑、燃料等，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 原料化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of raw materials

1.2 試驗方法

1.2.1 現(xiàn)場煙氣檢測

對某鋼鐵廠面積為300 m2的燒結(jié)機風(fēng)箱和大煙道溫度及相關(guān)煙氣成分進行檢測，結(jié)果如表2所示。由表2可見：在3號～14號風(fēng)箱，CO質(zhì)量濃度均較高，其中11號風(fēng)箱CO質(zhì)量濃度為最高，約為18 624 mg·m-3。NO 分布與CO 分布大致相同，主要分布于3號～14號風(fēng)箱區(qū)間；而SO2主要分布在14號～20號風(fēng)箱區(qū)間。大煙道煙氣溫度為135 ℃，CO質(zhì)量濃度為9 685.23 mg·m-3，NO 質(zhì)量濃度為182.51 mg·m-3，SO2質(zhì)量濃度為449.53 mg·m-3。

表2 某鋼鐵廠燒結(jié)煙氣檢測結(jié)果Table 2 Test results of sintering flue gas in a steel plant

1.2.2 燒結(jié)杯試驗方法

試驗采用直徑為200 mm、高度為800 mm 的50 kg 級燒結(jié)杯，將原有燒結(jié)平臺進行改造，在煙氣循環(huán)燒結(jié)杯試驗過程中，通過人工配氣模擬循環(huán)煙氣，同時，將循環(huán)煙氣通過燒結(jié)杯上方密封罩導(dǎo)入燒結(jié)料層。點火負(fù)壓為7 kPa，點火溫度為(1 150±50)℃，點火時間為90 s 并保溫30 s，燒結(jié)負(fù)壓為14 kPa。煙氣循環(huán)燒結(jié)杯試驗平臺及配氣系統(tǒng)見圖1。在試驗過程中，采用Titan Dryfast eco抗化學(xué)腐蝕隔膜泵(上海泰坦科技股份有限公司)從煙氣管道中抽取燒結(jié)煙氣進行采樣，后端采用MRU煙氣分析儀(德國MRU 公司)對燒結(jié)煙氣污染物進行檢測。

首先對該廠2 號燒結(jié)機進行煙氣成分現(xiàn)場檢測。針對該燒結(jié)機，結(jié)合現(xiàn)場所測數(shù)據(jù)，參考寶鋼股份有限公司煙氣內(nèi)循環(huán)工藝條件[22](從30個風(fēng)箱中選取前5個風(fēng)箱和最后4個風(fēng)箱進行煙氣內(nèi)循環(huán)，混合后煙氣溫度為130～150 ℃，O2體積分?jǐn)?shù)約為18%)，本試驗煙氣內(nèi)循環(huán)選取前2 后4 風(fēng)箱(即1 號、2 號風(fēng)箱及18～21 號風(fēng)箱)、前2 后3 風(fēng)箱(即1 號、2 號風(fēng)箱及19～21 號風(fēng)箱)和后6 風(fēng)箱(即16～21 號風(fēng)箱)煙氣成分進行模擬研究；煙氣外循環(huán)溫度為135～180 ℃，O2體積分?jǐn)?shù)為16%～19%。同時，針對現(xiàn)有煙氣循環(huán)技術(shù)有效氧體積分?jǐn)?shù)較低的現(xiàn)狀，提出用富氧措施來協(xié)同煙氣循環(huán)燒結(jié)，探究煙氣內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)及富氧協(xié)同循環(huán)對燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)和CO排放的影響，具體試驗方案如表3所示。為模擬燒結(jié)現(xiàn)場工業(yè)煙氣的O2體積分?jǐn)?shù)及溫度，在實驗室條件下，通過電爐加熱部分空氣，隨后結(jié)合煙氣分析儀檢測進而調(diào)控溫度及O2體積分?jǐn)?shù)。

表3 燒結(jié)杯試驗方案Table 3 Sintered cup test schemes

2 結(jié)果與分析

2.1 煙氣內(nèi)循環(huán)對燒結(jié)過程的影響

2.1.1 煙氣內(nèi)循環(huán)對燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)的影響

當(dāng)燒結(jié)混合料水分為7.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時，不同風(fēng)箱煙氣內(nèi)循環(huán)條件對燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)的影響如圖2所示。由圖2可見：與常規(guī)燒結(jié)條件(工況T1)相比，無論采用何種方式的內(nèi)循環(huán)，燒結(jié)速度均顯著降低，這可能是因為隨著循環(huán)煙氣的加入，燒結(jié)過程有效氧體積分?jǐn)?shù)降低，從而降低了燒結(jié)速度，進而降低利用系數(shù)，煙氣內(nèi)循環(huán)對成品率、轉(zhuǎn)鼓指數(shù)的影響較小。固體燃耗隨著燒結(jié)內(nèi)循環(huán)煙氣的加入而有所降低，表明煙氣循環(huán)后提供了部分熱量，促進C元素反應(yīng)，使其充分發(fā)揮自身高溫反應(yīng)帶來的效果，進而有利于降低固體燃耗。當(dāng)內(nèi)循環(huán)溫度為140～150 ℃(前2 后4 風(fēng)箱)時，燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)較好，成品率為75.94%，較常規(guī)燒結(jié)條件時提升1.2%，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)為69.87%，較常規(guī)燒結(jié)條件時提升2.4%，固體燃耗為61.97 kg·t-1，較常規(guī)燒結(jié)條件時降低0.69 kg·t-1。

2.1.2 煙氣內(nèi)循環(huán)對CO排放的影響

在燒結(jié)混合料水分為7.0%條件下，研究不同風(fēng)箱煙氣內(nèi)循環(huán)條件對燒結(jié)煙氣中CO的影響。在不同風(fēng)箱內(nèi)循環(huán)的條件下，燒結(jié)煙氣中CO的排放變化如圖3所示。由圖3可見：在燒結(jié)杯試驗過程中的燒結(jié)點火階段，由于采用的是液化石油氣點火，導(dǎo)致CO 排放質(zhì)量濃度在燒結(jié)前3～5 min 出現(xiàn)峰值；隨著燒結(jié)過程的進行，CO排放質(zhì)量濃度較為穩(wěn)定，波動較??；燒結(jié)升溫后CO排放質(zhì)量濃度迅速降低。結(jié)合CO排放趨勢分析可知，循環(huán)煙氣的進入使得CO 整體排放量比常規(guī)燒結(jié)條件(工況T1)下的低，同時延緩了CO 排放第2 個峰值的出現(xiàn)，這可能是因為循環(huán)煙氣參與了燒結(jié)高溫帶的反應(yīng)，高溫帶以還原性氣氛為主，循環(huán)煙氣的進入有利于CO 和O2反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為CO2，進而降低CO排放量。在T2工況下(前2后4風(fēng)箱)，CO質(zhì)量濃度降低16.62%；在T3 工況下(前2 后3 風(fēng)箱)，CO濃度降低21.30%；在T4工況下(后6風(fēng)箱)，CO質(zhì)量濃度降低14.68%。隨著循環(huán)煙氣溫度升高，CO質(zhì)量濃度降幅越小，這可能是因為在等壓條件下，隨著循環(huán)煙氣溫度升高，氣體受熱體積膨脹，導(dǎo)致通過料層的氣體量減少，進而參與高溫反應(yīng)的循環(huán)煙氣量減少，使得CO減排效果不佳。

2.2 煙氣外循環(huán)對燒結(jié)過程的影響

2.2.1 煙氣外循環(huán)對燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)的影響

在燒結(jié)混合料水分為7.0%條件下，開展燒結(jié)煙氣外循環(huán)模擬試驗，不同外循環(huán)條件對燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)的影響見表4。由表4 可見：外循環(huán)的溫度及O2體積分?jǐn)?shù)對燒結(jié)速度影響較明顯，與常規(guī)燒結(jié)條件下的燒結(jié)速度相比，垂直燒結(jié)速度均有所降低。在煙氣O2體積分?jǐn)?shù)相對一致的條件下，隨著外循環(huán)煙氣溫度升高，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)逐漸降低，這主要是由于煙氣溫度越高，相對應(yīng)的有效氧體積分?jǐn)?shù)越低，對燒結(jié)礦成礦過程有所影響，從而降低轉(zhuǎn)鼓指數(shù)。當(dāng)外循環(huán)煙氣溫度相同時，隨著煙氣O2體積分?jǐn)?shù)升高，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)有所升高，固體燃耗略有降低。當(dāng)煙氣外循環(huán)時，與常規(guī)燒結(jié)條件相比，燒結(jié)利用系數(shù)明顯降低。這是因為煙氣循環(huán)后，進入料層的有效氧的體積分?jǐn)?shù)降低，從而影響燒結(jié)指標(biāo)值。當(dāng)外循環(huán)溫度為135 ℃和O2體積分?jǐn)?shù)為16%～17%(工況T5)時，成品率為75.36%，較常規(guī)燒結(jié)條件時提高0.64%；轉(zhuǎn)鼓指數(shù)為69.20%，較常規(guī)燒結(jié)條件時提高1.67%；固體燃耗為61.74 kg·t-1，較常規(guī)燒結(jié)條件時降低0.92%。

表4 不同外循環(huán)條件對燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)的影響Table 4 Influence of different external circulation conditions on quality indexes of sintered ore

2.2.2 煙氣外循環(huán)對CO排放的影響

分別對不同外循環(huán)條件和T1 條件下的CO 排放曲線進行積分，進而得到CO平均排放量，見圖4。由圖4可見：總體而言，煙氣外循環(huán)均可使CO平均排放量降低。在煙氣中O2體積分?jǐn)?shù)相對一致的條件下，隨著外循環(huán)煙氣溫度升高，其有效氧體積分?jǐn)?shù)逐步降低，使得參與高溫反應(yīng)的O2體積分?jǐn)?shù)減少，CO 減排效果不佳。在外循環(huán)溫度為135 ℃和O2體積分?jǐn)?shù)為16%～17%條件下(工況T5)，CO減排效果最佳，其質(zhì)量濃度降低11.45%。在外循環(huán)煙氣溫度一致條件下，隨著煙氣O2體積分?jǐn)?shù)升高，其有效氧體積分?jǐn)?shù)升高，更多的O2參與CO和O2的反應(yīng)，使得CO減排效果顯著提升。當(dāng)循環(huán)煙氣溫度為150 ℃時，O2體積分?jǐn)?shù)由16%～17%提升到18%～19%，CO 排放量降幅由1.34%提高到6.45%。

2.3 富氧協(xié)同內(nèi)循環(huán)對燒結(jié)過程的影響

2.3.1 富氧協(xié)同內(nèi)循環(huán)對燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)的影響

采用煙氣內(nèi)循環(huán)后，燒結(jié)過程中的有效氧體積分?jǐn)?shù)降低，導(dǎo)致燒結(jié)利用系數(shù)顯著降低。為了減少這一現(xiàn)象的發(fā)生，采用富氧協(xié)同燒結(jié)煙氣內(nèi)循環(huán)進行試驗研究，結(jié)果如表5所示。由表5可見：與常規(guī)燒結(jié)條件相比，僅采用內(nèi)循環(huán)時燒結(jié)速度顯著降低，這可能是因為隨著循環(huán)煙氣的加入，燒結(jié)過程中的有效氧體積分?jǐn)?shù)降低，從而降低了燒結(jié)速度，燒結(jié)利用系數(shù)由常規(guī)燒結(jié)條件下的1.900 t·m-2·h-1降低至1.533 t·m-2·h-1。隨著循環(huán)煙氣O2體積分?jǐn)?shù)的升高，當(dāng)有效氧體積分?jǐn)?shù)提高至18%時，燒結(jié)利用系數(shù)升高至1.878 t·m-2·h-1；當(dāng)有效氧體積分?jǐn)?shù)為21%時，燒結(jié)利用系數(shù)提高至1.919 t·m-2·h-1，同時固體燃耗降低至61.53 kg·t-1。

2.3.2 富氧協(xié)同內(nèi)循環(huán)對CO排放的影響

分別對富氧協(xié)同內(nèi)循環(huán)和常規(guī)燒結(jié)條件下的CO排放曲線進行積分，進而得到CO平均排放量，見圖5。由圖5 可見：相較于常規(guī)燒結(jié)和煙氣內(nèi)循環(huán)條件，富氧協(xié)同內(nèi)循環(huán)條件下煙氣CO減排效果明顯。在一定范圍內(nèi)，隨著煙氣中有效氧體積分?jǐn)?shù)的提升，CO排放量降幅同步上升，當(dāng)循環(huán)煙氣中有效氧體積分?jǐn)?shù)為18%時，CO 排放量降幅為25.54%；但當(dāng)有效氧體積分?jǐn)?shù)升至21%時，CO排放量降幅略微減小。這可能是因為隨著煙氣中有效氧體積分?jǐn)?shù)不斷提升，其發(fā)揮高溫作用的效果愈加顯著；但當(dāng)有效氧體積分?jǐn)?shù)提升到21%時，氧分子彼此存在競爭或排斥關(guān)系，僅有部分O2參與高溫帶的反應(yīng)，其余被燒結(jié)抽風(fēng)作用帶到煙氣中，進而使得其CO減排效果降低。

2.4 富氧協(xié)同外循環(huán)對燒結(jié)過程的影響

2.4.1 富氧協(xié)同外循環(huán)對燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)的影響

不同富氧協(xié)同外循環(huán)條件對燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)的影響見表6。由表6可見：與常規(guī)燒結(jié)條件相比，在僅采用煙氣外循環(huán)條件下，當(dāng)有效氧體積分?jǐn)?shù)為12%時，燒結(jié)速度顯著降低，可能的原因是隨著循環(huán)煙氣的加入，燒結(jié)過程有效氧體積分?jǐn)?shù)降低，從而降低了燒結(jié)速度，燒結(jié)利用系數(shù)由常規(guī)燒結(jié)條件下的1.900 t·m-2·h-1降至1.588 t·m-2·h-1。隨著循環(huán)煙氣O2體積分?jǐn)?shù)升高，燒結(jié)利用系數(shù)升高。當(dāng)循環(huán)煙氣O2體積分?jǐn)?shù)提高至24.7%，有效氧體積分?jǐn)?shù)提高至18%時，燒結(jié)利用系數(shù)升高至1.909 t·m-2·h-1，與常規(guī)燒結(jié)條件相當(dāng)，且轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和固體燃耗均優(yōu)于常規(guī)燒結(jié)條件下的相應(yīng)指標(biāo)值。當(dāng)繼續(xù)提高循環(huán)煙氣的有效氧體積分?jǐn)?shù)至21%時，燒結(jié)利用系統(tǒng)提高至1.946 t·m-2·h-1，同時固體燃耗降至61.32 kg·t-1。

表6 不同富氧協(xié)同外循環(huán)條件對燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)的影響Table 6 Influence of different oxygen-enriched synergistic external circulation conditions on quality indexes of sintered ore

2.4.2 富氧協(xié)同外循環(huán)對CO排放的影響

分別對富氧協(xié)同外循環(huán)和常規(guī)燒結(jié)條件下的CO排放曲線進行積分，進而得到CO平均排放量，見圖6。由圖6 可見：相較于常規(guī)燒結(jié)和煙氣外循環(huán)條件，富氧協(xié)同外循環(huán)條件下煙氣CO減排效果明顯，隨著煙氣中有效氧體積分?jǐn)?shù)的提升，CO排放量降幅呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。當(dāng)有效氧體積分?jǐn)?shù)為15%時，CO排放量降幅達(dá)39.40%，相較于煙氣外循環(huán)時提升28%，這可能是因為隨著煙氣中有效氧體積分?jǐn)?shù)不斷提升，其發(fā)揮高溫作用的效果愈加顯著，CO排放量降幅明顯提高；但當(dāng)有效氧體積分?jǐn)?shù)提升到18%時，其有效氧過量進而使氧分子彼此存在競爭或排斥關(guān)系，僅有部分氧分子參與高溫帶的反應(yīng)，其余被燒結(jié)抽風(fēng)作用帶到煙氣中，導(dǎo)致其CO減排效果減弱。

3 結(jié)論

1)煙氣循環(huán)有助于降低CO排放量，但同時對燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)影響較為明顯：垂直燒結(jié)速度和利用系數(shù)明顯降低，固體燃耗略有降低，其他指標(biāo)值有小幅提升。

2)對于煙氣內(nèi)循環(huán)，建議選取前2個風(fēng)箱及最后4 個風(fēng)箱進行內(nèi)循環(huán)，煙氣溫度為140～150 ℃，O2體積分?jǐn)?shù)為20%～21%。對于煙氣外循環(huán)，建議循環(huán)條件為：煙氣溫度為135 ℃，O2體積分?jǐn)?shù)為16%～17%，此時成品率、轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、固體燃耗均優(yōu)于常規(guī)燒結(jié)條件下的相應(yīng)指標(biāo)值，同時CO排放量分別降低16.62%和11.45%。

3)采用富氧協(xié)同煙氣循環(huán)可有效解決單一煙氣循環(huán)有效氧不足的問題，進而解決燒結(jié)利用系數(shù)降低的問題；富氧協(xié)同外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)后，當(dāng)有效氧體積分?jǐn)?shù)分別提高至15%和18%時，CO排放量降幅分別高達(dá)39.40%和25.54%。