煙氣循環燒結工藝中富氧和焦爐煤氣噴吹的優化

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

在鋼鐵企業中，煉鐵工序能耗占鋼鐵企業總能耗的69.41%，其中燒結工序能耗約占整個企業能耗的10%～20%，是僅次于高爐的一大耗能工序[1].與此同時燒結工序產生的CO2、SO2、NOx等污染物對環境的危害隨著工業的發展越來越突出.因此降低固體燃料消耗，減少CO2、SO2、NOx等污染物的排放量成為鋼鐵企業的當務之急.

煙氣循環燒結是一項相對經濟可行的節能減排技術，其措施是將一部分燒結煙氣直接循環利用，這不但可以減少單位燒結礦排放的廢氣量，同時可充分利用煙氣顯熱和CO潛熱，且部分污染物在循環過程得到降解，減少廢氣處理量，降低凈化系統的固定投資及運行成本，最終實現節能減排.國外先后開發了優化燒結排放法(EOS)和Eposint環保型燒結工藝[2-3]，取得了較好的節能減排效果.國內近年來也開展了一些煙氣循環燒結相關技術研究[4-5].從研究結果來看，循環煙氣的溫度和氧含量是該技術的關鍵性指標，即循環煙氣溫度應高于200 ℃，O2含量(體積分數)應不低于18%.在考察研究國內外煙氣循環工藝的基礎上，結合我國鋼鐵企業的生產實際[6]，對現有的煙氣循環工藝進行優化，從而降低固體燃料消耗和減少污染物的排放是當前亟待解決的技術難題.

本文從物料平衡與能量平衡的計算[7]出發，考察了不同煙氣循環燒結優化工藝的物料與能量消耗，旨在說明富氧、噴吹氣體燃料及其組合使用對固體燃料消耗和污染物排放的影響，為燒結新工藝的付諸實踐提供參考.

1 靜態工藝模型與驗證

如圖1所示，鐵礦石燒結過程靜態工藝模型主要由一個主模塊和六個子模塊組成，其建立和求解過程在前文已做了詳細介紹[8]，此處不再贅述.

圖1 鐵礦石煙氣循環工藝模型模塊結構圖Fig.1 Module structure of static process model for iron ore sintering with flue gas recirculation

使用煙氣循環燒結的靜態工藝模型計算時，點火、保溫和煙罩外使用空氣，煙罩內燒結過程使用空氣、工業氧氣、燒結煙氣、環冷廢氣和焦爐煤氣等組成的混合氣體，其中煙罩內噴吹煤氣量計算過程如下：

噴吹煤氣量=燒結空氣基準體積×煙罩面積覆蓋比例×噴吹比例

式中，燒結空氣基準體積以傳統燒結為基準，為一常數，本模型中取值1 223.0 m3/t(標準狀態下).

如表1所示，以傳統鐵礦石燒結工藝為例，通過國內某鋼鐵企業現場數據和本文數學模型計算結果進行對比，計算結果誤差在3%以內，故可認為本文所使用的模型是可靠的.

表1 現場數據與計算結果對比Table 1 Comparison between the production data and the calculation result

2 煙氣循環燒結工藝研究方案

根據前人的試驗研究[9-10]，當煙氣循環比例達到35%～40%，循環煙氣的溫度低于200 ℃時，O2含量(體積分數)將低于18%，燒結指標惡化.因此為保證燒結礦產量質量與傳統燒結相當，需對高比例煙氣循環燒結工藝進行優化.圖2為帶有富氧和焦爐煤氣噴吹的煙氣循環鐵礦石燒結工藝流程圖.

2.1 參數確定

本文以煙氣循環燒結工藝為基準，煙氣循環比例為38.1%，覆蓋面積為100%，循環煙氣溫度為200 ℃.通過混合空氣、工業氧氣和環冷廢氣進行富氧，使進入煙罩內循環煙氣的O2含量(體積分數)達到傳統燒結的O2含量水平，并且保持循環煙氣溫度為200 ℃.根據焦爐煤氣噴吹實驗[11]，其噴吹比例最大為0.5%.

2.2 優化方案

在煙氣循環條件下，對富氧、焦爐煤氣噴吹及其組合使用進行優化，研究方案如表2所示.

圖2 鐵礦石煙氣循環燒結工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of the iron ore sintering process with flue gas recirculation

方案循環比例 覆蓋比例 富氧比例 噴吹比例%O2 CO2 CO H2O% SO2 10-6基準煙氣循環38.11000016.734.970.293.01186.1638.11001.6018.004.970.293.01186.16富氧38.11004.2020.044.970.293.00186.1638.11007.0022.035.200.303.15194.9238.110000.316.734.970.293.01186.16焦爐煤氣噴吹38.110000.416.734.970.293.01186.1638.110000.516.734.970.293.01186.1638.11001.60.518.004.970.293.01186.16組合使用38.11004.20.520.044.970.293.00186.1638.11007.00.522.035.200.303.15194.92

3 結果及討論

3.1 富氧對煙氣循環燒結的影響

富氧率對煙氣循環燒結固體燃料消耗的影響如圖3所示.由圖可知，煙氣循環燒結工藝中，焦粉單耗為44.284 kg/t；隨著富氧率的增加，焦粉單耗略有降低.富氧率為7.0%時，焦粉單耗為44.001 kg/t，與基準煙氣循環燒結工藝相比，焦粉單耗減少了0.283 kg/t，減少比例為0.64%.其原因是煙氣循環富氧時，由于進入煙罩的循環煙氣中氧含量提高，減少了輸出煙氣量，進而減少其帶走的熱量，故焦粉單耗降低.

圖3 富氧率對焦粉單耗的影響Fig.3 Effect of oxygen enrichment on coke powder consumption

圖4 富氧率對燒結過程CO2、SO2排放量和煙氣排放量的影響Fig.4 Effect of oxygen enrichment on emissions of CO2, SO2 and flue gas

富氧率對燒結過程的CO2、SO2和煙氣排放量的影響如圖4所示.由圖可知，基準煙氣循環燒結工藝中CO2、SO2和燒結煙氣排放量分別為339.123、1.306和2 060.478 kg/t.隨著富氧率的增加，CO2、SO2和煙氣排放量均不斷降低.當富氧率為7.0%時，與基準煙氣循環燒結工藝相比，CO2、SO2和煙氣排放量分別減少了30.061、0.135和419.763 kg/t，減少比例分別為8.86 %、10.34 %和20.37 %.煙氣循環富氧，一方面可以減少用于燒結的循環煙氣量，另一方面焦炭的用量減少，而焦炭燃燒是產生CO2、SO2的根源，因此循環煙氣富氧可使燒結過程的CO2排放量、SO2排放量和燒結煙氣排放量相應降低.

3.2 焦爐煤氣噴吹對煙氣循環燒結的影響

不同焦爐煤氣噴吹比例對燒結固體燃料消耗的影響如圖5所示.可以看出，隨著噴吹比例的增加，焦粉單耗逐漸減少.當噴吹比例為 0.5 %時，焦粉單耗最低可達 40.436 kg/t，與基準煙氣循環燒結工藝相比焦粉單耗減少了3.848 kg/t，減少比例為 8.69%.在燒結過程熱量收入不變的前提下，隨著焦爐煤氣噴吹比例的增加，焦爐煤氣的能夠提供更多的熱量，從而減少了焦粉單耗.

圖5 噴吹比例對焦粉單耗的影響Fig.5 Effect of gas injection on coke powder consumption

不同噴吹比例對燒結過程CO2、SO2排放量和煙氣排放量的影響如圖6所示.可以看出，隨著噴吹比例的增加，CO2、SO2和煙氣排放量逐漸減少.當噴吹比例為 0.5 %時，CO2排放量和煙氣排放量分別為328.749、1.276和2 004.064 kg/t，與基準煙氣循環燒結工藝相比，CO2、SO2和煙氣排放量分別減少了10.374、0.03和56.414 kg/t，減少比例分別為 3.06 %、2.3 %和2.74 %.焦炭是產生CO2、SO2的根源，焦爐煤氣的主要成分為氫氣，煙氣循環過程噴吹焦爐煤氣可減少固體燃料消耗，使燒結過程的CO2排放量、SO2排放量相應降低.

圖6 噴吹比例對燒結過程CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量的影響Fig.6 Effect of gas injection on emissions CO2, SO2 and flue gas

圖7 0.5%焦爐煤氣噴吹時富氧率對焦粉單耗的影響Fig. 7 Effect of oxygen enrichment on coke powder consumption under 0.5% coke oven gas injection

3.3 富氧與焦爐煤氣噴吹組合使用對煙氣循環燒結的影響

在最高焦爐煤氣噴吹比例(0.5%)的條件下，富氧率對燒結固體燃料消耗的影響如圖7所示.可以看出，隨著富氧率的增加，焦粉單耗逐漸降低，當富氧率為7.0%時，焦粉單耗為40.039 kg/t，與基準煙氣循環燒結工藝相比，焦粉單耗減少了4.245 kg/t，減少比例為9.59%.循環煙氣中同時富氧和噴吹焦爐煤氣時，在減少物料收入項循環煙氣量和焦粉燃燒產生的廢氣量的同時，噴吹焦爐煤氣產生了更多了熱量，所以焦粉單耗進一步降低，與前人文獻[12]研究結果一致.

在最高焦爐煤氣噴吹比例(0.5%)的條件下，富氧率對燒結過程CO2、SO2和煙氣排放量的影響如圖8所示.可以看出，隨著富氧率的增加，CO2排放量、SO2排放量和煙氣排放量逐漸減少.富氧率為7.0%時，與基準煙氣循環燒結工藝相比，CO2、SO2和煙氣排放量分別減少了40.169、0.125和466.717 kg/t，減少比例分別為11.84%、9.57%和22.65%.同時富氧和噴吹焦爐煤氣時，一方面物料收入項中用于燒結的循環煙氣的攝入量減少，焦粉燃燒產生的廢氣量減少，另一方面由于焦爐煤氣的主要成分是氫氣，燃燒產物是H2O，故CO2和煙氣排放量降低.

圖8 0.5%焦爐煤氣噴吹時富氧率對燒結過程CO2、SO2和煙氣排放量的影響Fig.8 Effect of oxygen enrichment on CO2, SO2 and flue gas emissions under 0.5% coke oven gas injection

4 結 論

(1)當富氧率為7.0%時，與基準煙氣循環燒結工藝相比，焦粉單耗、CO2、SO2和煙氣排放量分別減少0.283、30.061、0.135和419.763 kg/t，減少比例分別為0.64%，8.86%、10.34%和20.37%.

(2)當焦爐煤氣噴吹比例為0.5%時，與基準煙氣循環燒結工藝相比，焦粉單耗、CO2、SO2和煙氣排放量分別減少3.848、10.374、0.03和56.414 kg/t，減少比例分別為8.69%，3.06%、2.3%和2.74%.

(3)組合使用7.0%富氧和0.5%焦爐煤氣噴吹時，與基準煙氣循環燒結工藝相比，焦粉單耗、CO2、SO2和煙氣排放量分別減少4.245、40.169、0.125和466.717 kg/t，減少比例分別為9.59%，11.84%、9.57%和22.65%.