鐵礦石煙氣循環燒結工藝靜態模型的開發及應用

倪文杰， 李海峰， 鄒宗樹(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 100819)

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].燒結工序會產生大量的燒結煙氣(約2 500 m3/t-s)和冷卻廢氣(約 2 200 m3/t-s)，其中約50%左右的熱能被主煙道煙氣和環冷機冷卻廢氣帶走[2].在余熱利用方面，目前國外燒結冷卻機廢氣利用的普及率達到57%，燒結機煙氣利用的普及率為26%，而我國燒結工序余熱利用率還不足30%，對于主煙道煙氣余熱的回收利用剛剛起步.在能耗方面，我國重點鋼鐵企業的燒結工序能耗平均水平為64.8 kgce/t-s，國內最好水平為54.7 kgce/t-s，最差為89.9 kgce/t-s，與國外先進水平相比，噸礦平均能耗要高出 20 kgce/t-s，當前燒結工序能耗居高不下的原因之一就是燒結過程余熱資源的回收利用過低.因此，加強余熱回收是降低我國燒結工藝能耗的重要舉措.

為了利用燒結系統產生的余熱，國外的熱風燒結、煙氣循環燒結等新工藝從上世紀70年代末開始就進行了生產實踐.近20年來，煙氣循環燒結技術已成為燒結工藝余熱回收的研究熱點，先后形成了5種工藝[3]：EOS(能量優化燒結技術)、Eposint(環境型工藝優化燒結技術)、LEEP(低排放能量優化燒結工藝)、分區廢氣循環技術和燒結廢氣余熱循環技術，實現了產業化生產并有一定推廣.

我國對燒結系統余熱資源回收利用的實踐應用開始于上世紀90年代初，近年來隨著全球氣候變暖、霧霾等環境問題日益突出，自2012年6月27日，國家環境保護部和國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布了鋼鐵工業污染物排放新標準，鋼鐵企業面臨著節約能源、降低煙氣排放量等嚴峻挑戰；各企業分別根據自身實際情況，在引進、吸收國外先進技術的基礎上，對原有燒結設備進行改進，煙氣循環燒結工藝作為技術熱點開始在國內鋼鐵企業進行了應用.2013年5月9日寧鋼430 m2燒結機投產，是國內首套燒結廢氣余熱循環利用的節能減排項目[4].隨后，江蘇沙鋼和永鋼等鋼鐵企業分別采用寶鋼的BSFGR工藝經驗和EOS工藝，對現有燒結裝備進行了改造和升級.

本文建立了煙氣循環燒結工藝靜態模型，通過計算不同的煙氣循環工藝，旨在說明不同的煙氣循環工藝在節能、減排方面不同的側重和功效，為燒結新工藝的付諸實踐提供參考.

1 煙氣循環工藝流程

煙氣循環燒結工藝的目的主要包括以下兩方面[5]：其一，利用煙氣中的熱量，可提高上部料層溫度并且使料層溫度場保持穩定；其二，使用煙氣進行循環燒結可使總的煙氣排放量降低.同時由于燒結過程排放的煙氣需要經過脫硫處理，因此總的煙氣排放量降低的同時，也可以降低煙氣的脫硫處理量和脫硫系統負荷.

如圖1所示為某鋼鐵企業360 m2燒結機的煙氣循環燒結工藝的流程示意圖[6,7].鐵礦石燒結系統包括原料的燒結和燒結礦的冷卻.燒結過程會產生高溫煙氣，同時冷卻過程也會產生大量的高溫廢氣.煙氣循環燒結的工藝是根據煙氣循環燒結的目的選取具有較高溫度風箱中的燒結煙氣，按照一定配比原則加入適量的燒結礦冷卻過程產生的廢氣，經除塵后由管道送入點火保溫爐之后的料面處的煙罩內進行煙氣循環燒結.

圖1 煙氣循環燒結工藝流程圖Fig.1 Schematic diagram of sintering process with flue gas recirculation

圖2 鐵礦石燒結工藝靜態模型軟件模塊結構圖Fig.2 Software module structure of the static model of iron ore sintering process

2 煙氣循環燒結工藝靜態模型的建立

燒結工藝靜態模型以燒結機為研究對象，對其進行物料平衡與熱量平衡計算[8].在物料平衡與熱量平衡分析的基礎之上，對整個燒結工序進行物料、能量的收入與支出分析.模型允許改變抽入空氣的成分及溫度、焦比和燒結原料的成分及溫度等輸入參數來預測不同工藝條件下的燒結操作指標并分析能量的利用情況.

本文開發的燒結工藝靜態模型軟件主要由一個主模塊和六個子模塊組成，如圖2所示.其中，子模塊分別為固體原料模塊、煤氣模塊、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不同工藝條件下的操作參數，通過對各元素平衡方程進行循環、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，同時還可進一步獲得空氣量、點火煤氣量、保溫煤氣量、燒結煙氣成分、燒結礦成分等.

2.1 固體原料模塊

燒結模型的計算中，所用的鐵礦石、含碳小球、爐塵、熔劑、焦粉以及燒結礦的化學成分均來自國內某鋼鐵企業，具體成分如表1和表2所示.

表1 燒結礦成分Table 1 Chemical composition of the sintered ore

表2 原料成分(質量分數)Table 2 Chemical composition of the raw materials (mass fraction) %

總結前人文獻，可知燒結配料計算法包括三種：經驗配料計算法、理論配料計算法和線性規劃配料計算法.經驗配料計算法誤差范圍大，理論配料和線性規劃計算法準確，本文采用理論配料計算.

理論配料計算的特點是計算準確、速度快，但其適合的原料種類較少.計算依據是TFe、CaO、SiO2、MgO、MnO、Al2O3在燒結過程中質量守恒，按照所需計算原料的種類(即未知數的多少)，分別根據氧平衡方程、堿度平衡方程、鐵平衡方程、SiO2平衡方程、MgO平衡方程等，計算礦石量、熔劑量和焦粉配比.

假設生產1 t燒結礦需要鐵礦石xkg(第一種鐵礦石30%，第二種鐵礦石30%，第三種鐵礦石40%)，石灰石ykg，白云石zkg，生石灰akg，高爐爐塵bkg，含碳小球ckg，焦粉dkg(其中x、y、z為未知數，a、b、c為已知數，d為設定的初值并通過熱平衡計算調整).燒結礦的化學成分表示為Fe燒、SiO2燒、CaO燒等，其他原料化學成分的表示方法依此類推.

根據配料計算原則，可以列出MgO平衡方程、堿度平衡方程和氧平衡方程：

(1) MgO平衡方程

MgO燒=(MgOx·x+MgOy·y+MgOz·z+

MgOa·a+MgOb·b+MgOc·c+

MgOd·d)/100

(1)

(2) 堿度平衡方程

R=(CaOx·x+CaOy·y+CaOz·z+CaOa·a+

CaOb·b+CaOc·c+CaOd·d)/(SiO2x·x+

SiO2y·y+SiO2z·z+SiO2a·a+SiO2b·b+

SiO2c·c+SiO2d·d)

(2)

(3) 氧平衡方程

1/9(G燒·FeO燒-∑Gi·FeOi)/100=

∑Gi·ai/100-G燒

(3)

式中：1/9為1 kgFeO氧化或還原時相應O2的變化為1/9 kg；ai為原料的燒殘率，%，ai=100-LOI-0.9Si，i表示各種固體原料，LOI表示燒損；Gi為各種原料用量，kg；G燒為燒結礦質量，kg.

求解上述方程組可以得到礦石配比和熔劑配比.

2.2 空氣模塊

煙氣循環燒結工藝是將抽風燒結階段進入料層的常溫空氣轉變為含有多種組分的高溫混合氣體.由于混合氣體的溫度較高，并且含有一定量的參與燒結反應的氣體成分(CO、H2)，會對燒結過程產生一定的影響[9].

煙氣循環到料層后，若不能滿足燒結所需氣體量，不足的部分由環冷機產生的熱廢氣進行補充[10]；與此同時，若循環煙氣溫度不足200 ℃時，則通過調控環冷機熱廢氣溫度使之達到200 ℃.循環煙氣一部分來自燒結煙氣，另一部分來自燒結礦冷卻過程產生的廢氣.使用燒結礦冷卻廢氣主要是為了提高混合氣體中O2的濃度，同時利用其余熱.表3為空氣的成分及溫度.

2.3 煤氣模塊

根據2.1節的內容，所有固體物料的配比均已求得，燒結工序中其他未知變量還有氣體量，包括點火煤氣量、點火空氣量、保溫煤氣量、保溫空氣量、實際抽風空氣量、漏風量、燒結煙氣量.

在計算點火煤氣量時，需明確其成分、發熱值大小，其計算過程如表4所示.根據氣體成分可以獲得其他未知信息.其計算過程包括純氣體放熱[11]、單位體積的煤氣耗氧量.

表3 空氣的成分(體積分數)及溫度(t=25 ℃)Table 3 Composition and temperature of the air (t=25 ℃) %

表4 煤氣化學成分及發熱值Table 4 Chemical composition and calorific value of the fuel gas

2.4 操作條件模塊

鐵礦石煙氣循環燒結工藝過程包括點火、保溫和抽風燒結等過程，其初始條件和邊界條件等參數如表5所示.

表5 操作參數Table 5 Operation parameters

續表

2.5 物料平衡模塊

燒結過程物料平衡遵循物質守恒定律，即進入燒結過程的物料總質量等于該過程排出的各種產物的總質量.

燒結過程的物料收入：

(4)

燒結過程的物料支出：

(5)

2.6 熱平衡模塊

燒結過程的熱收入包括物理熱和化學熱兩部分.物理熱即原料、煤氣、空氣等帶入的熱量，化學熱即固定碳、煤氣、空氣中可燃成分等燃燒放熱及硫氧化物、氧化物等反應熱.具體如下式：

(6)

燒結過程的熱支出如下式：

Q支出=Q水+Q碳酸鹽+Q廢氣+Q燒結餅+Q損失

(7)

燒結過程熱收入與熱支出的差值如式(8)所示，當熱收入與熱支出不平衡時，通過配礦模塊對焦粉比例進行調整，從而使ΔQ<5×10-4，滿足物料平衡與熱平衡關于計算精度的要求.

ΔQ=Q支出-Q收入

(8)

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

鐵礦石燒結靜態工藝模型的計算流程如圖3所示.模型以Visual Basic 6.0(簡稱VB6.0)為編程工具，運用Visual Basic程序設計語言建立操作指標和工藝條件之間的邏輯關系.

3 煙氣循環工藝設計

根據煙氣循環燒結的基礎實驗[12]，循環煙氣的成分和溫度應控制在合理的取值范圍之內，否則會對燒結產生不利的影響，如表6所示.

表6 循環煙氣成分(體積分數)和溫度的合理取值范圍Table 6 Range of the reasonable values of recirculating flue gas composition and temperature

3.1 煙氣參數及分析

以某鋼鐵企業360 m2燒結機為測試對象，采用風箱支管開孔取樣的方法測試，主要檢測煙氣參數有溫度和煙氣成分，所測煙氣參數如圖4、圖5所示.

圖4 煙氣的溫度Fig.4 Temperature of the flue gas

由圖4可知，該燒結機的燒結終點在23號風箱處，BTP溫度為438 ℃.24號風箱處料層內固體燃料已燃盡，流過料層的氣體對燒結礦起冷卻作用，料層高溫區域厚度減小，出口煙氣溫度降低.所以單從溫度角度考慮，循環煙氣應以溫度較高的19號～24號風箱煙氣為主.

圖5 煙氣的成分(體積分數)Fig.5 Composition the flue gas

各風箱中O2、CO2、CO及SO2含量(體積分數)示于圖5，隨著料層內固體燃料燃燒反應，點火、保溫階段的1號～3號風箱中O2含量迅速降低，并含有一定量的CO2和CO.點火、保溫結束后4號風箱O2含量回升，之后O2含量逐漸穩定在11%～13%，直至18號風箱后再次上升；燒結終點23號、24號風箱處，O2的消耗、CO2和CO的生成幾乎為0，煙氣中各成分恢復到與入口空氣一致的水平.從氧含量角度考慮，循環煙氣應選擇O2含量高的1號及19號～24號風箱.

由風箱煙氣中SO2含量(體積分數)可知，1號～13號風箱煙氣中SO2很少，SO2含量穩定在(90～100)×10-6，從14號風箱開始煙氣中SO2逐漸上升，在16號～18號風箱處出現峰值，19號以后煙氣中SO2含量又呈現下降的趨勢.從SO2含量角度考慮，循環煙氣應盡可能的避開SO2含量較高的14號～20號風箱.

3.2 煙氣循環方案

煙氣循環比例和煙罩面積覆蓋比例是煙氣循環燒結工藝的重要參數[6].煙氣循環比例為循環煙氣量和燒結總的煙氣量的比值，面積覆蓋比例為循環煙罩的面積和燒結機面積的比值.

根據燒結機各個風箱中的煙氣成分含量及溫度的特點，在初步劃分其循環的可能性后，需要進行定量分析.基于余熱利用和減量排放側重點的不同，如表7所示本文根據循環煙氣的選擇，分別采用Case 1、Case 2以及Case 3.

表7 煙氣循環工藝方案Table 7 Scheme of sintering process withflue gas recirculation

(1)Base

基準方案采用常規燒結工藝，主要作為煙氣循環方案的參照，使用空氣作為燒結氣體.

(2)Case1

Case 1主要側重于選取溫度高的燒結煙氣作為混合氣體，即側重于提高煙氣的余熱利用.選取20～24號風箱作循環使用.這部分煙氣溫度較高，同時O2含量較高，只需要配比少量的冷卻廢氣，不會使混合氣體的溫度降低太多.

(3)Case 2

Case 2主要側重于選取的燒結煙氣循環量達到最大，即側重于提高煙氣的減排量.1、2號風箱處在點火與保溫階段，這部分煙氣溫度較低，但從降低煙氣排放量考慮，可以作循環使用.Case 2選取1、2、19～24號風箱作循環使用.

(4)Case 3

Case 3兼顧燒結余熱的利用與降低燒結煙氣排放量.23、24號風箱處于燒結終點之后，煙氣成分與空氣成分一致，煙氣溫度較高，余熱利用價值大.相對于循環燒結，用于余熱鍋爐發電的利用率更高，可將23、24號風箱中的煙氣引入環冷機余熱利用區的余熱鍋爐.因此Case 3選取1、2、19～22號風箱作為循環使用.

表8為燒結煙氣的成分及溫度，表9為環冷廢氣的成分及溫度.通過空氣模塊的計算得到燒結煙氣和環冷廢氣混合后的煙氣成分和溫度，混合煙氣作為燒結機入口氣體進行煙氣循環燒結，三種煙氣循環工藝的混合煙氣成分及溫度如表10所示.

表8 燒結煙氣的成分(體積分數)及溫度Table 8 Composition and temperature of the recirculating flue gas

表9 環冷廢氣的成分(體積分數)及溫度Table 9 Composition and temperature of the cooling waste gas

表10 混合煙氣的溫度及成分(體積分數)Table 10 Temperature and composition of the mixed flue gas

4 模型計算結果及討論

4.1 對煙氣性質的影響

在不同的燒結煙氣循環比例和煙罩面積覆蓋比條件下，三種煙氣循環方案的煙氣成分和溫度見表11.煙罩內氣體來源于燒結煙氣和環冷廢氣.隨著燒結煙氣循環比例從23%提高到32%，煙罩面積覆蓋比相應從30%提高到58%，循環煙氣中O2含量有所降低，而CO2、SO2、H2O含量變化不大.

表11 煙氣的成分Table 11 Composition of the flue gas

4.2 對燒結礦化學成分的影響

煙氣循環對燒結礦化學成分的影響見表12所示.釆用煙氣循環后，燒結礦中TFe、CaO、MgO、SiO2、Al2O3、MnO、S等的含量變化很小.

表12 不同煙氣循環條件下燒結礦成分(質量分數)Table 12 Composition of the sintered ore with different flue gas recirculation (mass fraction) %

4.3 對固體燃料消耗的影響

由表13可知，和基準燒結工藝相比，三種煙氣循環方案的固體燃料消耗顯著降低，降幅超過9.0%.采用方案3時固體燃料消耗最低，即煙氣循環比為24%，煙罩面積覆蓋比為58%時，焦粉單耗降低了6.29 kg·t-1，工序能耗降低了6.30 kgce·t-1.這是由于高溫廢氣的物理熱代替了固體燃料的化學熱所致.此外高溫廢氣中的CO在燃燒帶燃燒釋放出來的化學熱也可降低固體燃料的消耗.

表13 固體燃料消耗和工序能耗Table 13 Solid fuel consumption and process energy consumption

4.4 對污染物排放的影響

由表14可知，煙氣循環燒結工藝三種方案與常規燒結工藝相比，燒結煙氣中CO2和SO2都有不同程度的減少，燒結煙氣總的排放量明顯降低.三種方案的煙氣處理量相對于常規燒結工藝分別降低了23%，32%，24%，可見煙氣循環燒結工藝的三種方案中，Case2的減排效果明顯.煙氣處理量的降低有利于降低脫硫系統負荷，而且通過煙氣循環工藝，煙氣中SO2的富集，對提高煙氣脫硫效率有促進作用.分析原因，這是由于在原料配比不變的條件下，燒結周期內的SO2生成量基本不變，所以煙氣量排放量的降低使得循環煙氣中SO2含量升高，對煙氣中SO2起到了富集作用，從而調高脫硫設備的處理效率.

表14 污染物排放量Table 14 Pollutants in the flue gas

5 結 論

介紹了鐵礦石燒結工藝靜態模型中六個子模塊的建立和求解過程，應用模型計算并對煙氣循環燒結工藝的主要參數及影響進行了討論.得到以下主要結論:

(1)在煙氣循環的三種工藝中，隨著煙氣循環比例從23%提高到32%，面積覆蓋比相應從30%提高到58%，循環煙氣中O2含量降低，而CO2、SO2、H2O含量升高.

(2)釆用煙氣循環工藝后，燒結礦中TFe、CaO、MgO、SiO2、Al2O3、MnO、S等的含量變化很小.

(3)與基準燒結工藝相比，三種煙氣循環方案的固體燃料消耗顯著降低，降幅均超過9.0%；采用方案3時固體燃料消耗最低，焦粉單耗降低了6.29 kg/t，工序能耗降低了6.30 kgce/t.

(4)煙氣循環燒結工藝三種方案與常規燒結工藝相比，燒結煙氣中CO2和SO2量都有所減少，煙氣總的排放量明顯降低，三種方案的煙氣處理量相對于常規燒結工藝分別降低了23%，32%，24%，Case2的減排效果明顯.

(5)本文采用的三種煙氣循環方案各有側重，通過靜態模型的計算得到進一步的印證.綜合比較Case 2的節能減排效果更好.

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