富氧協同煙氣循環對燒結礦質量指標和CO排放的影響

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. 安徽工業大學冶金工程學院，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(安徽工業大學)，安徽馬鞍山，243002)

2020年中國鋼產量為13.25 億t，占世界鋼產量的53.31%[1]。作為國民經濟的支柱產業，鋼鐵工業能源消耗量占全國能耗的15%～20%[2-3]。鐵礦燒結工序是鋼鐵聯合企業中的重要工序，為高爐提供優質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，圍繞燒結節能減排和提質要求，人們在傳統方法的基礎上開發出了多種技術，如多污染物中低溫協同催化凈化、煙氣循環、燃氣/蒸汽噴吹等[7-9]，其中煙氣循環技術以低排放、低能耗等優勢受到廣泛關注與認可。

煙氣循環是基于部分熱廢氣被再次引入到燒結過程中的原理而開發的一種新型燒結技術[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，開發了具有獨立自主知識產權的BSFGR(Bao steel flue gas recirculation)工藝，并將該工藝應用于寧波鋼鐵有限公司的燒結機。國內學者外開展了多項煙氣循環對燒結過程和污染物排放影響的相關研究。張小輝等[15]通過數值模擬的方法，從節能減排效果和對燒結過程的影響兩方面出發，對比探討了煙氣循環與常規燒結工藝的不同。AHN 等[16]利用流程模擬器建立了熱廢氣循環燒結過程的二維數學模型，考察了廢氣成分和返回料面位置等因素對燒結過程廢氣排放規律的影響。范曉慧等[17-19]研究了煙氣循環工藝中不同煙氣成分對燒結過程的影響，發現當循環煙氣中氧氣體積分數低于18%時，會導致燒結礦質量指標急劇下降。熊林等[20]通過模擬實驗研究了循環煙氣中氧氣體積分數對燒結礦質量指標、煙氣成分排放規律、煙氣溫度等的影響，發現循環煙氣中氧氣體積分數控制在18%以上可得到產量及質量指標良好、礦相組成合理的燒結礦。倪文杰等[21]研究了富氧、焦爐煤氣噴吹及其組合使用對鐵礦石煙氣循環燒結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 工藝對燒結煙氣中O2，CO，SO2和NOx等成分排放規律的影響，發現煙氣循環工藝節能減排效果顯著。王兆才等[23-24]分析了燒結廢氣中O2體積分數、富氧氣體中O2體積分數及漏風率等因素對燒結廢氣循環率的影響規律，提出了適宜的內外循環方案。王志寧等[25]使用全混流反應器模型并結合化學反應動力學研究了煙氣循環過程對NO生成的影響。由此可見，針對煙氣循環對燒結節能減排和產品質量方面的影響已有較多研究，但不同煙氣循環模式及煙氣溫度、氧氣體積分數對燒結礦質量指標和污染物排放影響的研究較少。

本文作者根據燒結工藝條件，采用某鋼鐵廠燒結現場的燒結原料為研究對象，通過對燒結杯裝置進行煙氣循環工藝改造，研究煙氣內循環、外循環及富氧協同煙氣循環等不同循環模式對燒結礦質量指標及CO排放的影響，以期獲得實驗室條件下煙氣循環的最優工藝條件，為煙氣循環的工業化應用提供參考。

1 試驗原料及方法

1.1 試驗原料

以國內某鋼鐵公司實際燒結生產中使用的燒結原料為研究對象，包括鐵礦粉、返礦、熔劑、燃料等，其化學成分如表1所示。

表1 原料化學組成Table 1 Chemical composition of raw materials

1.2 試驗方法

1.2.1 現場煙氣檢測

對某鋼鐵廠面積為300 m2的燒結機風箱和大煙道溫度及相關煙氣成分進行檢測，結果如表2所示。由表2可見：在3號～14號風箱，CO質量濃度均較高，其中11號風箱CO質量濃度為最高，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號風箱區間；而SO2主要分布在14號～20號風箱區間。大煙道煙氣溫度為135 ℃，CO質量濃度為9 685.23 mg·m-3，NO 質量濃度為182.51 mg·m-3，SO2質量濃度為449.53 mg·m-3。

表2 某鋼鐵廠燒結煙氣檢測結果Table 2 Test results of sintering flue gas in a steel plant

1.2.2 燒結杯試驗方法

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

首先對該廠2 號燒結機進行煙氣成分現場檢測。針對該燒結機，結合現場所測數據，參考寶鋼股份有限公司煙氣內循環工藝條件[22](從30個風箱中選取前5個風箱和最后4個風箱進行煙氣內循環，混合后煙氣溫度為130～150 ℃，O2體積分數約為18%)，本試驗煙氣內循環選取前2 后4 風箱(即1 號、2 號風箱及18～21 號風箱)、前2 后3 風箱(即1 號、2 號風箱及19～21 號風箱)和后6 風箱(即16～21 號風箱)煙氣成分進行模擬研究；煙氣外循環溫度為135～180 ℃，O2體積分數為16%～19%。同時，針對現有煙氣循環技術有效氧體積分數較低的現狀，提出用富氧措施來協同煙氣循環燒結，探究煙氣內循環、外循環及富氧協同循環對燒結礦質量指標和CO排放的影響，具體試驗方案如表3所示。為模擬燒結現場工業煙氣的O2體積分數及溫度，在實驗室條件下，通過電爐加熱部分空氣，隨后結合煙氣分析儀檢測進而調控溫度及O2體積分數。

表3 燒結杯試驗方案Table 3 Sintered cup test schemes

2 結果與分析

2.1 煙氣內循環對燒結過程的影響

2.1.1 煙氣內循環對燒結礦質量指標的影響

當燒結混合料水分為7.0%(質量分數，下同)時，不同風箱煙氣內循環條件對燒結礦質量指標的影響如圖2所示。由圖2可見：與常規燒結條件(工況T1)相比，無論采用何種方式的內循環，燒結速度均顯著降低，這可能是因為隨著循環煙氣的加入，燒結過程有效氧體積分數降低，從而降低了燒結速度，進而降低利用系數，煙氣內循環對成品率、轉鼓指數的影響較小。固體燃耗隨著燒結內循環煙氣的加入而有所降低，表明煙氣循環后提供了部分熱量，促進C元素反應，使其充分發揮自身高溫反應帶來的效果，進而有利于降低固體燃耗。當內循環溫度為140～150 ℃(前2 后4 風箱)時，燒結礦質量指標較好，成品率為75.94%，較常規燒結條件時提升1.2%，轉鼓指數為69.87%，較常規燒結條件時提升2.4%，固體燃耗為61.97 kg·t-1，較常規燒結條件時降低0.69 kg·t-1。

2.1.2 煙氣內循環對CO排放的影響

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

2.2 煙氣外循環對燒結過程的影響

2.2.1 煙氣外循環對燒結礦質量指標的影響

在燒結混合料水分為7.0%條件下，開展燒結煙氣外循環模擬試驗，不同外循環條件對燒結礦質量指標的影響見表4。由表4 可見：外循環的溫度及O2體積分數對燒結速度影響較明顯，與常規燒結條件下的燒結速度相比，垂直燒結速度均有所降低。在煙氣O2體積分數相對一致的條件下，隨著外循環煙氣溫度升高，轉鼓指數逐漸降低，這主要是由于煙氣溫度越高，相對應的有效氧體積分數越低，對燒結礦成礦過程有所影響，從而降低轉鼓指數。當外循環煙氣溫度相同時，隨著煙氣O2體積分數升高，轉鼓指數有所升高，固體燃耗略有降低。當煙氣外循環時，與常規燒結條件相比，燒結利用系數明顯降低。這是因為煙氣循環后，進入料層的有效氧的體積分數降低，從而影響燒結指標值。當外循環溫度為135 ℃和O2體積分數為16%～17%(工況T5)時，成品率為75.36%，較常規燒結條件時提高0.64%；轉鼓指數為69.20%，較常規燒結條件時提高1.67%；固體燃耗為61.74 kg·t-1，較常規燒結條件時降低0.92%。

表4 不同外循環條件對燒結礦質量指標的影響Table 4 Influence of different external circulation conditions on quality indexes of sintered ore

2.2.2 煙氣外循環對CO排放的影響

分別對不同外循環條件和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，煙氣外循環均可使CO平均排放量降低。在煙氣中O2體積分數相對一致的條件下，隨著外循環煙氣溫度升高，其有效氧體積分數逐步降低，使得參與高溫反應的O2體積分數減少，CO 減排效果不佳。在外循環溫度為135 ℃和O2體積分數為16%～17%條件下(工況T5)，CO減排效果最佳，其質量濃度降低11.45%。在外循環煙氣溫度一致條件下，隨著煙氣O2體積分數升高，其有效氧體積分數升高，更多的O2參與CO和O2的反應，使得CO減排效果顯著提升。當循環煙氣溫度為150 ℃時，O2體積分數由16%～17%提升到18%～19%，CO 排放量降幅由1.34%提高到6.45%。

2.3 富氧協同內循環對燒結過程的影響

2.3.1 富氧協同內循環對燒結礦質量指標的影響

采用煙氣內循環后，燒結過程中的有效氧體積分數降低，導致燒結利用系數顯著降低。為了減少這一現象的發生，采用富氧協同燒結煙氣內循環進行試驗研究，結果如表5所示。由表5可見：與常規燒結條件相比，僅采用內循環時燒結速度顯著降低，這可能是因為隨著循環煙氣的加入，燒結過程中的有效氧體積分數降低，從而降低了燒結速度，燒結利用系數由常規燒結條件下的1.900 t·m-2·h-1降低至1.533 t·m-2·h-1。隨著循環煙氣O2體積分數的升高，當有效氧體積分數提高至18%時，燒結利用系數升高至1.878 t·m-2·h-1；當有效氧體積分數為21%時，燒結利用系數提高至1.919 t·m-2·h-1，同時固體燃耗降低至61.53 kg·t-1。

2.3.2 富氧協同內循環對CO排放的影響

分別對富氧協同內循環和常規燒結條件下的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：相較于常規燒結和煙氣內循環條件，富氧協同內循環條件下煙氣CO減排效果明顯。在一定范圍內，隨著煙氣中有效氧體積分數的提升，CO排放量降幅同步上升，當循環煙氣中有效氧體積分數為18%時，CO 排放量降幅為25.54%；但當有效氧體積分數升至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數不斷提升，其發揮高溫作用的效果愈加顯著；但當有效氧體積分數提升到21%時，氧分子彼此存在競爭或排斥關系，僅有部分O2參與高溫帶的反應，其余被燒結抽風作用帶到煙氣中，進而使得其CO減排效果降低。

2.4 富氧協同外循環對燒結過程的影響

2.4.1 富氧協同外循環對燒結礦質量指標的影響

不同富氧協同外循環條件對燒結礦質量指標的影響見表6。由表6可見：與常規燒結條件相比，在僅采用煙氣外循環條件下，當有效氧體積分數為12%時，燒結速度顯著降低，可能的原因是隨著循環煙氣的加入，燒結過程有效氧體積分數降低，從而降低了燒結速度，燒結利用系數由常規燒結條件下的1.900 t·m-2·h-1降至1.588 t·m-2·h-1。隨著循環煙氣O2體積分數升高，燒結利用系數升高。當循環煙氣O2體積分數提高至24.7%，有效氧體積分數提高至18%時，燒結利用系數升高至1.909 t·m-2·h-1，與常規燒結條件相當，且轉鼓指數和固體燃耗均優于常規燒結條件下的相應指標值。當繼續提高循環煙氣的有效氧體積分數至21%時，燒結利用系統提高至1.946 t·m-2·h-1，同時固體燃耗降至61.32 kg·t-1。

表6 不同富氧協同外循環條件對燒結礦質量指標的影響Table 6 Influence of different oxygen-enriched synergistic external circulation conditions on quality indexes of sintered ore

2.4.2 富氧協同外循環對CO排放的影響

分別對富氧協同外循環和常規燒結條件下的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：相較于常規燒結和煙氣外循環條件，富氧協同外循環條件下煙氣CO減排效果明顯，隨著煙氣中有效氧體積分數的提升，CO排放量降幅呈現先升高后降低的趨勢。當有效氧體積分數為15%時，CO排放量降幅達39.40%，相較于煙氣外循環時提升28%，這可能是因為隨著煙氣中有效氧體積分數不斷提升，其發揮高溫作用的效果愈加顯著，CO排放量降幅明顯提高；但當有效氧體積分數提升到18%時，其有效氧過量進而使氧分子彼此存在競爭或排斥關系，僅有部分氧分子參與高溫帶的反應，其余被燒結抽風作用帶到煙氣中，導致其CO減排效果減弱。

3 結論

1)煙氣循環有助于降低CO排放量，但同時對燒結礦質量指標影響較為明顯：垂直燒結速度和利用系數明顯降低，固體燃耗略有降低，其他指標值有小幅提升。

2)對于煙氣內循環，建議選取前2個風箱及最后4 個風箱進行內循環，煙氣溫度為140～150 ℃，O2體積分數為20%～21%。對于煙氣外循環，建議循環條件為：煙氣溫度為135 ℃，O2體積分數為16%～17%，此時成品率、轉鼓指數、固體燃耗均優于常規燒結條件下的相應指標值，同時CO排放量分別降低16.62%和11.45%。

3)采用富氧協同煙氣循環可有效解決單一煙氣循環有效氧不足的問題，進而解決燒結利用系數降低的問題；富氧協同外循環和內循環后，當有效氧體積分數分別提高至15%和18%時，CO排放量降幅分別高達39.40%和25.54%。