铁矿烧结低热值点火富氧预热技术试验研究

周浩宇，王赛辉，甘 敏，李 谦1，，王业峰1，，刘 前1，，陈思墨1，

（1.国家烧结球团装备系统工程技术研究中心，湖南 长沙410205；2.中冶长天国际工程有限责任公司，湖南 长沙410205；3.中南大学 资源加工与生物工程学院，湖南 长沙410083）

烧结过程主要是通过焦粉或煤粉的燃烧使得烧结矿熔化并重新结晶的过程[1]。 传统烧结工艺一般采取高热值的燃气或者燃料油进行点火。 但随着国内大量环保不达标的焦炉被取缔， 可用于烧结点火的高热值燃气供应量大幅减少。 与此同时，随着钢铁生产规模的日益增大， 钢铁厂内产生了大量低热值燃气（如高炉煤气），该部分煤气由于成分杂、热值低而得不到有效利用被大量外排，据统计国内某钢厂一年有近300 万m3高炉煤气被点燃外排，在能源浪费的同时造成了严重环境污染。因此， 探索烧结工艺中的低热值燃气高效点火技术意义重大[2-3]。

本研究前，业内专家针对低热值燃气双预热点火、富氧点火技术和富氧烧结技术做过相关研究[4-8]。 郭佳琪等[9]通过计算对烧结机富氧点火技术进行了技术可行性及经济可行性分析。 韩凤光等[10]采取富氧方式对铁矿石烧结过程进行试验研究，观察富氧后烧结固体燃料消耗、成品率、利用系数、冶金性能及矿相显微结构等指标的变化情况。 刘晓文等[11]根据不同氧气流通量进行铁矿粉富氧烧结试验研究，结合废气温度、收缩率、烧结速度等参数及烧结矿的显微矿相分析结果，研究不同富氧量对烧结矿的成品率、利用系数、转鼓强度、粒度组成等综合性能的影响。 刘东岳等[12]在烧结机上利用高炉煤气燃烧完成高炉煤气、助燃空气双预热，用于烧结机点火，取得了一定的节能效果。 以上研究均只考虑了富氧浓度对烧结过程的影响。 在实际烧结点火过程中，多种因素相互影响、相互作用，关于富氧空气的相关指标有空气过剩系数、富氧浓度、空气预热温度等，仅考虑单一浓度因素不够全面。

由此，本文通过开展多组烧结杯试验，研究了低热值燃气点火过程中空气过剩系数、 富氧浓度以及空气预热温度对烧结指标的影响规律， 并开展了三因素三水平正交试验，探究了多因素协同作用结果。以探究多因素富氧预热点火规律、 提高点火效率为目标， 期望为铁矿烧结低热值高效点火方案的设计制定提供理论支持。

1 原料条件及试验方法

1.1 试验原料

试验过程使用的原料为巴西CSN 烧结试验原料，包括铁矿石（CSF：一种镜铁矿）、石灰石、生石灰、白云石、焦粉（湘钢）和返矿，混合料按照二元碱度1.95 进行配矿。 原料的化学成分分析结果见表1，原料配比见表2。

表1 烧结原料化学成分分析结果 （%）

表2 点火烧结原料配比 （%）

1.2 试验装置

本文的所有试验均在自行设计的烧结杯试验平台上开展，烧结杯平台如图1 所示，主要包括配气系统、混合预热系统、点火系统、料层测温系统与烧结杯本体系统。 烧结杯的高度为700 mm，直径为180 mm，可以模拟实际烧结生产过程，且沿杯体高度方向配置了料层测温系统， 采用上海辉宇电热电器公司生产的S 型铂铑热电偶实时监测料层温度变化，精度±1.5 ℃。 配气系统主要是由风机和O2钢瓶组成，钢瓶气的气体纯度为99.99%，试验中按照所需富氧浓度设计不同的O2流量。混合预热系统采取自行设计的混匀室，外设电辅热，能在均匀混合空气与氧气的同时对混匀气体进行精准加热[13]。

图1 气体喷吹烧结技术试验研究装置示意图

1.3 试验方法

烧结试验过程如下：试验过程中，按照某实际烧结厂中原料的配比， 采用质量配料法对烧结原料进行配料， 混匀后在转速为15 r/min 的圆筒混合机中制粒4 min。 随后，在烧结杯中铺入1 kg 底料，底料的粒度为10～16 mm、厚度为20～25 mm，将制粒好的烧结原料铺入装有底料的烧结杯中。 烧结试验采用天然气进行点火，烧结料面在（1050±50） ℃的温度下点火1.5 min，并保温0.5 min，点火负压保持在5 kPa。点火后，表层烧结矿中的固体燃料被点燃，抽风负压为10 kPa，在抽风的作用下，燃烧带不断下移。从点火至烧结废气温度达到最高后开始降温时所需时间即为烧结时间。当到达烧结终点时，抽风负压调低至5 kPa，冷却3 min 后卸料，经单齿辊破碎机破碎，选用烧结速度、成品率、转鼓强度、利用系数等指标评价其产品质量指标，检测方法均采用ISO-2007等国际和国家通用检测标准[14]。

2 烧结杯试验结果及分析

2.1 空气过剩系数对点火烧结的影响

图2 为空气过剩系数对点火烧结的影响，其中，高炉煤气流量为2 m3/h，空气过剩系数1.5。 由于高炉煤气流量为1 m3/h 时烧结过程未点燃， 因此高炉煤气流量取为2 m3/h，随空气过剩系数的增加，垂直烧结速度、 烧结利用系数、 烧结成品率先增加后减小， 当空气过剩系数为1.5 时分别达到最大值为24.3 mm/min、72.24%、1.42 t/（m2·h）。 这是因为氧气在初期作为助燃剂使低热值燃气点火并形成稳定燃烧带，有利于料层内碳颗粒的点燃，当空气过剩系数增加至一定值时，助燃效果达到最大，但空气过剩系数继续增大时， 过量的低温空气又会给点火系统造成一定的热量损失，因此垂直烧结速度、烧结利用系数及烧结成品率呈现先增加后减小的趋势规律。

图2 空气过剩系数对点火烧结的影响

2.2 空气预热温度对点火烧结的影响

表3 所示为空气预热温度对点火烧结的影响，其中，高炉煤气流量为1 m3/h，空气过剩系数1.5。 从表中可以看出，不进行预热处理烧结未点燃，随着空气预热温度的升高，点火最高温度、废气温度逐渐升高，垂直烧结速度、烧结成品率、烧结转鼓强度、烧结利用系数先升高后降低， 当空气预热温度为300 ℃时，垂直烧结速度最高为23.3 mm/min，烧结成品率最高为68.06%，烧结转鼓强度最高为64.24%，烧结利用系数最高为1.39 t/（m2·h）。 这是因为在低热值燃气下（高炉煤气流量为1 m3/h）烧结过程处于热量缺乏的状态，燃烧及传热速率不匹配，随着空气预热温度的升高，点火温度及烧结速度大大增加，因此垂直烧结速度、烧结成品率、烧结转鼓强度、烧结利用系数均相应升高，但空气预热温度过高时，在同等标况供风量不变条件下工况体积变大导致单位体积内的氧原子密度变小， 进而对烧结料层内碳颗粒着火燃烧形成负面影响，导致垂直烧结速度、烧结利用系数及烧结成品率下降。

表3 空气预热温度对点火烧结的影响

2.3 富氧浓度对点火烧结的影响

表4 所示为富氧浓度对点火烧结的影响，其中，高炉煤气流量为1 m3/h，空气过剩系数1.5。从表中可以看出，随着富氧浓度的升高，点火最高温度、废气温度逐渐升高，垂直烧结速度、烧结成品率、烧结转鼓强度、 烧结利用系数先升高后降低， 当富氧浓度为50%时，垂直烧结速度最高为24.3 mm/min，烧结成品率最高为68.92%， 烧结转鼓强度最高为66.62%，烧结利用系数最高为1.39 t/（m2·h）。 这是因为随着富氧浓度的增加，N2的减少有效降低了烧结过程中的热量损失，同时氧气与燃气间的反应速率及反应活性大大增加，传热效果得到增强，使得烧结相关指标都有所改善，但氧气浓度过高时，碳颗粒燃烧速率显著快于料层内传热速率， 导致热量不能及时向下传递，顶部烧结矿过融板结造成抽风受阻， 造成垂直烧结速度、烧结利用系数及烧结成品率明显下降[15-16]。

表4 富氧浓度对点火烧结的影响

2.4 正交试验

以上试验工况均为控制单一变量， 在实际烧结点火过程中，几种因素相互作用、相互影响，通常多种因素都在一定范围内同步变化。为此，作者开展了三因素三水平正交试验， 研究了空气过剩系数（A）、富氧浓度（B）和空气预热温度（C）对低热值燃气烧结点火过程中的点火最高温度、垂直烧结速度、废气最高点温度、烧结成品率、烧结转鼓强度及烧结利用系数的影响规律。其中，各因素的选择均以工程实际为基准，具体因素水平选取值见表5，正交试验方案及结果见表6。

表5 因素水平

表6 正交试验方案及结果

表7 为正交试验的极差分析表， 获得了空气过剩系数、 富氧浓度和空气预热温度对不同指标的影响大小及最优水平，分析如下：各因素对垂直烧结速度、烧结成品率、烧结转鼓强度及烧结利用系数的影响作用大小为： 富氧浓度＞空气预热温度＞空气过剩系数。 在正交试验研究范围内，随着富氧浓度增加，垂直烧结速度、烧结成品率、烧结转鼓强度及烧结利用系数先升高后降低， 且均在氧气浓度为50%时取得最大值；随着空气预热温度增加，垂直烧结速度、烧结成品率、 烧结转鼓强度及烧结利用系数先升高后降低， 且均在空气预热温度为400 ℃时取得最大值；空气过剩系数对各指标的影响作用最小，其值为1.6 时垂直烧结速度最快， 其值为1.4 时烧结成品率、烧结转鼓强度及烧结利用系数最大。通过分析以上三种因素对不同烧结指标的影响效果， 得出最优水平为A1B2C3，即空气过剩系数为1.4，富氧浓度为50%，空气预热温度为400 ℃。

表7 极差分析

3 结论

本文通过烧结杯试验，研究了空气过剩系数、富氧浓度和空气预热温度对烧结低热值燃料点火过程的影响，同时开展了三因素三水平正交试验，探究了多因素协同作用的结果。

（1）随着空气过剩系数的增加，垂直烧结速度、烧结利用系数及烧结成品率先增加后减小， 当空气过剩系数为1.5 时分别达到最大值为24.3 mm/min、72.24%及1.42 t/（m2·h）。

（2）随着空气预热温度的升高，点火最高温度、废气温度逐渐升高，垂直烧结速度、烧结成品率、烧结转鼓强度及烧结利用系数先升高后降低， 当空气预热温度为300 ℃时， 垂直烧结速度最高为23.3 mm/min，烧结成品率最高为68.06%，烧结转鼓强度最高为64.24%，烧结利用系数最高为1.39 t/（m2·h）。

（3）随着富氧浓度的升高，点火最高温度及废气温度逐渐降低，垂直烧结速度、烧结成品率、烧结转鼓强度及烧结利用系数先升高后降低， 当富氧浓度为50%时，垂直烧结速度最高为24.3 mm/min，烧结成品率最高为68.92%， 烧结转鼓强度最高为66.62%，烧结利用系数最高为1.39 t/（m2·h）。

（4）通过正交试验研究了空气过剩系数、富氧浓度和空气预热温度对烧结指标的影响。各因素对垂直烧结速度、烧结成品率、烧结转鼓强度及烧结利用系数的影响作用大小为：富氧浓度＞空气预热温度＞空气过剩系数。最优低热值燃气点火工艺参数为空气过剩系数1.4，富氧浓度50%，空气预热温度400 ℃。