固体燃料种类对烧结过程CO排放影响规律研究
2022-03-29周炫庚吕学伟
郭 嘉，周炫庚，游 洋，徐 健，吕学伟
（1.重庆大学材料科学与工程学院,重庆 400044；2.四川遂宁高新技术产业园区党政办公室 四川 遂宁 629000）
引 言
在国民经济基础产业中，钢铁行业作为其中之一，一方面，在能源、制造、废物处理等方面发挥着不可或缺的作用[1-2]；另一方面，这一国民经济基础产业也是现代工业的污染大户，钢铁行业走绿色发展的道路显得刻不容缓[3-4]。铁矿石烧结作为钢铁行业污染物排放最多的工序，如何控制烧结过程中污染物的排放一直是钢铁行业亟待解决的问题。
2019年4月29日，唐山市印发了《5月份全市大气污染防治强化管控方案》，要求烧结机机头的CO小时排放量不超过4000 mg/m3；而常州市、邯郸市分别要求烧结机的CO小时排放量不超过5000，6000 mg/m3，实际上，烧结烟气中CO的平均质量浓度在5000 mg/m3以上，其排放量远大于其他气体污染物的总和[5]，因此合理有效地控制烧结烟气中CO排放刻不容缓。
研究表明，烧结料层中固体燃料的种类和粒度等性质对烧结烟气排放量影响很大，燃料燃烧状况直接影响COx排放，而CO的产生主要是因为燃料未能充分利用，间接造成固体燃料消耗高，这与当前我国所提倡的节能环保理念是相悖的。
因此，本文从不同种类固体燃料对烧结过程中CO排放影响规律及烧结矿产质量两个方面展开相应研究，希冀达到降低CO排放的同时也保证烧结矿产质量的目的。这对推动绿色烧结生产，降低生产成本，保护环境具有重要意义。
1 实验方案
1.1 实验原料
实验原料均来源于某钢厂，对混匀矿、返矿、石灰石、白云石进行化学分析，成分如表1所示。固体燃料包括自产焦、外购焦以及兰炭，工业分析、发热值测定以及比表面积测试结果如表2-3所示。
表1 混匀矿、返矿成分表
表2 燃料工业分析
表3 三种燃料比表面积测试结果
从工业分析结果来看，自产焦与外购焦的固定碳、水分、挥发分、灰分及发热值含量相差不大，而兰炭样品固定碳含量最高，且水分、挥发分含量远远大于两种焦炭，发热值比两种焦炭低，但其灰分含量最低。比表面积由大到小顺序为：自产焦＞外购焦＞兰炭。
1.2 配料方案
依据某钢厂现场配料水平，研究固体燃料针对烧结过程CO排放的影响规律并进行烧结杯实验。选用自产焦、外购焦、兰炭三种燃料，分别探究单一燃料和混合燃料对烧结过程尾气变化的影响，配料方案如表4所示。
表4 固体燃料种类实验配料方案（干重）/kg
1.3 实验设备
烧结杯实验主要实验工序为：配料、制粒、布料、点火烧结和检测。烧结杯实验使用设备主要包括：混料机、烧结杯（矿物烧结系统）、物料运输系统、温度及废气检测装置、筛分装置、落下强度检测装置和转鼓强度检测装置。烧结杯系统示意图如图1所示。
2 结果与讨论
2.1 燃料燃烧特性
利用热分析设备，分析燃料在空气气氛下随温度升高的失重过程，探究其燃烧特性，结果如图2所示。
自产焦与外购焦在相同升温速率下，二者的失重曲线几乎没有区别，燃烧速率及最大失重率基本相同，自产焦的开始燃烧温度略微低于外购焦，从该角度看来，二者可以互相取代。
而燃烧特性与燃料的成分以及比表面积密切相关，自产焦与外购焦的工业分析结果差别不大，自产焦比表面积略大于外购焦，较大的比表面积增加了空气与焦炭的反应面积，因此自产焦的开始燃烧温度略低。兰炭的开始燃烧温度显著低于两种焦炭，在相同温度下失重率远大于焦炭，并且最大失重率稍大于两种焦炭。尽管前者比表面积较小，约为焦炭的1/2，但是其挥发分较大，约为焦炭的3倍，最终使其在较低温度下便产生燃烧失重。后者是由于兰炭的灰分较少（6.07%），因此其燃烧后剩余在坩埚中的质量较小。另外，从失重曲线看，兰炭的线型并不平滑，这表明其燃烧过程并不均匀，这可能是其较为致密的结构所致。
图3～6所示为不同固体燃料对烧结杯实验烟气中O2，CO和CO2含量的影响规律及计算所得燃料利用率。
从烟气成分含量的变化范围可将实验分为三组，即高O2、低CO及CO2含量的兰炭+自产焦组，低O2、高CO及CO2含量的兰炭组，以及中等O2、CO及CO2含量的自产焦、外购焦和自产焦+外购焦组。正如热分析实验所示，兰炭在较低温度下便能发生燃烧，故其在烧结条件下能够快速燃烧消耗空气中的氧气，同时燃烧产物CO和CO2在烟气中含量增加。自产焦、外购焦和自产焦+外购焦组试验的烟气成分含量变化、废气温度曲线、烧结矿产质量参数都变化不大，这与热分析试验结果相吻合，即自产焦与外购焦的燃烧性质差别甚微。
2.2 烧结矿产质量指标
提质、降耗、减排是钢铁行业的三大目标，关注烧结过程CO减排的同时，烧结矿的产质量指标也应当被重视。因此，对烧结矿烧成率、成品率、落下强度、转鼓强度等指标进行检测和计算。图7为烧结矿产质量指标，表5为烧结矿产质量指标具体数值，废气温度如图8所示，图9为烧结生料粒径分布。
表5 烧结矿产质量指标具体数值
如图7～9所示，由于兰炭挥发分较高，灰分较低，且固定碳含量较高，故兰炭组试验所得的烧成率相较其他组较低（83.07%）。当自产焦与兰炭混合进行烧结时，由于二者的燃烧特性相差巨大，导致二者在烧结过程中的燃烧速率不匹配，使得燃料燃烧放热效应不能够集中在一个较窄的燃烧带内，反而形成一个范围较宽、温度较低的燃烧带。这样，燃料燃烧不充分，烧结液相量的生成受到抑制，料层透气性恶化，烧结时间延长，最终体现在参数上为最低的烧结尾气温度（396℃），最低的烧结质量指标，成品率仅为63.52%，落下强度仅为78.33%，转鼓强度只有67.24%。
取烧结矿进行残碳分析及亚铁含量分析，结果如表6所示。自产焦+兰炭组烧结矿中还有大量的残碳存在，证明了燃料的燃烧性能不匹配将严重影响烧结过程的热状态，进而影响燃料的燃烧过程。该组试验烧结矿亚铁含量较低，符合尾气中含氧量较高的结果。
表6 烧结矿残碳含量、亚铁含量
将烧结烟气中CO浓度做平均值计算，结果如图10所示，对CO排放总量依据烧结流量、CO排放瞬时浓度计算其排放总量其结果如表7所示，考虑到实际烧结抽风流量波动较大，且对其实时检测值积分发现，其规律与用均值表示基本一致，为简化计算，本研究中烧结抽风流量用均值表示，最终计算公式为：
表7 CO排放总量结果
式中VCO为CO排放总量（m3）；Q为烧结抽风流量（m3/h）；t1，t2为烧结开始时间和结束时间（s）；pCO为任意时刻烧结烟气中CO体积分数（10-6）。
从CO排放总量及CO平均浓度来看，自产焦+兰炭的 CO排放总量最低，为2.81 m3/（t·s），相比自产焦（4.53 m3/（t·s））、自产焦+外购焦（3.47 m3/（t·s））、外购焦（5.42 m3/（t·s））、兰炭（8.30 m3/（t·s））都低，使用兰炭和自产焦混合使用的方法可以降低CO排放量，而结合烧结矿质量数据分析，这是以牺牲其产质量为代价的，没能达到减排、保质的最低要求。且由于兰炭挥发分比两种焦炭高，导致CO排放总量高。
因此，通过调控燃料种类的手段来实现CO减排时，需避免使用自身燃烧速度太快的燃料（如兰炭），并且在进行燃料混搭时，需使用燃烧性能（如燃烧速率，开始燃烧温度等）相匹配的燃料进行搭配，否则将大大恶化烧结矿产质量。
2.3 烧结氧势理论计算
利用烟气中氧气的体积分数对烧结氧势进行理论计算，氧气的体积分数可用氧分压pO2表示。依据下式对氧势进行理论计算：
式中πO(O2)为氧势（J/mol）；R为常数，R=8.314；T为温度（K）；pO2为氧分压，由烧结烟气成分数据可得。
依据式（2），对不同种类固体燃料进行氧势计算。
针对燃料种类这一研究因素，以点火结束后500 s为起点，2000 s为终点，设置料层温度为1250℃和1350℃，其结果如图11，12所示。
兰炭实验组所测的FeO含量结果为8.3%，自产焦与兰炭混合使用的FeO含量结果为7.53%，从FeO含量结果看：兰炭＞自产焦+兰炭，从氧势结果看：兰炭＜自产焦+兰炭，这说明理论计算结果与实验结果是相吻合的。兰炭单独作为燃料时氧势较低，可能是由于其固定碳含量（87.77%）高，相当配比下燃烧消耗了更多的氧，而外购焦固定碳含量（86.09%）和自产焦（84.69%）均比兰炭固定碳含量低，相当配比下燃烧则消耗更少的氧。因此不论是焦炭单独作为燃料还是焦炭与兰炭混合作为燃料，其氧势均高于兰炭单独作为燃料。
3 结 论
本文通过对不同种类固体燃料对铁矿石烧结过程CO排放影响规律进行分析，得到如下结论：
（1）通过调控固体燃料种类的手段来实现CO减排的目的时，需避免使用自身燃烧速度太快的燃料（如兰炭），并且在进行燃料混合时，需使用燃烧性能（如燃烧速率，开始燃烧温度等）相匹配的燃料进行搭配，否则将恶化烧结矿产质量。
（2）从烟气成分含量的变化范围可将实验分为三组。兰炭单独使用时，烟气中O2低、CO及CO2高，兰炭和自产焦混合作为燃料时烟气中O2高、CO及CO2含量低，而自产焦和外购焦单独使用时O2，CO和CO2处于中等水平。自产焦和兰炭混合作为烧结燃料时，CO排放总量（2.81 m3/（t·s）最低，但是结合烧结矿产质量结果分析，由于兰炭与焦炭的燃烧速率不匹配，导致燃料燃烧放热效应未能集中在一个较窄的燃烧带内，形成了一个范围较宽、温度较低的燃烧带，进而使燃料燃烧不充分，烧结液相量生成受抑制，料层透气性恶化，最终烧结矿产质量恶化，因此这种方案是以牺牲其产质量为代价的，没有达到减排、保质的要求。
（3）通过对烧结料层中氧势进行理论计算，发现兰炭实验组的氧势较自产焦与兰炭混合使用低，而FeO含量比自产焦与兰炭混合使用时的高。兰炭固定碳含量（87.77%）较外购焦（86.09%）和自产焦（84.69%）均高，相当配比下燃烧消耗了更多的氧，从而造成烧结料层氧势降低。
