蘭炭替代焦粉應用于鐵礦燒結的試驗研究

秦林波，秦萬里，陳旺生，王世杰，韓 軍

（武漢科技大學 資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081）

鐵礦燒結是現代鋼鐵工業生產過程中必不可少的工序，也是鐵礦粉造塊主要方法之一。鐵礦燒結是將鐵礦粉、固體燃料及熔劑按一定配比混勻，并布置于燒結機上，借助固體燃料燃燒產生高溫，生成一定量的液相中間體將鐵礦顆粒潤濕黏結起來，形成具有一定強度的多孔塊狀燒結礦的過程［1］。燒結工序能耗是鋼鐵企業總能耗的12%，其中固體燃料消耗占燒結工序總能耗的75%～80%［2］。隨著我國煤炭貯存量逐漸減少和控煤減煤政策實施，開發清潔價廉的燃料替代現有化石燃料用于鐵礦燒結是緩解鋼鐵行業能源緊缺重要途徑之一［3］。

蘭炭是弱黏結性煤在750℃以下經過干燥脫氣、軟化、熔融、流動、膨脹、固化后形成的淺黑色塊狀多孔體［4］，是一種新型固體燃料，具有價格低、硫低、固定碳高和發熱值高等優點［5］。蘭炭的軟化溫度和流動溫度低于焦粉，在燒結過程中更加利于液相的生成和黏結，有助于燒結礦質量的提升［6］。目前國內外對蘭炭用作燒結燃料已開展了大量研究。LUO等［7］認為蘭炭的替代占比為40%時，燒結礦質量最佳，SOx和NOx的排放量分別降低了66%和25%。于韜等［3］和王潤博等［8］研究得出，當蘭炭的粒度過小時，因燃燒速度過快會導致燒結礦質量下降。楊雙平等［5］發現當蘭炭的替代占比為30%、堿度為1.82時，燒結效果最佳。延雨雨［9］研究發現：當使用蘭炭替代焦粉用于燒結時，其對燒結礦質量的影響呈現先增加后減少的趨勢；當蘭炭替代焦炭占比為30%時，燒結礦成品率最高，其轉鼓指數等指標達到燒結行業標準。但目前尚未結合燒結優化配料及粒度優化以提升蘭炭的替代占比及調控燒結礦的品質。

本文采用優化配料和粒度優化相結合方法提升燒結固體燃料中蘭炭的替代占比，并調控燒結礦的品質，在60 kg燒結杯中開展蘭炭替代部分焦粉用作燒結燃料的試驗研究，重點考察不同替代占比及粒度蘭炭對燒結礦成品率、轉鼓指數、落下指數、利用系數、燒結礦微觀結構的影響，同時獲得不同粒度的蘭炭對燒結杯料層溫度、燃燒效率及煙氣組分的影響，為蘭炭應用于燒結生產提供依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

燒結試驗所用的混勻料、返礦、石灰石、除塵灰、燃料由南京某鋼鐵廠提供，生石灰取自當地某鋼鐵廠，主要化學成分如表1所示。燃料分別為陜西一號蘭炭、篩焦樓焦粉（焦粉A）、兗礦焦粉（焦粉B）。試驗過程中，為了保證固體燃料的粒度分布不影響試驗結果，對其進行粒度篩分，分為＞5.0、（4.0，5.0］、（3.0，4.0］、（2.0，3.0］、（1.0，2.0］、（0.5，1.0］、≤0.5mm共7個粒級，按照每個粒級占比稱取相應的質量，多次混合后裝袋備用。固體燃料的基本性質如表2所示。

表1 燒結原料的主要化學成分（質量分數）Table 1 M ain chem ical composition of sintering raw materials %

表2 燒結燃料的基本性質Table 2 Basic properties of sintering fuel

1.2 試驗方案及過程

根據南京某鋼廠燒結生產條件，控制混合料的含水率為7%，堿度為1.93左右，混合焦粉由焦粉B和焦粉A以6∶4的配比混合而成。試驗混勻料、生石灰、返礦、除塵灰的配比分別為59.86%、 4.58%、 1.76%、 28.17%、 1.40%，固體燃料配比及蘭炭≤0.5 mm粒級占比如表3所示。由表3可知：P1～P5分別以0%、40%、50%、60%、70%的蘭炭代替混合焦粉（蘭炭、混合焦粉的配比分別為0∶1、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3），其它原料的相對質量分數不變；P6～P9的蘭炭代替混合焦粉配比不變（6∶4），通過調整蘭炭≤0.5 mm粒級占比分別為10%、20%、30%、40%，從而改變蘭炭的平均粒度，其它原料的相對質量分數不變。

表3 燒結試驗固體燃料配比及粒度Table 3 Solid fuel ratio and particle size of sintering experiment

燒結杯試驗裝置示意如圖1所示。由圖1可知，燒結杯是一個由耐高溫合金材料制成的圓柱體（?220 mm×700 mm），鋪底料為2 kg粒度為10～16 mm的燒結礦。點火前，調節液化氣流量至6 m3/h左右、助燃風流量為135 m3/h。當點火罩溫度達到1 050℃后，移動點火罩至燒結杯上，點火時間為1.5 min，點火負壓控制在－5 kPa。點火結束后保溫2 min，調節燒結負壓至－12 kPa。燒結結束后，將抽風負壓調至－4 kPa，冷卻2 min后卸料。燒結結束后，翻轉燒結杯，使燒結礦落入單輥破碎機中進行破碎。破碎后的燒結礦依次送至落下、轉鼓裝置中測定燒結礦落下強度和轉鼓強度。燒結礦的落下強度和轉鼓強度分別采用《燒結礦落下強度的測定》（YB/T 4606—2017）、《燒結礦和球團礦轉鼓強度的測定方法》（YB/T 5166—1993）進行分析，測定結束后再計算燒結礦的成品率、落下強度、轉鼓強度、利用系數等。在蘭炭粒度優化的實驗中，用NHR－8100/8700系列彩色無紙記錄儀記錄熱電偶在燒結杯中間料層的溫度，采用德國MRUoptima7煙氣分析儀檢測煙氣中NOx、SO2、CO2、O2的質量濃度。

圖1 燒結杯裝置示意Fig.1 Diagram of sintering cup device

2 結果與討論

2.1 蘭炭替代占比及粒度對燒結礦質量的影響

蘭炭替代占比及粒度對燒結礦質量的影響試驗結果如表4所示。由表4可知：隨著蘭炭替代焦粉占比的增加，燒結礦的轉鼓強度出現波動；當蘭炭替代焦粉的占比為60%時，轉鼓強度和落下強度分別為61.75%和62.51%，低于單獨焦粉作為燒結燃料時的轉鼓和落下強度。分析原因認為，摻混蘭炭相較于單獨焦粉降低了CaO質量分數，抑制了燒結礦中鐵酸鈣的生成，而鐵酸鈣是黏結相和礦物組成最主要的物質，導致燒結礦的強度降低［10］。由表2、4可知，蘭炭的加入提高了垂直燒結速度，當蘭炭替代占比為60%時，其相較于混合焦粉提高了1.03 mm/min。蘭炭的固定碳質量分數比焦粉低，但燃料反應性更好，因此摻混蘭炭會縮短燒結時間，增加垂直燃燒速度［10］。此外，當蘭炭替代焦粉占比從40%升高到70%時，燒結礦的成品率和利用系數呈現先增加后減少的趨勢。在蘭炭替代占比為50%時，成品率和利用系數最大分別為77.47%和1.47 t/（m2·h）。燒結礦的固結受到燃燒速度和傳熱速度的影響，當燃燒速度和傳熱速度不匹配時，會導致自動蓄熱作用減弱，影響燒結料進行物理化學反應時所需要的融化溫度保持時間，也會減少燒結過程中液相量的生成，從而影響燒結礦的成品率和轉鼓強度［5，8］。

表4 燒結杯試驗結果Table 4 Results of partial sintering cup experiment

隨著蘭炭≤0.5 mm的粒級占比的增加，轉鼓強度呈現先減少后上升的趨勢。當替代占比為10%時，轉鼓強度最高為62.93%，略高于混合焦粉。當蘭炭≤0.5 mm的粒級占比為10%時，相較于混合焦粉堿度增加了8.9%，堿度的增加有利于針狀或網狀鐵酸鈣的生成，從而提高了燒結礦的強度［5］。另外，落下強度在61.73%～63.68%波動。因為≤0.5 mm蘭炭的熱值為23.616 MJ/kg，相比其它粒度低4 MJ/kg左右，熱量提供不足會影響燒結蓄熱，導致燒結礦料層溫度過低，對燒結礦的強度和成品率有著不利的影響［3］。由表4可知，成品率在77.5%上下波動，未有明顯影響。當蘭炭粒度≤0.5 mm的粒級占比為10%時，利用系數最大，隨著蘭炭≤0.5 mm粒級占比的增加，呈現總體下降的趨勢。這是因為細粒級燃燒速度更快導致燒結速度快于傳熱速度，不利于燒結礦的固結，從而降低了燒結礦的利用系數。

2.2 蘭炭粒度對料層溫度及煙氣成分的影響

蘭炭粒度優化對料層溫度的影響如圖2（a）所示。圖2（a）中，對溫度高于1 200℃的區域進行積分計算，得到結果為高溫熔融帶面積（MQI）：20%＞10% ＞30% ＞40%，而融化溫度保持時間（DTMT）：20%＞10% ＞30% ＞40%。由圖2（a）可知：當蘭炭≤0.5 mm粒級占比為20%時，MQI和DTMT最高；蘭炭≤0.5 mm粒級占比為40%時，MQI和DTMT最低。隨著蘭炭≤0.5 mm粒級占比的增加，料層開始升溫時間及達到最高溫度的時間呈現整體縮短的趨勢，而料層的融化溫度保持時間和高溫熔融帶面積整體減少的趨勢。通常，鐵礦石在燒結過程中，熔融階段提供了高強度燒結礦所需的凝聚力，產生的熔融體在很大程度上取決于溫度＞1 200℃的停留時間［11］。CHENG等［11］認為固定碳質量分數過高，MQI過高會導致燒結礦產品孔隙率降低，導致煉鐵能耗較高。當蘭炭≤0.5 mm粒級占比為20%時，料層溫度在1 365 s升至最高值1 386℃；當替代占比為40%時，料層溫度在1 155 s升至最高值1 287℃。

圖2 粒度優化對料層溫度和燃燒效率的影響Fig.2 Influence of particle size optim ization on layer temperature and combustion efficiency

粒度優化對燃燒效率的影響如圖2（b）所示。OOI等［12］采用CO2與（CO2＋CO）體積分數的比值作為燃燒效率的指標。由圖2（b）可知：不同蘭炭≤0.5 mm粒級占比對應的燃燒效率大小關系：40%＞20%＞30%＞10%；當蘭炭≤0.5 mm的粒級占比為10%時，固體燃料的燃燒效率最低，這可能是固體燃料的平均粒度增大引起的。

試驗測得100%混合焦粉燒結煙氣中SO2、NOx、CO2的平均體積分數分別為1.229 1×10－2%、9.870×10－3%、5.35%，相對于摻混60%蘭炭來說，SO2、CO2的平均體積分數分別降低了3.706×10－3%、0.98%，但NOx體積分數增加了9.49×10－4%。蘭炭粒度優化后固體燃燒效率變化如圖3所示。圖3中，對O2圖像積分后得到的大小關系為10% ＜20% ＜30% ＜40%，CO2和NOx體積分數積分結果為10% ＞20% ＞30% ＞40%，SO2體積分數積分的結果為10% ＞30% ＞20%＞40%。由圖3可知，當蘭炭≤0.5 mm粒級占比由0提升至40%時，CO2平均體積分數由4.84%降至3.33%，O2平均體積分數由13.48%上升為15.73%。煙氣成分分析結果表明，在高固定碳質量分數時，CO2的體積分數顯著增加，O2的體積分數明顯降低［13］。當蘭炭≤0.5 mm粒級占比由0上升至40%時，NOx體積分數總體呈現下降趨勢，由1.558 2×10－2%下降為8.801×10－3%，SO2體積分數由1.736 2×10－2%下降為2.219×10－3%。隨著蘭炭≤0.5 mm粒級占比增加，CO2和NOx的量在逐漸減小，O2的體積分數增加。因此，蘭炭≤0.5 mm粒級占比增加會減少碳的排放量，這可能是由于≤0.5 mm蘭炭的固定碳質量分數低引起的，NOx和SO2的排放量也會減少，同時燒結礦質量稍有降低。

圖3 粒度優化對燒結煙氣成分的影響Fig.3 Influence of particle size optim ization on sintering flue gas com position

2.3 礦物的顯微結構分析

蘭炭對燒結礦微觀結構的影響如圖4所示。由圖4（a）可知，當燒結燃料為混合焦粉時，燒結礦熔融區的針狀鐵酸鈣較多，相互間緊密交織，具有良好的強度。由圖4（b）可知，當用蘭炭替代60%焦粉時，針狀的鐵酸鈣質量分數減少，板片狀的鐵酸鈣質量分數增加，燒結礦熔融區表面多處出現裂縫，使得燒結礦的質量降低。當用蘭炭替代焦粉時，磁鐵礦的質量分數降低，鐵酸鈣形態由針狀向板片狀發展，使得燒結礦的質量降低［8］。圖4（c）、（d）是粒度優化對燒結礦質量的影響。當蘭炭≤0.5 mm的粒級占比為10%時，針狀的鐵酸鈣質量分數較多，針狀鐵酸鈣和磁鐵礦形成交織溶蝕結構，使得燒結礦的質量明顯提高。而當蘭炭≤0.5 mm的粒級占比為30%，燒結礦的針狀鐵酸鈣不再那么密集，出現了大量的孔洞和縫隙，導致燒結礦的質量下降。王素平等［14］通過試驗研究發現：當煤粉≤0.5 mm的粒級占比為0時，鐵酸鈣多呈細針狀，然而當≤0.5 mm粒級占比為70%時，鐵酸鈣多呈長板狀；王永紅等［15］通過降低燃料中＜1.0 mm的粒級占比，增大1.0～3.0 mm燃料粒度來對燃料進行優化，發現燃料優化后針狀鐵酸鈣明顯增多，他認為應該控制燃料＜1.0 mm 的粒級占比在30%內；劉燊灰等［16］認為降低焦粉＜1.0 mm粒級占比有利于燒結液相的生成及冷凝固結，能促進針狀鐵酸鈣的生成。本文試驗結果表明，控制蘭炭≤0.5 mm的粒級占比可以有效提高燒結礦的質量。燒結礦的主要化學成分如表5所示。

圖4 蘭炭對燒結礦微觀結構的影響Fig.4 Effect of sem i-coke on them icrostructure of sinter

表5 燒結礦的主要化學成分（質量分數）Table 5 M ain chem ical com position of sintering ore%

綜合以上結果表明，優化配料中，隨著蘭炭替代占比的增加，燃料的轉鼓強度、落下強度，垂直燃燒速度和成品率都呈現先增后減的趨勢，在50%～60%時出現拐點。摻混蘭炭雖然提高了垂直燃燒速度，但會影響燒結過程的傳熱速度和蓄熱作用，不利于液相中間體的生成，從而導致燒結礦的轉鼓強度、落下強度和成品率下降。粒度優化后，當蘭炭≤0.5 mm的粒級占比為10%時，相較于混合焦粉，轉鼓強度提高了0.29%，垂直燒結速度上升5.15 mm/min。嚴格控制蘭炭≤0.5 mm粒級占比，可以有效提高燒結礦質量，降低蘭炭用作燒結燃料時其對燒結礦質量的負面影響，可以進一步提高蘭炭替代焦粉的占比。微觀結構分析結果證實，摻混蘭炭會降低燒結礦的質量，但控制蘭炭≤0.5 mm的粒級占比可以有效提高燒結礦質量。

3 結 論

本文重點研究了蘭炭替代占比和粒度優化對燒結礦質量的影響，探明了蘭炭對燒結礦質量的影響規律，獲取了燒結用最優蘭炭配比。其主要的研究結論如下。

（1）當蘭炭替代焦粉占比為50%～60%時，燒結礦的質量最佳。選擇蘭炭替代焦粉占比為60%，且通過控制蘭炭≤0.5 mm的粒級占比，可以有效提高燒結礦質量，使得燒結礦質量的性能指數與混合焦粉相近。

（2）控制蘭炭≤0.5 mm的粒級占比為10%～20%時，燒結礦質量最優。當蘭炭≤0.5 mm的粒級占比為10%時，煙氣中NOx和SO2的排放量分別為1.558 2×10－2%、1.736 2×10－2%。蘭炭替代焦粉占比為60%時，煙氣中CO2、SO2的排放量相較于單獨焦粉作為燃料分別降低了0.98%、3.706×10－3%，但NOx的排放量增加了9.49×10－4%。

（3）蘭炭的配入，提高了垂直燒結速度，但成品率、轉鼓強度、利用系數會略有下降；隨著蘭炭≤0.5 mm的粒級占比增加，轉鼓強度、利用系數有變差的趨勢。通過控制蘭炭≤0.5 mm的粒級占比，可以有效提升蘭炭替代焦粉占比，同時改善燒結礦質量。