生物質(zhì)燃料應(yīng)用于鐵礦燒結(jié)的研究

范曉慧，季志云，甘敏，姜濤，陳許玲，李文琦，王強(qiáng)，余志元，黃曉賢，袁禮順

(中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長沙，410083)

在我國高爐含鐵爐料結(jié)構(gòu)中，燒結(jié)礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在75%以上，是高爐煉鐵的主要含鐵爐料。而燒結(jié)工序能耗在鋼鐵企業(yè)中僅次于煉鐵工序能耗，居第 2位，一般為企業(yè)總能耗的9%～12%，且固體燃料消耗占燒結(jié)工序總能耗的 75%～80%[1-4]。我國鐵礦燒結(jié)主要采用焦粉、無煙煤等化石燃料，其燃燒排放的煙氣中含有大量的溫室氣體 CO2以及污染性氣體 SOx和NOx等，是鋼鐵工業(yè)的主要大氣污染源[5-7]，因此，尋求清潔且價(jià)廉的燃料替代焦粉、無燃煤等化石燃料是緩解我國環(huán)境污染和能源緊缺雙重壓力的重要途徑。生物質(zhì)能是由植物光合作用固定于地球上的太陽能，是一種清潔可再生能源，其來源十分豐富，資源量大。由于生物質(zhì)燃料 N和 S質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，且燃燒產(chǎn)生的CO2參與大氣碳循環(huán)，可以有效降低COx，SOx和NOx的排放量[8-13]。2004年澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)采用紅桉樹炭化得到的木炭替代焦粉進(jìn)行了燒結(jié)試驗(yàn)研究[14]；2007年荷蘭柯羅斯(Corus)技術(shù)與發(fā)展研究中心研究了橄欖樹殘?jiān)?、向日葵殼、杏仁殼等生物質(zhì)燃料分別取代25%的焦粉對燒結(jié)料層熱波曲線的影響[15]。目前，針對我國的原料結(jié)構(gòu)，還沒有應(yīng)用生物質(zhì)燃料進(jìn)行燒結(jié)的研究報(bào)道。為此，本文作者擬通過研究生物質(zhì)燃料種類、替代焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的研究，以便揭示生物質(zhì)作燃料的燒結(jié)特性，并采用強(qiáng)化措施提高燒結(jié)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量。

1 原料性能及試驗(yàn)方法

1.1 原料性能

本試驗(yàn)在混勻鐵料中配加石灰石、白云石、生石灰3種熔劑，以及燃料和燒結(jié)返礦生產(chǎn)57.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)TFe，4.82% SiO2， 2.0% MgO以及堿度R為2.0的燒結(jié)礦?；靹蜩F料、熔劑、返礦的化學(xué)成分和配比見表1。

本試驗(yàn)采用的燃料有1種焦粉、3種生物質(zhì)燃料。生物質(zhì)燃料分別為2種木炭和1種鋸末。焦粉為焦炭破碎的副產(chǎn)物，木炭為木材炭化得到的產(chǎn)品，鋸末是固體成型燃料。各種燃料的化學(xué)成分及工業(yè)分析、灰分成分、粒度組成分別見表2～4。

由表2可知：從化學(xué)成分看，木炭-1#的C質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，而鋸末的C質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低；焦粉的H質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，而鋸末的H質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高；從工業(yè)分析來看，與焦粉相比，生物質(zhì)燃料的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，特別是未經(jīng)炭化處理的鋸末，揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)84.74%，而灰分只有1.99%。木炭的熱值比焦粉的大，而鋸末的熱值比焦粉的熱值低得多。

表1 原料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))及配比Table 1 Chemical composition of raw materials and their percents in mixture

表2 燃料的化學(xué)成分及工業(yè)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Chemical composition and industrial analysis of fuels

表3 燃料灰分的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 Chemical composition of fuel ash %

表4 燃料的粒度組成Table 4 Size distribution of fuels

由表3可知：焦粉灰分中的SiO2和Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，而生物質(zhì)灰分中CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)高；生物質(zhì)灰分中的CaO和MgO的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)比SiO2和Al2O3的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，其灰分呈堿性，而焦粉的灰分呈酸性。由表4中各種燃料的粒度組成可知：生物質(zhì)燃料的平均粒度比焦粉的大，且生物質(zhì)中粒度低于0.5 mm的細(xì)粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)比焦粉的低。

1.2 試驗(yàn)方法

燒結(jié)采用質(zhì)量配料法配料，配料后將混合料混勻，將混合料送入直徑×長度為600 mm×1 400 mm的圓筒混合機(jī)內(nèi)制粒 4 min。混合料經(jīng)制粒后裝入有鋪底料的直徑為150 mm的燒結(jié)杯內(nèi)，采用天然氣點(diǎn)火及保溫，點(diǎn)火時(shí)間為 1 min，保溫 1 min，點(diǎn)火溫度為(1 150±50) ℃，點(diǎn)火負(fù)壓為5 kPa。點(diǎn)火后，抽風(fēng)負(fù)壓調(diào)整至10 kPa。從點(diǎn)火至燒結(jié)廢氣溫度達(dá)到最高后開始降溫時(shí)所需時(shí)間即為燒結(jié)時(shí)間。到達(dá)燒結(jié)終點(diǎn)時(shí)，抽風(fēng)負(fù)壓調(diào)低至5 kPa，冷卻3 min后卸料，經(jīng)單齒輥破碎機(jī)破碎，然后進(jìn)行落下、分級(jí)及轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度檢測等。評價(jià)指標(biāo)包括垂直燒結(jié)速度、利用系數(shù)、成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度等。

在燒結(jié)過程中，采用B型熱電偶對距燒結(jié)料層表面200 mm的位置進(jìn)行連續(xù)測溫。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 生物質(zhì)取代焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對燒結(jié)的影響

采用焦粉為燃料時(shí)，通過單因素試驗(yàn)得到適宜的燒結(jié)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 7.25%和3.85%。生物質(zhì)替代焦粉是采用等熱量替換的計(jì)算方法，研究木炭-1#替代焦粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對燒結(jié)的影響。

2.1.1 對適宜燒結(jié)水分的影響

木炭替代焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對燒結(jié)適宜水分的影響見圖1。由圖1可知：適宜燒結(jié)水分隨著木炭-1#替代焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高總體上呈現(xiàn)增大的趨勢，當(dāng)木炭-1#替代焦粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于40%時(shí)，適宜燒結(jié)水分變化不大；當(dāng)替代質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到60%時(shí)，適宜燒結(jié)水分由7.25%提高到7.50%，而全部取代時(shí)，燒結(jié)適宜水分應(yīng)提高到 7.75%。這主要是由于木炭密度小、孔隙率高，其吸水能力比焦粉的大，且單位質(zhì)量的木炭體積比焦粉的大，使得制粒過程中木炭吸水量比焦粉的大。

2.1.2 對燒結(jié)產(chǎn)量和質(zhì)量的影響

圖1 木炭替代焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對燒結(jié)適宜水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.1 Effect of mass fraction of charcoal replacing coke breeze on mass fraction of proper moisture of sintering

圖2 木炭替代焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對燒結(jié)礦產(chǎn)和質(zhì)量的影響Fig.2 Effect of mass fraction of charcoal replacing coke breeze on yield and quality of sinters

在各自適宜的燒結(jié)水分條件下，木炭-1#替代焦粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對燒結(jié)產(chǎn)量和質(zhì)量的影響見圖 2。從圖 2可知：隨著替代質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，燒結(jié)速度加快，但成品率降低，利用系數(shù)在木炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)略有上升，之后開始下降；燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度在木炭替代焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%以內(nèi)，從65.00%降低到63.27%，但繼續(xù)提高替代質(zhì)量分?jǐn)?shù)，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度會(huì)大幅度降低，因此，替代質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于40%以后，燒結(jié)礦產(chǎn)量、質(zhì)量指標(biāo)將大幅惡化；完全替代時(shí)，燒結(jié)速度從 21.94 mm/min提高到 27.17 mm/min，利用系數(shù)從 1.48 t·m-2·h-1下降到 0.93 t·m-2·h-1，成品率由 72.66%下降到41.11%，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度由65%下降到23.87%。

2.1.3 對燒結(jié)料層溫度的影響

用熱電偶測定距離料面200 mm處的溫度變化，結(jié)果見圖3。從圖3可見：隨著木炭替代焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，料層達(dá)到最高溫度的時(shí)間逐漸提前，料層最高溫度逐漸降低，熱曲線變寬；當(dāng)取代質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加到20%，40%，60%和100%時(shí)，料層最高溫度由 1 273 ℃分別下降到 1 247，1 230，1 211 和 1 150 ℃。由于當(dāng)木炭取代焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過40%時(shí)，料層溫度降低到難以將物料熔化的程度，降低了燒結(jié)過程中的液相量，因而，燒結(jié)礦成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度低。

圖3 木炭替代焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對料層溫度的影響Fig.3 Effect of mass fraction of charcoal replacing coke breeze on sinter-bed temperature

2.1.4 對燒結(jié)礦顯微結(jié)構(gòu)的影響

燒結(jié)礦的礦相見圖4。從圖4可見：當(dāng)全部使用焦粉時(shí)(見圖4(a))，燒結(jié)礦熔融區(qū)針狀、條狀鐵酸鈣較多，磁鐵礦與鐵酸鈣形成交織的熔蝕結(jié)構(gòu)，具有較大的強(qiáng)度；當(dāng)木炭-1#替代20%和40%的焦粉時(shí)(見圖4(b)和4(c))，燒結(jié)礦熔融區(qū)仍由鐵酸鈣和磁鐵礦構(gòu)成，但鐵酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，且鐵酸鈣針狀結(jié)構(gòu)沒有圖 4(a)中的明顯；當(dāng)木炭替代焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到60%，燒結(jié)礦熔融區(qū)由鐵酸鈣、磁鐵礦、赤鐵礦構(gòu)成，鐵酸鈣、磁鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)比圖 4(a)中的小，而赤鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，形成大孔薄壁結(jié)構(gòu)，使得燒結(jié)礦強(qiáng)度較低，這與料層溫度低使得液相量減少是相符的。

2.2 生物質(zhì)種類對燒結(jié)的影響

木炭-1#、木炭-2#、鋸末3種生物質(zhì)燃料分別取代40%焦粉進(jìn)行鐵礦燒結(jié)，結(jié)果見表 5。從表 5可知：這3種生物質(zhì)取代焦粉都可提高垂直燒結(jié)速度，提高程度從大到小依次為鋸末、木炭-2#和木炭-1#；但會(huì)降低燒結(jié)礦成品率、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度和利用系數(shù)，且料層最高溫度也降低，降低程度從大至小依次為鋸末、木炭-2#和木炭-1#，這主要與燃料自身的性質(zhì)有關(guān)；木炭-1#、木炭-2#和鋸末的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次提高，固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次降低，而生物質(zhì)的燃料比(即固定碳與揮發(fā)分質(zhì)量比)越小，反應(yīng)性越好，使得燃燒速度越快。因而，燒結(jié)速度增加，而料層溫度降低。

圖4 木炭替代焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對燒結(jié)礦微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.4 Effect of mass fraction of charcoal replacing coke breeze on sinter microstructure

表5 生物質(zhì)種類對燒結(jié)的影響Table 5 Effect of biomass types on sintering

對這3種生物質(zhì)燃料替代焦粉比例進(jìn)行研究，其各自適宜的替代質(zhì)量分?jǐn)?shù)及相應(yīng)的燒結(jié)礦指標(biāo)見表6。從表6可知：木炭-1#、木炭-2#和鋸末取代焦粉的適宜質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次降低，分別為40%，20%和15%。這3種生物質(zhì)燃料在各自適宜取代質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)以及料層最高溫度均相接近。

2.3 強(qiáng)化生物質(zhì)燃料應(yīng)用的研究

由于生物質(zhì)燃料在燒結(jié)過程中燃燒過快，導(dǎo)致料層溫度低，這是燒結(jié)礦成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度降低的主要原因?？蛇m當(dāng)降低生物質(zhì)替代焦粉的熱量置換比，以及改善生物質(zhì)的粒度組成，以提高料層的溫度，達(dá)到強(qiáng)化燒結(jié)礦質(zhì)量的目的。

2.3.1 適宜的熱量置換比

木炭-1#替代焦粉的熱量置換比對燒結(jié)的影響見表7。從表7可知：當(dāng)置換比從1.00降低到0.75時(shí)，料層最高溫度由1 230 ℃上升到1 287 ℃，燒結(jié)礦成品率、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度明顯提高，分別從65.30%提高到69.63%，從63.27%提高到64.18%，燒結(jié)礦質(zhì)量得到改善。

2.3.2 適宜的粒度

研究了木炭-1#的 3個(gè)粒度組成(見表 7)對燒結(jié)的影響，結(jié)果見表8。從表8可見：提高生物質(zhì)的平均粒度可提高料層的最高溫度，當(dāng)粒度由2.41 mm提高到2.84 mm時(shí)，料層溫度由1 230 ℃提高到1 252 ℃，但繼續(xù)提高生物質(zhì)粒度，對料層溫度的影響不大；采用粒度-3#進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，與粒度-1#相比，燒結(jié)礦成品率由65.30%提高到67.12%，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度由63.27%提高到64.93%。

表6 生物質(zhì)種類對適宜替代質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響及相應(yīng)燒結(jié)指標(biāo)Table 6 Effect of biomass types on optimum replacement mass fraction and corresponding sinter index

表7 熱量置換比對燒結(jié)礦質(zhì)量的影響Table 7 Effect of heat replacement ratio on sinter

表7 木炭-1#的3個(gè)粒度組成Table 7 Three size distributions of charcoal-1#

表8 粒度組成對燒結(jié)礦產(chǎn)量和質(zhì)量的影響Table 8 Effect of fuel size distributions on yield and quality of sinters

3 結(jié)論

(1) 隨著生物質(zhì)燃料替代焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，適宜燒結(jié)水分呈增大趨勢，垂直燒結(jié)速度提高，但燒結(jié)礦成品率、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度和料層最高溫度均降低；燒結(jié)礦中鐵酸鈣生成量減少，大孔薄壁結(jié)構(gòu)增加。

(2) 當(dāng)木炭-1#、木炭-2#、鋸末分別替代焦粉燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)速度均升高，但是，燒結(jié)礦成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度降低，特別是高揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和低熱值的鋸末替代焦粉時(shí)指標(biāo)下降幅度較大。隨著生物質(zhì)燃料比值降低，其替代焦粉的適宜質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次降低。

(3) 降低生物質(zhì)燃料的熱量置換比以及適當(dāng)提高生物質(zhì)的粒度，可以顯著提高料層的最高溫度，提高燒結(jié)產(chǎn)量和質(zhì)量，能夠強(qiáng)化生物質(zhì)燃料的鐵礦燒結(jié)。

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