燒結(jié)富氧點(diǎn)火燃燒工藝實(shí)踐

侯朝君，齊超群，楊帆，王博

（唐山瑞豐鋼鐵（集團(tuán)）有限公司，河北 唐山 063303）

鋼鐵行業(yè)是能源消耗重點(diǎn)行業(yè)，其中燒結(jié)能耗占行業(yè)總能耗的13%～15%左右[1]。 為了降低燒結(jié)能耗，近年來，越來越多鋼鐵企業(yè)開展燒結(jié)富氧燃燒相關(guān)研究工作[2-7]，并取得了較好的節(jié)能效果。 唐山瑞豐鋼鐵（集團(tuán)）有限公司（以下簡稱“瑞豐鋼鐵”）384 m2帶式燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火爐能耗占燒結(jié)能耗的12%左右，主要消耗能源介質(zhì)為高爐煤氣。 由于高爐煤氣燃燒不充分，大量的高爐煤氣被浪費(fèi)，造成點(diǎn)火爐爐膛內(nèi)溫度低，料面的點(diǎn)火效果差，直接影響燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)。 為了進(jìn)一步降低高爐煤氣消耗、提高燒結(jié)礦質(zhì)量，瑞豐鋼鐵提出將富氧燃燒技術(shù)應(yīng)用到燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火爐點(diǎn)火燃燒實(shí)踐中，通過提高高爐煤氣充分燃燒所需氧含量，提升點(diǎn)火火焰熱效率，增強(qiáng)爐內(nèi)熱輻射，并提高高爐煤氣利用率，降低能耗，進(jìn)而提高燒結(jié)礦質(zhì)量，本文對此做一介紹。

1 燒結(jié)富氧點(diǎn)火燃燒工藝

1.1 富氧燃燒系統(tǒng)

瑞豐鋼鐵384 m2帶式燒結(jié)機(jī)富氧點(diǎn)火燃燒系統(tǒng)于2022 年6 月投入運(yùn)行，富氧率21%，富氧燃燒生產(chǎn)基本穩(wěn)定，富氧燃燒所需氧氣來自公司外網(wǎng)氧氣管道，氧氣壓力0.8 MPa。 圖1 為燒結(jié)富氧點(diǎn)火燃燒系統(tǒng)示意圖。外網(wǎng)氧氣管道通過連接DN50 管道，將氧氣經(jīng)減壓閥組、DN50/DN100 變徑管、DN100 管道、流量調(diào)節(jié)閥組及配備相關(guān)儀表，輸送至點(diǎn)火器助燃空氣管道的混風(fēng)裝置中與助燃空氣均勻混合，提高助燃空氣中氧含量，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火爐富氧燃燒。

1.2 優(yōu)化措施

為了進(jìn)一步提升富氧燃燒效果，在生產(chǎn)過程中針對氧氣壓力、氧氣流量、氧含量三個(gè)方面開展實(shí)施條件優(yōu)化，具體如下：

（1）氧氣壓力調(diào)節(jié)。 設(shè)計(jì)要求氧氣壓力控制在0.20～0.25 MPa，由于外網(wǎng)氧氣壓力為0.8 MPa，需要降低氧氣壓力以適應(yīng)設(shè)計(jì)要求。 采用壓力變送器和自動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥控制氧氣管道壓力，通過調(diào)整壓力調(diào)節(jié)閥的開度實(shí)現(xiàn)供氧壓力穩(wěn)定。

（2）氧氣流量調(diào)節(jié)。 設(shè)計(jì)要求氧氣流量控制在1 400 m3/h，采用流量計(jì)和電磁調(diào)節(jié)閥，根據(jù)氧含量變化，反饋給PLC，利用PLC 控制和氧含量變化來實(shí)現(xiàn)氧氣流量控制。

（3）氧含量控制。 通過采用富氧點(diǎn)火技術(shù)能明顯增加點(diǎn)火煙氣中的含氧量。 當(dāng)點(diǎn)火助燃空氣中氧含量增加時(shí)，表層燒結(jié)料的固體碳的燃燒更加充分，提高了點(diǎn)火溫度和表層混合料的溫度，提高了燃燒效率，改善了點(diǎn)火工況。但在生產(chǎn)過程中并不是氧含量越高越適合燒結(jié)生產(chǎn)，氧含量過高會(huì)使得氧化反應(yīng)增加，導(dǎo)致物料硅酸鹽成分過早熔融，容易結(jié)塊，造成后續(xù)脫硫困難。因此，要將氧含量穩(wěn)定在24%～30%，達(dá)到最好的富氧效果。

2 實(shí)踐效果

2.1 對原料結(jié)構(gòu)的影響

燒結(jié)富氧點(diǎn)火燃燒投產(chǎn)前后原燃料條件及鐵料配比、熔劑配比、燃料配比等基本保持不變，各種原料化學(xué)成分見表1。

表1 各種原料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions in Various Raw Materials（Mass Fraction）%

使用燒結(jié)富氧點(diǎn)火燃燒技術(shù)前后原料配比見表2，燒結(jié)機(jī)富氧點(diǎn)火燃燒系統(tǒng)投產(chǎn)前后原料結(jié)構(gòu)基本不變，燒結(jié)機(jī)富氧點(diǎn)火燃燒系統(tǒng)投產(chǎn)前后原料結(jié)構(gòu)基本不變，但焦粉的配比下降了0.13 個(gè)百分點(diǎn)，說明采用富氧點(diǎn)火燃燒技術(shù)后，燒結(jié)礦固體燃料消耗下降。

表2 原料配比Table 2 Proportion of Raw Materials%

2.2 對燒結(jié)主要操作參數(shù)的影響

燒結(jié)富氧點(diǎn)火燃燒前后主要操作參數(shù)見表3，富氧燃燒系統(tǒng)投產(chǎn)后，在燒結(jié)料層和燒結(jié)機(jī)機(jī)速基本保持不變的前提下，燒結(jié)點(diǎn)火溫度提高了70 ℃，煤氣流量降低2 000 m3/h，說明采用燒結(jié)富氧點(diǎn)火燃燒技術(shù)可提高高爐煤氣利用率、降低能耗。

表3 主要操作參數(shù)Table 3 Main Operating Parameters

2.3 對燒結(jié)礦化學(xué)成分的影響

燒結(jié)富氧點(diǎn)火燃燒前后燒結(jié)礦化學(xué)成分見表4，富氧燃燒情況下成品燒結(jié)礦中殘C、FeO 含量分別下降0.05 個(gè)百分點(diǎn)和0.7 個(gè)百分點(diǎn)，主要是因?yàn)楦谎踹^程中氧濃度升高，焦粉燃燒反應(yīng)更充分，燃料利用率提升；同時(shí)，燒結(jié)礦中Fe2O3含量上升0.13 個(gè)百分點(diǎn)。

表4 燒結(jié)礦化學(xué)成分Table 4 Chemical Composition in Sintered Ore%

2.4 對燒結(jié)礦礦物結(jié)構(gòu)的影響

為了充分研究富氧對燒結(jié)礦冶金性能的影響，利用SEM 對燒結(jié)礦進(jìn)行礦相分析，結(jié)果如圖2 所示。圖2 中a 處為鐵氧化物相，b 處為鐵酸鈣相，c 處為硅酸鹽相，可以看出，燒結(jié)礦主要為鐵酸鈣與鐵氧化物相互交織的熔蝕結(jié)構(gòu)，另見針狀鐵酸鈣結(jié)構(gòu)。在富氧條件下，燒結(jié)礦中強(qiáng)度較好的熔蝕與針狀結(jié)構(gòu)均比富氧前多，燒結(jié)礦礦相結(jié)構(gòu)獲得改善。 因此，富氧后燒結(jié)礦強(qiáng)度優(yōu)于富氧前，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)更高。

圖2 富氧前后燒結(jié)礦SEM 圖Fig. 2 SEM Picture of Sintered Ore before and after Oxygen-enriched

2.5 對燒結(jié)生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)的影響

燒結(jié)富氧點(diǎn)火燃燒前后主要生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)見表5。

表5 主要生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)Table 5 Main Production Technical Indexes

從表5 中可以看出，在燒結(jié)礦堿度基本不變的情況下，燒結(jié)富氧燃燒后臺(tái)時(shí)產(chǎn)量提高了11 t/h，較富氧前提高了2.03%；高爐煤氣和焦粉消耗分別降低2 000 m3/h 和1.90 kg/t； 同時(shí)，在燃料消耗下降的前提下，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度提升0.30%，RDI+3.15升高1.22%。

2.6 對燒結(jié)熱利用情況影響

根據(jù)GB T 4473-2017《燒結(jié)工序熱平衡測定與計(jì)算方法暫行規(guī)定》，對富氧燃燒前后熱平衡情況進(jìn)行測定，計(jì)算測量誤差＜2%，燒結(jié)富氧點(diǎn)火燃燒前后熱平衡見表6，可以看出，燒結(jié)機(jī)熱量收入主要來源于固體燃料化學(xué)熱和高爐煤氣化學(xué)熱，占總熱量的85%左右。 通過富氧燃燒降低固體燃料和高爐煤氣用量是燒結(jié)節(jié)能降耗的主攻方向。

表6 燒結(jié)富氧點(diǎn)火燃燒前后熱平衡Table 6 Thermal Balance before and after Ignition and Combustion for Sintering with Oxygen-EnrichedkJ/t

已知熱效率η（%）計(jì)算公式為：

式中，β為燒結(jié)礦成品率，%。

燒結(jié)富氧點(diǎn)火燃燒前后熱利用情況見表7，可以看出，燒結(jié)富氧點(diǎn)火燃燒后，熱利用效果明顯提升。富氧后，固體燃料化學(xué)熱減少54 311 kJ/t，高爐煤氣化學(xué)熱減少14 085 kJ/t，節(jié)省了固體燃料和高爐煤氣消耗。 由于固體燃料和高爐煤氣用量減少，燃燒效率提高，燒結(jié)廢氣帶走物理熱減少8 621 kJ/t，使得燒結(jié)廢氣中CO 含量降低，燒結(jié)機(jī)熱效率由61.25%提高至67.17%。

表7 燒結(jié)富氧點(diǎn)火燃燒前后熱利用情況Table 7 Heat Utilization before and after Ignition and Combustion for Sintering with Oxygen-Enriched

3 效益分析

瑞豐鋼鐵384 m2帶式燒結(jié)機(jī)富氧點(diǎn)火燃燒系統(tǒng)應(yīng)用后，年增加燒結(jié)礦產(chǎn)量為11 t/h×7 920 h=87 120 t，按1 t 燒結(jié)礦850 元計(jì)算，燒結(jié)礦產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益 87 120 t ×850 元/t ÷10 000 =7 405 萬元；燒結(jié)礦年減少焦粉消耗量為1.9 kg/t×552 t/（臺(tái)·h）×7 920 h÷1 000=8 306.5 t，按1 t焦粉2 500 元計(jì)算，節(jié)約焦粉產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益8 306.5 t×2 500 元/t÷10 000=2 076 萬元； 年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益7 405+2 076=9 481 萬元。 同時(shí)，充分利用公司自產(chǎn)氧氣和高爐煤氣，成本基本忽略不計(jì)。

4 結(jié)語

唐山瑞豐鋼鐵（集團(tuán)）有限公司為了解決384 m2帶式燒結(jié)機(jī)高爐煤氣燃燒不充分，點(diǎn)火爐爐膛內(nèi)溫度低，料面點(diǎn)火效果差，影響燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)的問題，開展了燒結(jié)富氧點(diǎn)火燃燒實(shí)踐。通過分析富氧點(diǎn)火燃燒對燒結(jié)原料結(jié)構(gòu)、主要操作參數(shù)、燒結(jié)礦化學(xué)成分、燒結(jié)礦礦物結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)和熱利用情況的影響，得出燒結(jié)機(jī)富氧后臺(tái)時(shí)產(chǎn)量提高了11 t/h，高爐煤氣消耗降低了2 000 m3/h，焦粉消耗降低了1.90 kg/t，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度提升了0.30%，RDI+3.15升高了1.22%，燒結(jié)機(jī)熱效率由61.25%提高至67.13%，年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益9 481 萬元。