焦炉煤气喷吹铁矿石烧结过程的静态模型和工艺优化

倪文杰， 邹宗树， 李海峰， 张颖异

(1.东北大学 多金属共生矿生态利用教育部重点实验室，沈阳 110819；2.东北大学 冶金学院，沈阳 110819；3. 安徽工业大学 冶金工程学院，安徽 马鞍山 243002；4. 重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400030)

在钢铁企业中，炼铁工序能耗占钢铁企业总能耗的69.41%，其中烧结工序能耗约占整个企业能耗的10%～20%，是仅次于高炉的一大耗能工序[1]，与此同时烧结工序产生的CO2、SO2、NOx等污染物对环境的危害随着工业的发展越来越突出，因此如何能降低固体燃料消耗，减少CO2、SO2、NOx等污染物的排放量成为钢铁企业的当务之急.

日本JFE钢铁公司开发了烧结机喷吹氢系气体燃料技术[2]，该技术能够在不增加固体燃料配比的前提下提高烧结矿质量，目前已经在京滨一厂成功应用.采用氢系气体燃料喷吹工艺的同时，降低固体燃料配比，可以避免烧结料层底部温度过高，有利于改善烧结矿质量，同时也减少了CO2、SO2、NOx等污染物的排放.程志龙等[3]在实验室条件下，对使用木炭结合喷吹气体燃料工艺部分的替代焦粉进行了研究，结果表明在合适的木炭比例和气体喷吹量下，在不降低烧结矿生产率的前提下，可以优化烧结料层温度场，提高产品质量.

综上所述，气体燃料喷入技术在保证烧结矿质量的前提下，节能减排的优势显著.在考察研究国外烧结新工艺的基础上，结合我国钢铁企业的生产实际[4]，如何利用企业现有的、富余的、可利用的焦炉煤气来降低固体燃料消耗和减少污染物的排放是当前亟待解决的技术难题.

本文从物料平衡与能量平衡的计算[5]出发，建立了焦炉煤气喷吹铁矿石烧结过程的静态模型，考察了不同焦炉煤气喷吹工艺的物料与能量消耗，旨在说明焦炉煤气喷吹比例、喷吹面积和富氧等因素对固体燃料消耗和污染物排放的影响，为烧结新工艺的付诸实践提供参考.

1 焦炉煤气喷吹工艺流程

焦炉煤气喷吹铁矿石烧结过程工艺流程如图1所示，其原理是从烧结机料层表面喷洒低于着火浓度的焦炉煤气，在烧结负压作用下，焦炉煤气随着空气被抽入到烧结矿层，当到达烧结燃烧层上方高温区时发生燃烧反应，提供新的高温区，减缓了烧结高温区物料的冷却速度，延长了新生成的烧结矿在高温区的保持时间，从而提高烧结矿强度[6].相应减少的固体燃料配入量则使固体燃料燃烧产生的高温区的最高温度降低，有助于改善烧结矿的还原性[7]，并且降低环境污染.

图1 焦炉煤气喷吹铁矿石烧结过程工艺流程图Fig.1 Schematic diagram of iron ore sintering process with coke oven gas injection

2 焦炉煤气喷吹工艺静态模型

焦炉煤气喷吹铁矿石烧结过程工艺静态模型[8]主要由一个主模块和六个子模块组成，如图2所示，其建立和求解过程，在此不再赘述.其中，子模块分别为固体原料模块、气体燃料模块、空气模块，操作条件模块、物料平衡模块、热平衡模块.在主模块中给定铁矿石烧结不同工艺条件下的操作参数，通过对各元素平衡方程进行循环、迭代求解，可计算出铁矿石量、含碳小球量、生石灰量、石灰石量、白云石量、炉尘量及焦粉量，同时还可进一步获得空气量、点火煤气量、保温煤气量、烧结烟气成分、烧结矿成分等.

图2 焦炉煤气喷吹工艺静态模型模块结构图Fig.2 Module structure of static model for iron ore sintering with coke oven gas injection

焦炉煤气喷吹铁矿石烧结过程工艺静态模型的计算中，所用的铁矿石、炉尘、熔剂、焦粉、烧结矿以及焦炉煤气化学成分均来自国内某钢铁企业，具体成分如表1、表2和表3所示.

焦炉煤气喷吹铁矿石烧结过程工艺包括点火、保温、焦炉煤气喷吹和抽风烧结等过程，其操作参数如表4所示，模型中喷吹煤气量计算公式如下：

喷吹煤气量=烧结空气基准体积×烟罩面积覆盖比例×喷吹比例

式中， 烧结空气基准体积以传统烧结为基准，为一常数，本模型中取值1 223.0 m3/t.

表1 烧结矿的化学成分(质量分数)

表2 原料化学成分(质量分数)

注： a表示以FeS2形式存在，b表示以S形式存在.

表3 焦炉煤气化学成分及热值

在给定的原料成分条件下，以物料平衡和能量平衡为基础[9]，建立静态数学模型，计算流程如图3所示.

图3 程序计算流程图Fig.3 The program flow chart

名称参数w(FeO)/%7.5产量/kg1 000碱度1.8脱硫率/%90空气过剩系数(点火)1.4空气过剩系数(保温)1.4空气过剩系数(抽风烧结)1.8干料温度/℃50铺底料温度/℃100烧结烟气温度/℃120烧结饼温度/℃600返矿比/%20铺底料比例/%10水分比例/%8漏风率/%40热损失/%10

3 模型验证

如表5所示，通过国内某钢铁企业现场数据和本文数学模型计算结果进行对比，实验结果和计算结果误差在3%以内，故本文所建立的模型是合理的、准确的.

表5 现场数据与计算结果对比

4 模型计算结果及讨论

采用焦炉煤气作为气体燃料进行喷吹，分别考察三种参数对铁矿石烧结过程固体燃料消耗、CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量的影响，包括烟罩面积覆盖比例40%～100%，喷吹比例0.1%～0.5%(体积分数)，氧气体积分数21%～30%.

4.1 焦炉煤气喷吹比例对烧结的影响

图4 喷吹比例对焦粉单耗的影响Fig.4 Effect of gas injection on coke powder consumption

不同焦炉煤气喷吹比例对烧结固体燃料消耗的影响如图4所示.由图可知，传统铁矿石烧结工艺中，焦粉单耗为52.037 kg/t；当烟罩面积覆盖比例为40%时，随着喷吹比例的增加，焦粉单耗不断降低，其中喷吹比例为0.5%时，焦粉单耗为50.363 kg/t，与传统烧结工艺相比，焦粉单耗减少了1.674 kg/t，减少比例为3.22%.其原因是吨矿烧结过程所需热量不变，在喷吹面积比例一定的前提下，随着焦炉煤气喷吹比例增加，焦炉煤气燃烧热替代部分焦粉燃烧热，则所需焦粉量就会减少.

图5 喷吹比例对烧结过程CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量的影响Fig.5 Effect of gas injection on emissions of CO2, SO2 and flue gas

不同焦炉煤气喷吹比例对烧结过程CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量的影响如图5所示.由图可知，传统铁矿石烧结工艺中CO2排放量、SO2排放量和烧结烟气排放量分别为224.169、0.694和1 903.942 kg/t；随着喷吹比例的增加，CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量均不断降低，当喷吹比例为0.5%时，与传统烧结工艺相比，CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量分别减少了3.012、0.004和23.597 kg/t，减少比例分别为1.34%、0.58%和1.24%.其原因是焦炭是产生CO2、SO2的根源，焦炉煤气的主要成分为氢气，用其替代部分固体燃料后，可使烧结过程的CO2排放量、SO2排放量相应降低[4].

4.2 烟罩面积覆盖比例对烧结的影响

在喷吹比例为0.5%时，考察了不同烟罩面积覆盖比例对铁矿石烧结过程焦粉单耗、CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量的影响.

不同烟罩面积覆盖比例对烧结固体燃料消耗的影响见图6所示.可以看出，随着烟罩面积覆盖比例的增加，焦粉单耗逐渐减少，当烟罩面积覆盖比例为100%时，焦粉单耗最低可达47.861 kg/t，和传统工艺相比焦粉单耗减少了4.176 kg/t，减少比例为8.03%.在烧结过程热量收入不变的前提下，焦炉煤气喷吹比例为0.5%时，随着烟罩面积覆盖比例的增加，焦炉煤气能够替换更多的热量，从而减少了焦粉单耗.

图6 烟罩面积覆盖比例对焦粉单耗的影响Fig.6 Effect of hood area on coke powder consumption

不同烟罩面积覆盖比例对烧结过程CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量的影响如图7所示.可以看出，随着烟罩面积覆盖比例的增加，CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量逐渐减少，当烟罩面积覆盖比例为100%时，CO2排放量和烟气排放量分别为216.656、0.683和 1 848.077 kg/t，与传统烧结工艺相比，CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量分别减少了7.513、0.011和55.865 kg/t，减少比例分别为3.35%、1.59%和2.93%.同样，其原因是焦炭是产生CO2、SO2的根源，焦炉煤气的主要成分为氢气，用其替代部分固体燃料后，可使烧结过程的CO2排放量、SO2排放量相应降低.

图7 烟罩面积覆盖比例对烧结过程CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量的影响Fig.7 Effect of hood area on emissions CO2, SO2 and flue gas

4.3 富氧对焦炉煤气喷吹工艺的影响

富氧、富氧和焦炉煤气组合喷吹工艺对烧结固体燃料消耗的影响如图8所示.可以看出，单纯富氧时，随着氧气体积分数的增加，焦粉单耗逐渐降低，当氧气体积分数为30.0%时，焦粉单耗为48.944 kg/t，和传统工艺相比焦粉单耗减少了3.093 kg/t，减少比例为5.94%；富氧和焦炉煤气组合喷吹时，喷吹比例为0.5%，烟罩面积覆盖比例为100%时，除气体燃料外，对吸入空气进行富氧，随着氧气体积分数的增加，焦粉单耗逐渐降低且降幅较大，当氧气体积分数为30.0%时，焦粉单耗可降至44.864 kg/t，和传统工艺相比焦粉单耗减少了7.173 kg/t，减少比例为13.78%.富氧时，由于空气中氧气体积分数提高，减少了物料收入项的冷空气的摄入，同时也减少了焦粉燃烧产生的含热废气量，故焦粉单耗降低；富氧和焦炉煤气组合喷吹时，在减少物料收入项冷空气和焦粉燃烧产生的废气量的同时，喷吹焦炉煤气产生了更多的热量，所以焦粉单耗进一步降低，与前人文献[10]研究结果一致.

图8 氧气体积分数对焦粉单耗的影响Fig.8 Effect of oxygen concentration on coke powder consumption

富氧、富氧和焦炉煤气组合喷吹工艺对烧结过程CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量的影响见图9所示.可以看出，单纯富氧时，随着氧气体积分数的增加，CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量逐渐减少，当氧气体积分数为30.0%时，和传统工艺相比，CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量分别减少了9.084、0.008和534.249 kg/t，减少比例分别为4.05%、1.15%和28.06%；富氧和焦炉煤气喷吹组合喷吹时，随着氧气体积分数的增加，CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量大幅降低，当氧气体积分数为30.0%时，与传统工艺相比，CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量分别减少了16.317、0.019和574.485 kg/t，减少比例分别为7.28%、2.74%和30.17%.单纯富氧时，能够减少了物料收入项的冷空气的摄入，同时也减少了焦粉燃烧产生的废气量；富氧和焦炉煤气组合喷吹时，一方面物料收入项中冷空气摄入量减少，焦粉燃烧产生的废气量减少，另一方面由于焦炉煤气的主要成分是氢气，燃烧产物是H2O，故CO2和烟气排放量降低.

图9 氧气体积分数对烧结过程CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量的影响Fig.9 Effect of oxygen concentration on emission CO2, SO2 and flue gas

5 结 论

开发了焦炉煤气喷吹铁矿石烧结工艺静态模型，并应用模型计算了焦炉煤气喷吹工艺的关键参数对工艺过程的影响，为烧结新工艺的开发提供参考.主要获得以下结论：

(1) 采用焦炉煤气喷吹工艺，当烟罩面积覆盖比例为40%时，随着喷吹比例的增加，焦粉单耗减少，当喷吹比例为0.5%时，与传统工艺相比，焦粉单耗、CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量分别减少1.674，3.012，0.004和23.597 kg/t，减少比例分别为3.22%，1.34%，0.58%和1.24%.

(2) 采用焦炉煤气喷吹工艺，当喷吹比例为0.5%时，随着焦炉煤气喷吹面积烟罩面积覆盖比例的增加，焦粉单耗逐渐减少，当烟罩面积覆盖比例为100%时，与传统工艺相比，焦粉单耗、CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量分别减少4.176，7.513，0.011和55.865 kg/t，减少比例分别为8.03%，3.35%，1.59%和2.93%.

(3) 采用富氧工艺，随着氧气体积分数的增加，焦粉单耗逐渐降低，当氧气体积分数为30.0%时，与传统工艺相比，焦粉单耗、CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量分别减少3.093，9.084，0.008和534.249 kg/t，减少比例分别为5.94%，4.05%，1.15%和28.06%.

(4) 采用焦炉煤气和富氧组合喷吹工艺，喷吹比例为0.5%，烟罩面积覆盖比例为100%，氧气体积分数为30.0%时，焦粉单耗最低，CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量最少.与传统工艺相比，焦粉单耗、CO2排放量、SO2排放量和烟气排放量分别减少7.173，16.317，0.019和574.485 kg/t，减少比例分别为13.78%，7.28%，2.74%和30.17%.