兰炭替代焦粉应用于铁矿烧结的试验研究

秦林波，秦万里，陈旺生，王世杰，韩 军

（武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081）

铁矿烧结是现代钢铁工业生产过程中必不可少的工序，也是铁矿粉造块主要方法之一。铁矿烧结是将铁矿粉、固体燃料及熔剂按一定配比混匀，并布置于烧结机上，借助固体燃料燃烧产生高温，生成一定量的液相中间体将铁矿颗粒润湿黏结起来，形成具有一定强度的多孔块状烧结矿的过程［1］。烧结工序能耗是钢铁企业总能耗的12%，其中固体燃料消耗占烧结工序总能耗的75%～80%［2］。随着我国煤炭贮存量逐渐减少和控煤减煤政策实施，开发清洁价廉的燃料替代现有化石燃料用于铁矿烧结是缓解钢铁行业能源紧缺重要途径之一［3］。

兰炭是弱黏结性煤在750℃以下经过干燥脱气、软化、熔融、流动、膨胀、固化后形成的浅黑色块状多孔体［4］，是一种新型固体燃料，具有价格低、硫低、固定碳高和发热值高等优点［5］。兰炭的软化温度和流动温度低于焦粉，在烧结过程中更加利于液相的生成和黏结，有助于烧结矿质量的提升［6］。目前国内外对兰炭用作烧结燃料已开展了大量研究。LUO等［7］认为兰炭的替代占比为40%时，烧结矿质量最佳，SOx和NOx的排放量分别降低了66%和25%。于韬等［3］和王润博等［8］研究得出，当兰炭的粒度过小时，因燃烧速度过快会导致烧结矿质量下降。杨双平等［5］发现当兰炭的替代占比为30%、碱度为1.82时，烧结效果最佳。延雨雨［9］研究发现：当使用兰炭替代焦粉用于烧结时，其对烧结矿质量的影响呈现先增加后减少的趋势；当兰炭替代焦炭占比为30%时，烧结矿成品率最高，其转鼓指数等指标达到烧结行业标准。但目前尚未结合烧结优化配料及粒度优化以提升兰炭的替代占比及调控烧结矿的品质。

本文采用优化配料和粒度优化相结合方法提升烧结固体燃料中兰炭的替代占比，并调控烧结矿的品质，在60 kg烧结杯中开展兰炭替代部分焦粉用作烧结燃料的试验研究，重点考察不同替代占比及粒度兰炭对烧结矿成品率、转鼓指数、落下指数、利用系数、烧结矿微观结构的影响，同时获得不同粒度的兰炭对烧结杯料层温度、燃烧效率及烟气组分的影响，为兰炭应用于烧结生产提供依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

烧结试验所用的混匀料、返矿、石灰石、除尘灰、燃料由南京某钢铁厂提供，生石灰取自当地某钢铁厂，主要化学成分如表1所示。燃料分别为陕西一号兰炭、筛焦楼焦粉（焦粉A）、兖矿焦粉（焦粉B）。试验过程中，为了保证固体燃料的粒度分布不影响试验结果，对其进行粒度筛分，分为＞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个粒级，按照每个粒级占比称取相应的质量，多次混合后装袋备用。固体燃料的基本性质如表2所示。

表1 烧结原料的主要化学成分（质量分数）Table 1 M ain chem ical composition of sintering raw materials %

表2 烧结燃料的基本性质Table 2 Basic properties of sintering fuel

1.2 试验方案及过程

根据南京某钢厂烧结生产条件，控制混合料的含水率为7%，碱度为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。试验混匀料、生石灰、返矿、除尘灰的配比分别为59.86%、 4.58%、 1.76%、 28.17%、 1.40%，固体燃料配比及兰炭≤0.5 mm粒级占比如表3所示。由表3可知：P1～P5分别以0%、40%、50%、60%、70%的兰炭代替混合焦粉（兰炭、混合焦粉的配比分别为0∶1、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3），其它原料的相对质量分数不变；P6～P9的兰炭代替混合焦粉配比不变（6∶4），通过调整兰炭≤0.5 mm粒级占比分别为10%、20%、30%、40%，从而改变兰炭的平均粒度，其它原料的相对质量分数不变。

表3 烧结试验固体燃料配比及粒度Table 3 Solid fuel ratio and particle size of sintering experiment

烧结杯试验装置示意如图1所示。由图1可知，烧结杯是一个由耐高温合金材料制成的圆柱体（∅220 mm×700 mm），铺底料为2 kg粒度为10～16 mm的烧结矿。点火前，调节液化气流量至6 m3/h左右、助燃风流量为135 m3/h。当点火罩温度达到1 050℃后，移动点火罩至烧结杯上，点火时间为1.5 min，点火负压控制在－5 kPa。点火结束后保温2 min，调节烧结负压至－12 kPa。烧结结束后，将抽风负压调至－4 kPa，冷却2 min后卸料。烧结结束后，翻转烧结杯，使烧结矿落入单辊破碎机中进行破碎。破碎后的烧结矿依次送至落下、转鼓装置中测定烧结矿落下强度和转鼓强度。烧结矿的落下强度和转鼓强度分别采用《烧结矿落下强度的测定》（YB/T 4606—2017）、《烧结矿和球团矿转鼓强度的测定方法》（YB/T 5166—1993）进行分析，测定结束后再计算烧结矿的成品率、落下强度、转鼓强度、利用系数等。在兰炭粒度优化的实验中，用NHR－8100/8700系列彩色无纸记录仪记录热电偶在烧结杯中间料层的温度，采用德国MRUoptima7烟气分析仪检测烟气中NOx、SO2、CO2、O2的质量浓度。

图1 烧结杯装置示意Fig.1 Diagram of sintering cup device

2 结果与讨论

2.1 兰炭替代占比及粒度对烧结矿质量的影响

兰炭替代占比及粒度对烧结矿质量的影响试验结果如表4所示。由表4可知：随着兰炭替代焦粉占比的增加，烧结矿的转鼓强度出现波动；当兰炭替代焦粉的占比为60%时，转鼓强度和落下强度分别为61.75%和62.51%，低于单独焦粉作为烧结燃料时的转鼓和落下强度。分析原因认为，掺混兰炭相较于单独焦粉降低了CaO质量分数，抑制了烧结矿中铁酸钙的生成，而铁酸钙是黏结相和矿物组成最主要的物质，导致烧结矿的强度降低［10］。由表2、4可知，兰炭的加入提高了垂直烧结速度，当兰炭替代占比为60%时，其相较于混合焦粉提高了1.03 mm/min。兰炭的固定碳质量分数比焦粉低，但燃料反应性更好，因此掺混兰炭会缩短烧结时间，增加垂直燃烧速度［10］。此外，当兰炭替代焦粉占比从40%升高到70%时，烧结矿的成品率和利用系数呈现先增加后减少的趋势。在兰炭替代占比为50%时，成品率和利用系数最大分别为77.47%和1.47 t/（m2·h）。烧结矿的固结受到燃烧速度和传热速度的影响，当燃烧速度和传热速度不匹配时，会导致自动蓄热作用减弱，影响烧结料进行物理化学反应时所需要的融化温度保持时间，也会减少烧结过程中液相量的生成，从而影响烧结矿的成品率和转鼓强度［5，8］。

表4 烧结杯试验结果Table 4 Results of partial sintering cup experiment

随着兰炭≤0.5 mm的粒级占比的增加，转鼓强度呈现先减少后上升的趋势。当替代占比为10%时，转鼓强度最高为62.93%，略高于混合焦粉。当兰炭≤0.5 mm的粒级占比为10%时，相较于混合焦粉碱度增加了8.9%，碱度的增加有利于针状或网状铁酸钙的生成，从而提高了烧结矿的强度［5］。另外，落下强度在61.73%～63.68%波动。因为≤0.5 mm兰炭的热值为23.616 MJ/kg，相比其它粒度低4 MJ/kg左右，热量提供不足会影响烧结蓄热，导致烧结矿料层温度过低，对烧结矿的强度和成品率有着不利的影响［3］。由表4可知，成品率在77.5%上下波动，未有明显影响。当兰炭粒度≤0.5 mm的粒级占比为10%时，利用系数最大，随着兰炭≤0.5 mm粒级占比的增加，呈现总体下降的趋势。这是因为细粒级燃烧速度更快导致烧结速度快于传热速度，不利于烧结矿的固结，从而降低了烧结矿的利用系数。

2.2 兰炭粒度对料层温度及烟气成分的影响

兰炭粒度优化对料层温度的影响如图2（a）所示。图2（a）中，对温度高于1 200℃的区域进行积分计算，得到结果为高温熔融带面积（MQI）：20%＞10% ＞30% ＞40%，而融化温度保持时间（DTMT）：20%＞10% ＞30% ＞40%。由图2（a）可知：当兰炭≤0.5 mm粒级占比为20%时，MQI和DTMT最高；兰炭≤0.5 mm粒级占比为40%时，MQI和DTMT最低。随着兰炭≤0.5 mm粒级占比的增加，料层开始升温时间及达到最高温度的时间呈现整体缩短的趋势，而料层的融化温度保持时间和高温熔融带面积整体减少的趋势。通常，铁矿石在烧结过程中，熔融阶段提供了高强度烧结矿所需的凝聚力，产生的熔融体在很大程度上取决于温度＞1 200℃的停留时间［11］。CHENG等［11］认为固定碳质量分数过高，MQI过高会导致烧结矿产品孔隙率降低，导致炼铁能耗较高。当兰炭≤0.5 mm粒级占比为20%时，料层温度在1 365 s升至最高值1 386℃；当替代占比为40%时，料层温度在1 155 s升至最高值1 287℃。

图2 粒度优化对料层温度和燃烧效率的影响Fig.2 Influence of particle size optim ization on layer temperature and combustion efficiency

粒度优化对燃烧效率的影响如图2（b）所示。OOI等［12］采用CO2与（CO2＋CO）体积分数的比值作为燃烧效率的指标。由图2（b）可知：不同兰炭≤0.5 mm粒级占比对应的燃烧效率大小关系：40%＞20%＞30%＞10%；当兰炭≤0.5 mm的粒级占比为10%时，固体燃料的燃烧效率最低，这可能是固体燃料的平均粒度增大引起的。

试验测得100%混合焦粉烧结烟气中SO2、NOx、CO2的平均体积分数分别为1.229 1×10－2%、9.870×10－3%、5.35%，相对于掺混60%兰炭来说，SO2、CO2的平均体积分数分别降低了3.706×10－3%、0.98%，但NOx体积分数增加了9.49×10－4%。兰炭粒度优化后固体燃烧效率变化如图3所示。图3中，对O2图像积分后得到的大小关系为10% ＜20% ＜30% ＜40%，CO2和NOx体积分数积分结果为10% ＞20% ＞30% ＞40%，SO2体积分数积分的结果为10% ＞30% ＞20%＞40%。由图3可知，当兰炭≤0.5 mm粒级占比由0提升至40%时，CO2平均体积分数由4.84%降至3.33%，O2平均体积分数由13.48%上升为15.73%。烟气成分分析结果表明，在高固定碳质量分数时，CO2的体积分数显著增加，O2的体积分数明显降低［13］。当兰炭≤0.5 mm粒级占比由0上升至40%时，NOx体积分数总体呈现下降趋势，由1.558 2×10－2%下降为8.801×10－3%，SO2体积分数由1.736 2×10－2%下降为2.219×10－3%。随着兰炭≤0.5 mm粒级占比增加，CO2和NOx的量在逐渐减小，O2的体积分数增加。因此，兰炭≤0.5 mm粒级占比增加会减少碳的排放量，这可能是由于≤0.5 mm兰炭的固定碳质量分数低引起的，NOx和SO2的排放量也会减少，同时烧结矿质量稍有降低。

图3 粒度优化对烧结烟气成分的影响Fig.3 Influence of particle size optim ization on sintering flue gas com position

2.3 矿物的显微结构分析

兰炭对烧结矿微观结构的影响如图4所示。由图4（a）可知，当烧结燃料为混合焦粉时，烧结矿熔融区的针状铁酸钙较多，相互间紧密交织，具有良好的强度。由图4（b）可知，当用兰炭替代60%焦粉时，针状的铁酸钙质量分数减少，板片状的铁酸钙质量分数增加，烧结矿熔融区表面多处出现裂缝，使得烧结矿的质量降低。当用兰炭替代焦粉时，磁铁矿的质量分数降低，铁酸钙形态由针状向板片状发展，使得烧结矿的质量降低［8］。图4（c）、（d）是粒度优化对烧结矿质量的影响。当兰炭≤0.5 mm的粒级占比为10%时，针状的铁酸钙质量分数较多，针状铁酸钙和磁铁矿形成交织溶蚀结构，使得烧结矿的质量明显提高。而当兰炭≤0.5 mm的粒级占比为30%，烧结矿的针状铁酸钙不再那么密集，出现了大量的孔洞和缝隙，导致烧结矿的质量下降。王素平等［14］通过试验研究发现：当煤粉≤0.5 mm的粒级占比为0时，铁酸钙多呈细针状，然而当≤0.5 mm粒级占比为70%时，铁酸钙多呈长板状；王永红等［15］通过降低燃料中＜1.0 mm的粒级占比，增大1.0～3.0 mm燃料粒度来对燃料进行优化，发现燃料优化后针状铁酸钙明显增多，他认为应该控制燃料＜1.0 mm 的粒级占比在30%内；刘燊灰等［16］认为降低焦粉＜1.0 mm粒级占比有利于烧结液相的生成及冷凝固结，能促进针状铁酸钙的生成。本文试验结果表明，控制兰炭≤0.5 mm的粒级占比可以有效提高烧结矿的质量。烧结矿的主要化学成分如表5所示。

图4 兰炭对烧结矿微观结构的影响Fig.4 Effect of sem i-coke on them icrostructure of sinter

表5 烧结矿的主要化学成分（质量分数）Table 5 M ain chem ical com position of sintering ore%

综合以上结果表明，优化配料中，随着兰炭替代占比的增加，燃料的转鼓强度、落下强度，垂直燃烧速度和成品率都呈现先增后减的趋势，在50%～60%时出现拐点。掺混兰炭虽然提高了垂直燃烧速度，但会影响烧结过程的传热速度和蓄热作用，不利于液相中间体的生成，从而导致烧结矿的转鼓强度、落下强度和成品率下降。粒度优化后，当兰炭≤0.5 mm的粒级占比为10%时，相较于混合焦粉，转鼓强度提高了0.29%，垂直烧结速度上升5.15 mm/min。严格控制兰炭≤0.5 mm粒级占比，可以有效提高烧结矿质量，降低兰炭用作烧结燃料时其对烧结矿质量的负面影响，可以进一步提高兰炭替代焦粉的占比。微观结构分析结果证实，掺混兰炭会降低烧结矿的质量，但控制兰炭≤0.5 mm的粒级占比可以有效提高烧结矿质量。

3 结 论

本文重点研究了兰炭替代占比和粒度优化对烧结矿质量的影响，探明了兰炭对烧结矿质量的影响规律，获取了烧结用最优兰炭配比。其主要的研究结论如下。

（1）当兰炭替代焦粉占比为50%～60%时，烧结矿的质量最佳。选择兰炭替代焦粉占比为60%，且通过控制兰炭≤0.5 mm的粒级占比，可以有效提高烧结矿质量，使得烧结矿质量的性能指数与混合焦粉相近。

（2）控制兰炭≤0.5 mm的粒级占比为10%～20%时，烧结矿质量最优。当兰炭≤0.5 mm的粒级占比为10%时，烟气中NOx和SO2的排放量分别为1.558 2×10－2%、1.736 2×10－2%。兰炭替代焦粉占比为60%时，烟气中CO2、SO2的排放量相较于单独焦粉作为燃料分别降低了0.98%、3.706×10－3%，但NOx的排放量增加了9.49×10－4%。

（3）兰炭的配入，提高了垂直烧结速度，但成品率、转鼓强度、利用系数会略有下降；随着兰炭≤0.5 mm的粒级占比增加，转鼓强度、利用系数有变差的趋势。通过控制兰炭≤0.5 mm的粒级占比，可以有效提升兰炭替代焦粉占比，同时改善烧结矿质量。