生物質(zhì)燃料對(duì)燒結(jié)過程中焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

生物質(zhì)燃料對(duì)燒結(jié)過程中焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

在我國(guó)的高鐵公司結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)礦質(zhì)量比例一般超過75%。它是高鐵公司最重要的鐵粉。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%。我國(guó)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,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(guó)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(yáng)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。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;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(duì)燒結(jié)料層熱波曲線的影響。目前,針對(duì)我國(guó)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原材料性能和試驗(yàn)方法1.1焦粉和焦炭的組分組成本試驗(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。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0.5mm的細(xì)粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)比焦粉的低。1.2燒結(jié)時(shí)間及評(píng)價(jià)指標(biāo)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(zhǎng)度為600mm×1400mm的圓筒混合機(jī)內(nèi)制粒4min?；旌狭辖?jīng)制粒后裝入有鋪底料的直徑為150mm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1min,保溫1min,點(diǎn)火溫度為(1150±50)℃,點(diǎn)火負(fù)壓為5kPa。點(diǎn)火后,抽風(fēng)負(fù)壓調(diào)整至10kPa。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5kPa,冷卻3min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(cè)等。評(píng)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(duì)距燒結(jié)料層表面200mm的位置進(jìn)行連續(xù)測(cè)溫。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(duì)燒結(jié)的影響。2.1.1焦炭-1#替代焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)燒結(jié)的影響木炭替代焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)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(shì),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木馬質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(duì)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21.94mm/min提高到27.17mm/min,利用系數(shù)從1.48t·m-2·h-1下降到0.93t·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料層最高溫度用熱電偶測(cè)定距離料面200mm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1273℃分別下降到1247,1230,1211和1150℃。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。2.1.4強(qiáng)度石的特性燒結(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)燃料的用量木炭-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。對(duì)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燒結(jié)礦的壓降由于生物質(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燒結(jié)礦質(zhì)量得到改善木炭-1#替代焦粉的熱量置換比對(duì)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1230℃上升到1287℃,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生物質(zhì)粒度對(duì)料層溫度的影響研究了木炭-1#的3個(gè)粒度組成(見表7)對(duì)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2.41mm提高到2.84mm時(shí),料層溫度由1230℃提高到1252℃,但繼續(xù)提高生物質(zhì)粒度,對(duì)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%。3焦粉替代方案(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(shì),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