CN115323165B

CN115323165B - 一种富氢燃气和含金属铁固废耦合供热的烧结碳减排方法

Info

Publication number: CN115323165B
Application number: CN202210640120.2A
Authority: CN
Inventors: 季志云; 武钰丰; 范晓慧; 甘敏; 赵改革; 涂勇; 孙增青; 陈许玲; 黄晓贤; 王一帆; 郑浩翔; 袁礼顺
Original assignee: Central South University; Hunan Valin Xiangtan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Central South University; Hunan Valin Xiangtan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2022-06-08
Filing date: 2022-06-08
Publication date: 2023-11-10
Anticipated expiration: 2042-06-08
Also published as: CN115323165A

Abstract

本发明公开了一种富氢燃气和含金属铁固废耦合供热的烧结碳减排方法，该方法采用含金属铁固废替代化石燃料，同时根据不同高度的烧结料层烧结过程中所需热量不同，在烧结料料面采用梯级喷吹方式喷吹不同浓度的含氢燃气以保持整个烧结料料层高温持续时间，该方法可大幅降低或全部取缔固体化石燃料的用量，减少温室气体及污染物排放，具有经济环保优势，有助于钢铁工业绿色低碳高质量发展。

Description

一种富氢燃气和含金属铁固废耦合供热的烧结碳减排方法

技术领域

本发明涉及一种超低碳烧结方法，特别涉及一种富氢燃气和含金属铁固废耦合供热的烧结碳减排方法，具体涉及一种使用含金属铁固废替代化石燃料，并在烧结点火后喷吹富氢燃气以保持烧结料料层温度，调控烧结料料层热量分布的方法，属于钢铁冶金领域的烧结行业。

背景技术

钢铁行业是高耗能、高污染产业，2020年我国粗钢产量达到10.53亿吨，巨大的钢铁产能在消耗含铁物料的同时消耗了大量的碳基化石燃料，是低碳绿色化改造的重点行业和重要领域。

铁矿烧结是钢铁冶炼流程的第一步高温工序，也是主要的耗能、污染物排放环节。当前烧结生产主要采用焦粉、无烟煤等固体碳基化石燃料提供水分蒸发、结晶水脱除、碳酸盐分解、矿物熔化等过程的热量需求，因此，降低烧结生产过程固体碳基燃料的消耗是实现钢铁工业低碳绿色发展的重要途径。

近年来，通过料面喷吹富含氢气、甲烷的燃气优化烧结过程的热量来源是备受关注。其技术原理为喷到料面的富氢燃气在抽风负压作用下进入烧结料层燃烧供热，从而可起到替代部分固体碳基化石燃料的目的。当前富氢燃气喷吹的主要作用为平衡“上部料层热量不足、下部料层热量过剩”的不足，从而实现均热烧结。因其功能定位在为上部料层补充热量，烧结过程仍主要由固体碳基化石燃料供热。

发明内容

针对现有技术中烧结料面富氢燃气喷吹技术存在的问题，本发明的目的是在于提供一种富氢燃气和含金属铁固废耦合供热的烧结碳减排方法，该方法利用非碳基的富氢燃气燃烧放热以及含金属铁固废氧化放热作为烧结过程物理化学反应的热量来源，从而起到高比例替代或完全替代固体碳基化石燃料供热的目的。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种富氢燃气和含金属铁固废耦合供热的烧结碳减排方法，该方法是将包括含金属铁固废、铁矿石、熔剂和返矿在内的烧结料依次进行制粒、布料、点火和烧结，在烧结过程中向烧结料料面按照梯级喷吹方式喷吹不同浓度的富氢燃气。

本发明技术方案关键在于采用了富氢燃气和含金属铁固废耦合供热，对于单一富氢燃气来说，其热值较高，可在烧结料料层建立稳定的高温区，但其进入烧结料料层后主要集中在某些局部区域燃烧，导致高温区难以向下部料层迁移，不利于整体烧结料层的烧结成块，而对于含金属铁固废来说，其虽然能够氧化供热，但是其热值较固体燃料或气体燃料低，其供热时难以形成铁酸钙需求的高温区以及高温持续时间，但其以颗粒态均匀在烧结料层高度方向不同区域，其逐层氧化放热过程可引导高温带由上部料层向下部料层迁移。而在本发明技术方案中，将富氢燃气和含金属铁固废有机耦合供热，一方面可以利用富氢燃气喷加浓度、区域灵活可控，且其热值较高的特点为烧结过程物理化学反应提供充足的热量，弥补单一含金属铁固体固废热值低的特点；另一方面可以利用含金属铁颗粒逐层氧化放热引导高温区由料层上部向下部迁移的特点弥补单一富氢燃气供热时高温度迁移不畅的问题，综上所述，本发明技术方案充分利用富氢燃气燃烧和含金属铁固废氧化来耦合供热，在能够完成正常的铁矿烧结指标的同时，可以完全取代常规烧结的碳基固体燃料供热，实现CO₂、CO等的减排。

作为一个优选的方案，所述含金属铁固废中金属铁含量不低于40％，粒度组成为：-0.5mm粒级的质量比例不超过20％，大于3mm粒级的质量比例不超过 10％。优选的含金属铁固废中金属铁含量不低于40％，由于金属铁是主要的供热物质，优选的范围内能够保证含金属铁固废具有较高的热值，在烧结过程具备氧化放热形成稳定高温区的能力。同时含金属铁固废控制-0.5mm粒级占比不超过 20％，主要是为了使得更多含金属铁固废以核颗粒的形式存在于粒料内部，避免其分布在粒料外部氧化放热速度过快、高温区间持续时间过短，不利于充足铁酸钙粘结相的形成，而控制>3mm的较粗粒度的占比是为了避免含金属铁粒度过粗，氧化放热时间长、热量释放不集中，不利于稳定高温区的形成。

作为一个优选的方案，所述含金属铁固废包括轧钢皮、氧化铁皮、粒子钢、转底炉还原所得金属化球团中至少一种。这些含金属铁固废为现有技术中常见的含有金属单质铁的固废，利用其包含的金属铁在烧结过程中能够氧化产生大量热能的特点，来取代部分固体化石燃料。

作为一个优选的方案，所述含金属铁固废的添加量占烧结料总质量的10～ 20％。当含金属铁固废比例过低时，金属铁颗粒分布点位少、氧化放热量少，难以在烧结料层形成稳定的、可迁移的高温区；当含金属铁固废比例过高时，分布点位多，会阻碍铁矿石与熔剂的接触，不利于铁酸钙粘结相矿物的形成，从而影响烧结矿产量、质量指标。

作为一个优选的方案，所述富氢燃气的喷吹高度为距烧结料料面200～ 400mm，喷吹区域为从点火结束至烧结终点之间的烧结料料面。采用可调节的富氢燃气喷吹高度，可避免富氢燃气中H₂含量过高时因喷吹高度较高而发生逃逸，且可以避免喷吹高度过低时富氢燃气出口距离烧结料料面过近而发生燃气烧结料料面形成局部高浓度发生爆燃；喷吹区域控制在点火开始至烧结终点之间，可以满足整个烧结过程不同烧结料料层高度处发生物理化学反应时的热量需求。

作为一个优选的方案，所述喷吹过程中喷吹的富氢燃气的浓度根据以下公式进行调节：

且为整数；

其中，Q_T,u,i＝C_ps·(T_max-T_initial)·[ρ_s·(1-ε)·V_unit]；N∈ (2～20)，且为整数；

公式中：c_y,i为第i层烧结料料层所需富氢燃气的喷吹浓度；Q_T,u,i为烧结料达到烧结适宜最高温度时所需热量；Q_s,u,i为给定含金属铁固废配比条件下烧结料料层获得的热量以及料层蓄热量之和；t_i为第i层烧结料料层富氢燃气的喷吹时间；q_gas为富氢气体燃料的热值；C_ps为烧结料的比热容，根据具体烧结料来确定具体值；T_max为设定的烧结料料层的最高温度，其变化范围为1250～1300℃；T_initial为烧结料的初始温度，其变化范围为60～100℃；ρ_s为烧结料的密度，根据具体烧结料来确定具体值；ε为烧结料料层的孔隙率；V_total为烧结料料层总体积；V_unit为单元烧结料料层的体积；为烧结料中含金属铁固废的配比，其变化范围为 10～20％；Q_s为所用含金属铁固废的热值；λ_i为第i层烧结料料层的蓄热率。本发明依据烧结料料层不同高度处的蓄热量不同以及热量分布差异等特点，定量计算出不同区域富氢燃气需要补充的热量，一方面充分利用了料层不同高度方向处的蓄热量差异，有利于提高整体烧结过程热量利用效率，一方面优化了料层高度方向处热量的均匀分布，有利于生产质量均匀的优质烧结矿产品。

作为一个优选的方案，所述富氢燃气包括焦炉煤气、天然气、页岩气、生物质裂解气、氢气中至少一种。

相对现有技术，本发明技术方案带来的有益效果为：

(1)采用本发明所提供的富氢燃气燃烧和含金属铁固废耦合供热的烧结方法，无需配加含碳固体燃料，可从源头上减排NOx、SOx、COx，且可有效减排主要来源于固体燃料挥发份的多环芳烃排放量，因缺乏大分子残碳，烧结过程二噁英的从头合成反应也会得到有效抑制。

(2)采用本发明所提供的富氢燃气燃烧和含金属铁固废氧化耦合供热的烧结方法，依据烧结过程不同阶段料层对热量的实际需求，在含金属铁固废氧化供热的同时，实时控制富氢燃气的喷入浓度，可以实现整个料层热量的均匀、充足供应。

(3)采用本发明所提供的含氢燃气燃烧和含金属铁固废耦合供热的烧结方法，添加的含金属铁固废在烧结过程氧化释热后生成的铁氧化物是烧结矿中的有用组分，铁元素在后续冶炼过程可以得到回收。

(4)本发明提供的含氢燃气燃烧和含金属铁固废耦合供热的烧结方法将含金属铁固废的粒度主要控制在0.5～3mm，可使得含金属铁固废在制粒过程中充当核颗粒的作用，减少其作为粘附粉(-0.5mm)的比例，从而使得含金属铁固废能够平稳持续氧化释放热量，避免其直接与空气接触剧烈氧化，缩短了铁酸钙类粘结相充分生成的高温持续时间。

(5)采用本发明提供的含氢燃气燃烧和含金属铁固废耦合供热的烧结的方法，可以在完全采用含氢燃料料层燃烧供热的条件下获得质量均匀的烧结矿，且可实现NOx减排80％以上，SOx减排60％以上，COx减排50％以上，二噁英减排80％以上。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专利术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。

实施例1

烧结混合料配料方案为：混匀铁矿57.5％、白云石2.3％、石灰石1.5％、生石灰4.0％、返矿24.7％、氧化铁皮10％，其中氧化铁皮中金属铁含量为50％，粒度组成如表1所示。物料经过混合、制粒后，将混合料布到烧结台车，在温度 1050±50℃、负压-5kPa的条件下点火2min，然后在负压-14kPa条件下进行烧结。在点火结束至烧结终点之间的烧结料面按照公式1至公式5实施在线控制烧结料面不同区域的天然气喷吹浓度，喷吹高度为300mm。

其中，

Q_T，u，i＝C_ps·(T_max-T_initial)·[ρ_s·(1-ε)·V_unit] 公式2

式中：c_y,i为第i层烧结料料层所需天然气的喷吹浓度；Q_T,u,i为烧结料达到烧结适宜最高温度时所需热量；Q_s,u,i为给定含金属铁固废配比条件下烧结料料层获得的热量以及料层蓄热量之和；t_i为第i层烧结料料层天然气的喷吹时间，本实施例中总烧结时间为30min，则每层喷吹时间为7min；q_gas为天然气的热值，本实施例中q_gas为34MJ/m³；取N为4，将烧结料料层平均分为了4层；C_ps为烧结料的比热容，本实施例为0.84kJ/(kg·K)；T_max为设定的烧结料料层的最高温度，其变化范围为1250～1300℃，本实施例中T_max为1300℃；T_initial为烧结料的初始温度，其变化范围为60～100℃，本实施例中T_initial为60℃；ρ_s为烧结料的密度，本实施例为2.4t/m³；ε为烧结料料层的孔隙率，一般为0.5～0.53，本实施例为0.5；V_total为烧结料料层的总体积，本实施例中V_total为450m³；V_unit为单元烧结料料层的体积，本实施例中V_unit为112.25m³；为烧结料中含金属铁固废的配比，本实施例中/>为10％；Q_Fe为所用含金属铁固废的热值，本实施例中Q_Fe为 2.4MJ/Kg；λ_i为第i层烧结料料层的蓄热率，λ₂＝40.37％，λ₃＝54.07％，λ_A＝61.39％。经计算，各层所需天然气喷吹浓度如表3所示。所得烧结矿产量、质量指标如表 2所示，在同等热值的条件下采用含金属铁固废与天然气完全替代了焦粉，因此碳减排效果显著。

实施例2

烧结混合料配料方案为：混匀铁矿47.5％、白云石2.3％、石灰石1.5％、生石灰4.0％、返矿24.7％、氧化铁皮20％，其中，氧化铁皮中金属铁含量为50％，粒度组成如表1所示。物料经过混合、制粒后，将混合料布到烧结台车，在温度 1050±50℃、负压-5kPa的条件下点火2min，然后在负压-14kPa条件下进行烧结。在点火结束至烧结终点之间的烧结料面按照公式1至公式5实施在线控制烧结料面不同区域的天然气喷吹浓度，喷吹高度为300mm。

且为整数

其中，

且为整数

式中：C_y,i为第i层烧结料所需天然气的喷吹浓度；Q_T,u,i为烧结料达到烧结适宜最高温度时所需热量；Q_s,u,i为给定含金属铁固废配比条件下烧结料料层获得的热量以及料层蓄热量之和；t_i为第i层烧结料料层天然气的喷吹时间，本实施例中总烧结时间为30min，则每层喷吹时间为7min；q_gas为天然气的热值，本实施例中q_gas为34MJ/m³；取N为4，将烧结料料层平均分为了4层；C_ps为烧结料的比热容，本实施例为0.84kJ/(kg·K)；T_max为设定的烧结料料层的最高温度，其变化范围为1250～1300℃，本实施例中T_max为1300℃；T_initial为烧结料的初始温度，其变化范围为60～100℃，本实施例中T_initial为60℃；ρ_s为烧结料的密度，本实施例为2.4t/m³；ε为烧结料料层的孔隙率，一般为0.5～0.53，本实施例为 0.5；V_total为烧结料料层的总体积，本实施例中V_total为450m³；V_unit为单元烧结料料层的体积，本实施例中V_unit为112.25m³；为烧结料中含金属铁固废的配比，本实施例中/>为20％；Q_Fe为所用含金属铁固废的热值，本实施例中Q_Fe为 2.4MJ/Kg；λ_i为第i层烧结料料层的蓄热率，λ₂＝40.37％，λ₃＝54.07％，4₄＝61.39％。经计算，各层所需天然气喷吹浓度如表4所示。所得烧结矿产量、质量指标如表 2所示，在同等热值的条件下增加了含金属铁固废用量，减少了天然气喷吹浓度，因此碳减排效果显著，此外减少气体燃料用量有利于减少热损耗，提高了烧结指标。

对比例1(常规烧结)

烧结混合料配料方案为：混匀铁矿63.5％、白云石2.3％、石灰石1.5％、生石灰4.0％、返矿24.7％、焦粉4.0％，将混合料混匀并制粒成小球后分布到烧结台车中，在温度1050±50℃、负压-5kPa的条件下点火2min，然后在负压-14kPa 条件下进行烧结。所得烧结矿产量、质量指标如表2所示。

对比例2(20％全含金属铁固废)

烧结混合料配料方案为：混匀铁矿47.5％、白云石2.3％、石灰石1.5％、生石灰4.0％、返矿24.7％、氧化铁皮20％，其中，氧化铁皮中金属铁含量为50％，粒度组成如表1所示。物料经过混合、制粒后，将混合料布到烧结台车，在温度 1050±50℃、负压-5kPa的条件下点火2min，然后在负压-14kPa条件下进行烧结。所得烧结矿产量、质量指标以及碳减排效果如表2所示。本对比例采用20％的含金属铁固废替代了4％的焦粉，同时降低了混匀铁矿用量以保证混合料总质量相同，由于含金属铁固废热值较低，烧结指标严重恶化。

对比例3(天然气喷吹)

烧结混合料配料方案为：混匀铁矿67.5％、白云石2.3％、石灰石1.5％、生石灰4.0％、返矿24.7％。物料经过混合、制粒后，将混合料布到烧结台车，在温度1050±50℃、负压-5kPa的条件下点火1min，然后在负压-14kPa条件下进行烧结。在点火结束至烧结终点之间的烧结料面按照实施例1的梯度喷吹方式根据公式1至公式5实施在线控制烧结料面不同区域的天然气喷吹浓度喷吹天然气，喷吹高度为300mm。所得烧结矿产量、质量指标以及碳减排效果如表2所示。本对比例采用天然气替代了4％的焦粉，同时微量增加混匀铁矿用量以保证混合料总质量相同，由于气体热损较大，料层高温保持时间变短，烧结指标严重恶化。

对比例4(20％含金属铁固废+4％天然气喷吹)

烧结混合料配料方案为：混匀铁矿47.5％、白云石2.3％、石灰石1.5％、生石灰4.0％、返矿24.7％、氧化铁皮20％，其中，氧化铁皮中金属铁含量为50％，粒度组成如表1所示。物料经过混合、制粒后，将混合料布到烧结台车，在温度 1050±50℃、负压-5kPa的条件下点火2min，然后在负压-14kPa条件下进行烧结。在点火结束至烧结终点之间的烧结料面喷吹浓度为4％的天然气，喷吹高度为300 mm。所得烧结矿产量、质量指标以及碳减排效果如表2所示。本对比例采用20％的氧化铁皮以及4％Vol浓度的天然气替代了4％的焦粉，同时减少了混匀铁矿矿用量以保证混合料总质量相同，由于天然气喷吹浓度过高，下部料层热量过剩，烧结指标下滑。

表1 氧化铁皮的粒度组成

表2 烧结矿产量、质量指标以及污染物减排比例

表3 各烧结料层热量平衡计算及所需天然气浓度

示例	Q_T,u,i/kJ	Q_s,u,i/kJ	c_y,i/％
				i＝1	140616000	32400000	4.55
i＝2	140616000	45479880	4.00
				i＝3	140616000	56990971.12	3.51
i＝4	140616000	67386757.17	3.08

表4 各烧结料层热量平衡计算及所需天然气浓度

示例	Q_T,u,i/kJ	Q_s,u,i/kJ	c_y,i/％
				i＝1	140616000	64800000	3.19
i＝2	140616000	90959760	2.09
				i＝3	140616000	113981942.2	1.11
i＝4	140616000	134773514.3	0.25

Claims

1.一种富氢燃气和含金属铁固废耦合供热的烧结碳减排方法，其特征在于：将包括含金属铁固废、铁矿石、熔剂和返矿在内的烧结料依次进行制粒、布料、点火和烧结，在烧结过程中向烧结料料面按照梯级喷吹方式喷吹不同浓度的富氢燃气；

所述喷吹过程中富氢燃气的浓度根据以下公式进行调节：

且为整数；

其中，Q_T,u,i＝C_ps·(T_max-T_i#itial)·[ρ_s·(1-ε)·V_u#it]；且为整数；

公式中：C_y,i为第i层烧结料料层所需富氢燃气的喷吹浓度；Q_T,u,i为烧结料达到烧结适宜最高温度时所需热量；Q_s,u,i为给定含金属铁固废配比条件下烧结料层获得的热量以及料层蓄热量之和；t_i为第i层烧结料料层富氢燃气的喷吹时间；q_gas为富氢气体燃料的热值；C_ps为烧结料的比热容；T_max为设定的烧结料料层的最高温度；T_initial为烧结料的初始温度；ρ_s为烧结料的密度；ε为烧结料料层的孔隙率；V_total为烧结料料层总体积；V_unit为单元烧结料料层的体积；为烧结料中含金属铁固废的配比；Q_s为所用含金属铁固废的热值；λ_i为第i层烧结料料层的蓄热率。

2.根据权利要求1所述的一种富氢燃气和含金属铁固废耦合供热的烧结碳减排方法，其特征在于：所述含金属铁固废中金属铁含量不低于40％；所述含金属铁固废的粒度组成为：-0.5mm粒级的质量比例不超过20％，大于3mm粒级的质量比例不超过10％。

3.根据权利要求2所述的一种富氢燃气和含金属铁固废耦合供热的烧结碳减排方法，其特征在于：所述含金属铁固废包括轧钢皮、氧化铁皮、粒子钢、转底炉还原所得金属化球团中至少一种。

4.根据权利要求1～3任一项所述的一种富氢燃气和含金属铁固废耦合供热的烧结碳减排方法，其特征在于：所述含金属铁固废的添加量占烧结料总质量的10～20％。

5.根据权利要求1所述的一种富氢燃气和含金属铁固废耦合供热的烧结碳减排方法，其特征在于：所述富氢燃气的喷吹高度为距烧结料料面200～400mm，喷吹区域为从点火结束至烧结终点之间的烧结料料面。

6.根据权利要求1所述的一种富氢燃气和含金属铁固废耦合供热的烧结碳减排方法，其特征在于：所述富氢燃气包括焦炉煤气、天然气、页岩气、生物质裂解气、氢气中至少一种。