CN114085990B - 一种微细粒生物质燃料和含氢燃气耦合喷吹的烧结节能减排方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微细粒生物质燃料和含氢燃气耦合喷吹的烧结节能减排方法，该方法依据烧结料面的温度分布情况将出点火炉至烧结废气温度开始上升之间的烧结料料面分为固态微细粒生物质燃料喷吹区域和气态含氢燃气喷吹区域，并分别喷吹微细粒生物质燃料和含氢燃气。该方法在高料面温度区域利用生物质颗粒燃料燃烧供热，在料面温度低、透气性好的区域喷吹含氢燃气，避免了含氢燃气在中上部料层喷吹时逃逸引发的安全性问题，可向料层上部提供充足热量并大幅度提高清洁燃气与生物质燃料置换固体化石燃料的比例，具有明显的经济、环保优势，有益于钢铁工业的绿色发展。

Description

一种微细粒生物质燃料和含氢燃气耦合喷吹的烧结节能减排 方法

技术领域

本发明涉及一种烧结喷吹技术，特别涉及一种微细粒生物质燃料和含氢燃气耦合喷吹的烧结节能减排方法，具体涉及一种在烧结料层高料面温度区域利用生物质颗粒燃料燃烧供热，在料面温度低、透气性好的区域喷吹含氢燃气以向料层上部提供充足热量并提高清洁燃料喷吹量的方法，属于钢铁冶金领域的烧结行业。

背景技术

烧结矿是我国钢铁工业高炉炼铁的主要炉料，其生产工序能耗为钢铁企业总能耗的9％～12％。常规烧结工艺大量使用焦粉等固体化石燃料作为能量来源，造成了严重的大气污染，目前烧结的烟气排放问题已成为各部门关注的焦点，在烟气末端净化方法之外改变燃料结构、从源头上减少污染的方法也备受关注。此外，烧结生产还面临着热量分布不均的难题，在烧结过程有着明显的自蓄热作用，热量在料层中从上到下积累。在实际烧结过程中，上部料层热量不足，其高温成矿区间短、液相量不足，烧结过程物理化学反应不充分，致使烧结矿强度低，返矿多等问题明显，而在下部料层蓄热明显，烧结温度高于1350℃导致过熔，生产的烧结矿还原性较差。

日本JFE钢铁公司和九州大学合作率先研发了燃气喷吹技术，研究表明在烧结过程中向料面喷吹较清洁的液化天然气可以减少对固体化石燃料的使用，具有很大的环保优势，这种烧结方式也会为上层烧结矿补充热量，增加其高温保持时间，改善烧结矿产量、质量指标。由于料层的蓄热作用，中上部料层热量通常不足，是需要补充热量的重点区域，但中上部料层对应的烧结料面通常更为接近点火保温炉，料面的温度高，刚出点火炉的料面甚至处于红热燃烧状态。在这种情况下，直接喷吹燃气存在着火的风险，尤其是在红热状态下直接喷吹氢气含量较高的燃气，这种着火风险更大。针对这种情况，在工业生产上，燃气在料面的覆盖区域通常需要与点火炉间隔一段距离，但这种喷吹方式对于烧结矿产量、质量指标的提供作用以及固体化石燃料降低比例较为有限。

发明内容

针对现有技术中烧结料面燃气喷吹技术存在的问题，本发明的目的是在于提供一种依据烧结料料面的温度分布与料层透气性特点，合理规划颗粒燃料与气体燃料的喷吹区域，以实现整个烧结料层热量的均匀、充足供应，从而可以提高清洁燃料替代固体化石燃料的比例，提高烧结矿质量并降低大气污染物的排放的方法，该方法实现了可再生的生物质废弃资源的资源化利用，具有广阔的应用前景。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种微细粒生物质燃料和含氢燃气耦合喷吹的烧结节能减排方法，该方法是在铁矿烧结过程中，将出点火炉至烧结废气温度开始上升之间的烧结料料面依据温度高低划分为四个区域：

区域A：料面温度为>500℃的区域；

区域B：料面温度为≥300℃，且≤500℃的区域；

区域C：料面温度为≥100℃，且<300℃的区域；

区域D：料面温度为<100℃的区域；

其中，向区域A和区域B喷入微细粒生物质燃料，向区域C和区域D喷入含氢燃气；且向区域A喷入的微细粒生物质燃料的热值相对区域B的微细粒生物质燃料的热值高，向区域C喷入的含氢燃气的热值相对区域D喷入的含氢燃气的热值高。

本发明技术方案巧妙地将烧结料料面依据其温度特点进行划分区域，将料面温度较高的区域划分为固态微细粒生物质燃料喷吹区域，而将料面温度较低的区域划分为气态含氢燃气喷吹区域，使得不易着火，但难以像气体分子进入料层燃烧的微细粒颗粒燃料在高料面温度区域燃烧供热，使得容易着火、安全性相对较差的含氢燃气在低料面温度区域喷入，其可以随空气进入料层内部燃烧供热，从而安全、高效的实现烧结中上部料层热量的充足供应。特别是将微细粒生物质燃料颗粒从高料面温度区域喷入，接触到炙热料面快速燃烧释放出大量热量，且可充分利用表面的铁、钙矿物对燃料颗粒物的燃烧的催化作用，实现燃料化学能向热能的高效转化。

本发明技术方案以300℃温度作为喷吹固体燃料和喷吹气体燃料的分界点，主要是基于大量研究表明：料面温度在300℃以上，生物质燃料颗粒接触到料面容易着火燃烧，从而释放热量，但在这样的温度区域，含氢燃气存在着火甚至爆燃的风险，带来安全隐患，因此，该区域适宜喷加生物质燃料颗粒；在料面温度低于300℃时，生物质燃料颗粒、含氢燃气接触到料面后均难以着火燃烧，但生物质燃料颗粒难以像气体分子可随空气进入料层内部燃烧，因此，该区域适于喷加含氢燃气。因此，通过合理划分温度区域更有利于烧结料层均匀、充足供热，达到最佳烧结效果。

作为一个优选的方案，向区域A喷入与体积百分浓度2.0～4.0％含氢燃气等热值的微细粒生物质燃料，向区域B喷入与体积百分浓度1.0～2.0％含氢燃气等热值的微细粒生物质燃料。本发明从区域A到区域B进行变浓度喷吹生物质燃料颗粒的原因主要在于：在区域A其对应的为表层的物料，其热量主要来源于烧结混合料中配入的固体燃料，因而需喷入高浓度生物质燃料满足料层的热量需求，并且该区域料面温度高，喷入高浓度生物质燃料可以在高温作用下被迅速引燃释放热量；区域B对应料层的热量来源包括了区域A对应料层的热量以及固体燃料燃烧的热量，因而喷吹较低浓度生物质燃料即可满足料层的热量需求。

作为一个优选的方案，所述微细粒生物质燃料的平均粒度小于100微米，且小于100微米生物质燃料颗粒含量不低于75％，大于150微米的不超过10％。本发明通过控制微细粒生物质燃料的粒度组成，使其可以气溶胶形式均匀分散在吸入料面的空气中，有利于实现燃料颗粒在料面均匀燃烧供热。

作为一个优选的方案，所述微细粒生物质燃料为木材加工过程中产生的木屑或锯末、秸秆、甘蔗渣、花生壳、谷壳中至少一种。

作为一个优选的方案，区域A中微细粒生物质燃料的喷入高度为300～500mm；区域B中微细粒生物质燃料的喷入高度为150～300mm。针对不同区域喷吹的微细粒生物质燃料浓度不同，通过生物质燃料喷吹高度的调控，有利于燃料颗粒在不同喷吹浓度时均有充分的分散时间，有利于实现燃料颗粒在料面均匀燃烧供热。

作为一个优选的方案，向区域C喷入体积百分浓度为0.4～1.0％含氢燃气，向区域D喷入体积百分浓度为0～0.4％含氢燃气。本发明从区域C到区域D进行变浓度喷吹含氢燃气的主要原因在于：区域C对应的料层位于区域D对应的料层上部，其对外部补充热量的需求量更大，因而其喷吹浓度较高。

作为一个优选的方案，所述含氢燃气为钢铁厂炼焦过程的副产物焦炉煤气、废弃生物质裂解气、城市污泥裂解气、天然气、氢气中至少一种。

作为一个优选的方案，区域C中含氢燃气喷入高度为400～600mm、区域D中含氢燃气喷入高度为200～400mm。针对不同区域喷吹的含氢燃气的浓度不同，通过对含氢燃气喷吹高度的调控，有利于含氢燃气在不同喷吹浓度时均有充分的分散时间，有利于实现含氢燃气在料面均匀燃烧供热。

相对现有技术，本发明技术方案带来的有益效果：

(1)采用本发明提供的方法，巧妙地利用烧结料料面的温度特点，将料面温度较高的区域划分为固态微细粒生物质燃料喷吹区域，而将料面温度较低的区域划分为气态含氢燃气喷吹区域，使得不易着火，但难以像气体分子进入料层燃烧的微细粒颗粒燃料在高料面温度区域燃烧供热，使得容易着火、安全性相对较差的含氢燃气在低料面温度区域喷入，其可以随空气进入料层内部燃烧供热，从而安全、高效的实现烧结中上部料层热量的充足供应。

(2)采用本发明提供的方法，微细粒生物质燃料颗粒从高料面温度区域喷入，接触到炙热料面快速燃烧释放出大量热量，且可充分利用表面的铁、钙矿物对燃料颗粒物的燃烧的催化作用，实现燃料化学能向热能的高效转化。

(3)采用本发明提供的方法，通过控制微细粒生物质燃料的粒度组成，使其以气溶胶形式均匀分散在吸入料面的空气中，通过生物质燃料、含氢燃气喷吹区域喷吹高度的调控，有利于燃料颗粒、燃气在不同喷吹浓度时均有充分的分散时间，实现燃料颗粒、燃气在料面均匀燃烧供热；

(4)采用本发明提供的方法，生物质燃料和含氢燃气均为低碳、低污染物生成的清洁能源，将其喷入烧结料面可减少固体化石燃料的消耗15～35％，减少来源于固体化石燃料燃烧产生的COx、SOx、NOx 10～25％、14～30％、13～28％，实现烧结过程节能减排。

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

按照混匀铁矿64.2％、白云石2.3％、石灰石1.5％、生石灰4.0％、返矿24.7％、焦粉3.3％的质量比配料，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。采用红外热像仪对点火炉至烧结废气温度开始上升之间的料面进行区域划分，向料面温度>500℃的区域喷入与体积百分浓度2.0％天然气等热值的微细粒锯末，其粒度组成见表1，喷吹高度400mm；向料面温度300～500℃的区域喷入与体积百分浓度1.0％天然气等热值的微细粒锯末，喷吹高度250mm；向料面温度100～300℃的区域喷入体积百分浓度0.5％的天然气，喷吹高度500mm；向料面温度<100℃的区域喷入体积百分浓度0.1％的天然气，喷吹高度300mm。所得烧结矿产量、质量指标以及污染物减排效果如表2所示。

实施例2

按照混匀铁矿64.3％、白云石2.3％、石灰石1.5％、生石灰4.0％、返矿24.7％、焦粉3.2％的质量比配料，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。采用红外热像仪对点火炉至烧结废气温度开始上升之间的料面进行区域划分，向料面温度>500℃的区域喷入与体积百分浓度2.5％天然气等热值的微细粒锯末，其粒度组成见表1，喷吹高度400mm；向料面温度300～500℃的区域喷入与体积百分浓度1.3％天然气等热值的微细粒锯末，喷吹高度250mm；向料面温度100～300℃的区域喷入体积百分浓度0.7％的天然气，喷吹高度500mm；向料面温度<100℃的区域喷入体积百分浓度0.2％的天然气，喷吹高度300mm。所得烧结矿产量、质量指标以及污染物减排效果如表2所示。

对比例1(常规烧结)

按照混匀铁矿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％的质量比配料，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。所得烧结矿产量、质量指标如表2所示。

对比例2

按照混匀铁矿63.7％、白云石2.3％、石灰石1.5％、生石灰4.0％、返矿24.7％、焦粉3.8质量比配料，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。采用红外热像仪对点火炉至烧结废气温度开始上升之间的料面进行区域划分，向料面温度100～300℃的区域喷入体积百分浓度0.5％的天然气，喷吹高度500mm；向料面温度<100℃的区域喷入体积百分浓度0.1％的天然气，喷吹高度300mm。所得烧结矿产量、质量指标以及污染物减排效果如表2所示。本对比例在料面温度相对较低的区域喷吹了天然气，但未能在料面温度较高的区域耦合喷吹生物质颗粒燃料，对于中上部料层热状态的改善作用较为有限，节能减排效果一般。

对比例3

按照混匀铁矿63.8％、白云石2.3％、石灰石1.5％、生石灰4.0％、返矿24.7％、焦粉3.7％的质量比配料，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。向料面温度>500℃的区域喷入与体积百分浓度2.0％天然气等热值的微细粒锯末，其粒度组成见表1，喷吹高度400mm；向料面温度300～500℃的区域喷入与体积百分浓度1.0％天然气等热值的微细粒锯末，喷吹高度250mm。所得烧结矿产量、质量指标以及污染物减排效果如表2所示。本对比例在料面温度相对较高的区域喷吹微细粒生物质燃料，但未能在料面温度较低的区域耦合喷吹含氢燃气，对于中上部料层热状态的改善作用较为有限，节能减排效果一般。

对比例4

按照混匀铁矿63.85％、白云石2.3％、石灰石1.5％、生石灰4.0％、返矿24.7％、焦粉3.65％的质量比配料，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。向料面温度>500℃的区域喷入与体积百分浓度2.0％天然气等热值的微细粒锯末，其粒度组成见表1，喷吹高度400mm；向料面温度300～500℃的区域喷入与体积百分浓度1.0％天然气等热值的微细粒锯末，喷吹高度250mm；向料面温度100～300℃的区域喷入与体积百分浓度0.5％天然气等热值的微细粒锯末，喷吹高度500mm；向料面温度<100℃的区域喷入与体积百分浓度0.1％等热值的微细粒锯末，喷吹高度300mm。所得烧结矿产量、质量指标以及污染物减排效果如表2所示。本对比例在料面温度相对较高的区域喷吹微细粒生物质燃料，其可以在料面被引燃燃烧放热，但在温度相对较低的区域喷吹微细粒生物质燃料时，料面难以引燃生物质燃料，该区域喷加的微细粒生物质燃料所具有的热能利用效率很差，因此，对于中上部料层热状态的改善作用较为有限，节能减排效果一般。

对比例5

按照混匀铁矿63.85％、白云石2.3％、石灰石1.5％、生石灰4.0％、返矿24.7％、焦粉3.7％的质量比配料，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。烧结料面出了点火炉后，向料面等浓度喷加温度>500℃的区域喷入与体积百分浓度2.0％天然气等热值的微细粒锯末，其粒度组成见表1，喷吹高度400mm；向料面温度300～500℃的区域喷入与体积百分浓度2.0％天然气等热值的微细粒锯末，喷吹高度400mm。所得烧结矿产量、质量指标以及污染物减排效果如表2所示。本对比例在料面温度>500℃、300～500℃的区域等浓度喷吹微细粒生物质燃料，因没有进行变浓度喷吹，料面温度300～500℃对应的料层局部区域热量过剩，造成局部区域烧结矿过熔，反而不利于提高烧结矿产量、质量指标。

表1锯末的粒度组成

粒级	>150μm	100～150μm	<100μm
				质量百分比/％	8.2	11.5	80.3

表2烧结矿产量、质量指标以及污染物减排比例

Claims (8)

1.一种微细粒生物质燃料和含氢燃气耦合喷吹的烧结节能减排方法，其特征在于：在铁矿烧结过程中，将出点火炉至烧结废气温度开始上升之间的烧结料料面依据温度高低划分为四个区域：

区域A：料面温度为>500℃的区域；

区域B：料面温度为≥300℃，且≤500℃的区域；

区域C：料面温度为≥100℃，且<300℃的区域；

区域D：料面温度为<100℃的区域；

其中，向区域A和区域B喷入微细粒生物质燃料，向区域C和区域D喷入含氢燃气；且向区域A喷入的微细粒生物质燃料的热值相对区域B的微细粒生物质燃料的热值高，向区域C喷入的含氢燃气的热值相对区域D喷入的含氢燃气的热值高。

2.根据权利要求1所述的一种微细粒生物质燃料和含氢燃气耦合喷吹的烧结节能减排方法，其特征在于：向区域A喷入与体积百分浓度2.0～4.0％含氢燃气等热值的微细粒生物质燃料，向区域B喷入与体积百分浓度1.0～2.0％含氢燃气等热值的微细粒生物质燃料。

3.根据权利要求1或2所述的一种微细粒生物质燃料和含氢燃气耦合喷吹的烧结节能减排方法，其特征在于：所述微细粒生物质燃料的平均粒度小于100微米，且小于100微米生物质燃料颗粒含量不低于75％，大于150微米的不超过10％。

4.根据权利要求3所述的一种微细粒生物质燃料和含氢燃气耦合喷吹的烧结节能减排方法，其特征在于：所述微细粒生物质燃料为木材加工过程中产生的木屑或锯末、秸秆、甘蔗渣、花生壳、谷壳中至少一种。

5.根据权利要求3所述的一种微细粒生物质燃料和含氢燃气耦合喷吹的烧结节能减排方法，其特征在于：区域A中微细粒生物质燃料的喷入高度为300～500mm；区域B中微细粒生物质燃料的喷入高度为150～300mm。

6.根据权利要求1所述的一种微细粒生物质燃料和含氢燃气耦合喷吹的烧结节能减排方法，其特征在于：向区域C喷入体积百分浓度为0.4～1.0％含氢燃气，向区域D喷入体积百分浓度为0～0.4％含氢燃气。

7.根据权利要求1或6所述的一种微细粒生物质燃料和含氢燃气耦合喷吹的烧结节能减排方法，其特征在于：所述含氢燃气为钢铁厂炼焦过程的副产物焦炉煤气、废弃生物质裂解气、城市污泥裂解气、天然气、氢气中至少一种。

8.根据权利要求1所述的一种微细粒生物质燃料和含氢燃气耦合喷吹的烧结节能减排方法，其特征在于：区域C中含氢燃气喷入高度为400～600mm、区域D中含氢燃气喷入高度为200～400mm。