CN114935264A - 一种基于生物质炭-富氢燃气耦合喷吹的低碳烧结方法 - Google Patents

一种基于生物质炭-富氢燃气耦合喷吹的低碳烧结方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于生物质炭‑富氢燃气耦合喷吹的低碳烧结方法，该方法将烧结机的开始点火至烧结终点之间的烧结料料面划分为四个区域，依次为点火区、生物质碳粉喷吹区、高浓度富氢燃气喷吹区和低浓度富氢燃气喷吹区，该方法通过在前部烧结料料面喷吹生物质碳粉来补充热量，在中后部烧结料料面喷吹富氢燃气保持高温，可减少前部烧结料面热量损失并均衡中后部料面温度，在此基础上可大幅降低固体化石燃料的用量，减少污染物排放，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

一种基于生物质炭-富氢燃气耦合喷吹的低碳烧结方法
技术领域
本发明涉及一种低碳烧结方法，特别涉及一种喷吹生物质碳粉和含氢燃气的烧结减排方法，具体涉及一种在前部烧结料面喷吹生物质碳粉补充热量，在中后部料面区域喷吹含氢燃气以保持烧结料层高温状态并减少化石燃料用量的方法，属于钢铁冶金领域的烧结行业。
背景技术
钢铁工业作为化石能源的第三大消耗行业，其能源消耗占世界能源消耗总量的10％以上，而且钢铁工业CO2排放量占世界温室气体排放量的5％。烧结作为钢铁生产的第一道工序，其能耗占钢铁工业总能耗的10％，其中，烧结固体燃耗占比高达75～80％，点火燃耗占5～10％。固体燃料的燃烧会释放大量的CO2，NOx，SO2等大气污染物，降低固体燃料消耗是节能减排最直接有效的方式，对钢铁工业清洁生产有着重要的意义。
日本JFE钢铁公司及九州大学于2009年开发并应用了烧结料面燃气喷吹技术，在降低固体燃料配比的条件下实现了低碳优质烧结，该技术增加了高温保持时间，优化了烧结料面整体热量均匀性，提高了烧结料层上部烧结效果与烧结矿产质量指标。中国韶钢与中冶长天公司与2017年6月进行了焦炉煤气喷吹试验，有效地降低了工序能耗，并且减少了烧结烟气污染物的排放。然而，燃气喷吹技术在工业化应用过程中，由于降低了料层中固体燃料的配比导致烧结速度减缓，在原有点火与保温制度上形成的红层较为薄弱，烧结料层上部即使有燃气补充的热量，也难以实现固体燃料的大幅度降低，此外，原有的喷吹技术是连续的喷吹燃气进入料面中，容易导致燃气的富集以及热量的浪费，导致烧结燃耗降低程度有限。
现有燃气喷吹技术的应用中，燃气喷吹区域与烧结负压并不匹配。一般都为调节烧结负压之后才喷入燃气，在喷吹浓度较高时容易导致气体在料面上方富集或者逸出，有很大的安全隐患，此外也造成了热量的损失，对低碳高质节能减排烧结产生不利的影响。此外，燃气燃烧后形成的水蒸气也对料层透气性有很大影响，尤其是对于上部料层。这些喷吹技术存在诸多技术问题大部分是由于上部料层烧结特性与喷吹技术不协调导致的，因此，解决该技术问题成为现有燃气喷吹技术推广应用的关键。
发明内容
针对现有技术中烧结料料面燃料喷吹技术存在的技术问题，本发明的目的是在于提供一种基于生物质炭-富氢燃气耦合喷吹的低碳烧结方法，该方法是基于烧结点火制度以及烧结料料面温度分布特点，通过延长烧结点火时间并合理规划生物质碳粉与含氢燃气喷吹区域，拓宽前部烧结料料面超过1200℃的高温区域并使热量得到充分补充，在中后部料面延长高温保持时间，实现全部烧结料层热量均衡稳定并可以大幅降低化石燃料使用量，达到提高烧结矿质量、减少污染物排放的效果，特别是在温度高、透气性差的前部料面使用生物质炭粉补充热量，不仅减少因含氢燃气燃烧带入的水蒸气含量，同时也更为安全，可以弥补现有烧结料面燃气喷吹技术存在的问题。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种基于生物质炭-富氢燃气耦合喷吹的低碳烧结方法，该方法是将烧结机的开始点火至烧结终点之间的烧结料料面划分为4个区域，依次记为区域-1、区域-2、区域-3和区域-4，其中，区域-1为点火区，区域-2、区域-3和区域-4均为燃料喷吹区，在区域-2喷吹生物质碳粉，在区域-3和区域-4喷吹富氢燃气，且区域-3中喷吹的富氢燃气浓度高于区域-4中的富氢燃气。
本发明技术方案关键在于采用了生物质炭与富氢燃气耦合喷吹的技术，旨在解决喷吹技术以及烧结特性之间的不协调的技术问题，在烧结前期通过喷入生物质炭粉补充上部烧结料层所需热量，且可以避免富氢燃气喷吹引入水蒸气，使上部料层透气性保持良好，且生物质炭的燃点相对富氢燃气较高，可以更早地喷入至料层表面而不用考虑气体逃逸以及蹿火等安全问题，而在烧结中后段，由于烧结料面相对于前段透气性较好，料面温度较低，通过喷入含氢燃气保持料层内的烧结高温，考虑到料层的蓄热机理，在后段烧结料面喷入的含氢燃气浓度要低于中段烧结料面，实现全部料层供热稳定均衡。综上所述，本发明技术方案通过在烧结料料面耦合喷吹生物质炭和富氢燃气，可以优化上部料层供热以及透气性，提高烧结矿产质量，同时，由于上部料层供热方式的改善，可以进一步降低化石燃料的使用，在保持烧结矿产质量的前提下实现对化石燃料的高比例替代，减少温室气体CO2以及其他气体污染物的排放。
作为一个优选的方案，区域-1、区域-2、区域-3和区域-4的长度分别占整个烧结料料面的10～15％:10～20％:25～40％:25～55％。本发明针对烧结料料面区域的划分与现有技术存在明显不同，针对区域-1的点火区较常规烧结有所延长，而区域-2的烧结料料面温度不得低于200℃，各区域划定烧结料料面比例之和为100％。本发明的区域-1所占烧结料料面区域较长主要是通过延长烧结点火时间来达到使上部料层迅速建立超过1200℃的高温区域，提高上部料层蓄热量的目的，而区域-2为生物质碳粉喷吹区，可以补充上部料层所需热量，并可以延长上部料层高温状态。而区域-4所占烧结料面区域较区域-3长，主要原因在于：区域-3中喷入的含氢燃料浓度较高，减小区域-3范围可减少由燃气燃烧带入料层内的水蒸气，防止料层过湿严重。本发明技术方案通过延长烧结点火区域，拓宽了前段烧结料料面的高温区域，在此基础上在温度较高且透气性较差的前段烧结料料面喷吹微细粒级的生物质碳粉，用来补充上部料层热量，安全高效的实现前段料面热量供应，中后段烧结料面相对于前段透气性较好，料面温度较低，喷入含氢燃气保持料层内的烧结高温，考虑到料层的蓄热机理，在后段烧结料面喷入的含氢燃气浓度要低于中段烧结料面，实现全部料层供热稳定均衡，达到降低固体化石燃料消耗，实现减排的目的。进一步优选，区域-1、区域-2、区域-3和区域-4的长度分别占烧结料料面的12～15％:13～20％:30～35％:35～45％。
作为一个优选的方案，所述生物质碳粉的平均粒度小于100微米，且小于100微米的质量百分含量不低于80％，大于200微米的比例不超过10％。采用合适的粒度组成可以使生物质碳粉均匀分散于空气中并充分燃烧，不会影响料层透气性。
作为一个优选的方案，所述生物质炭包括玉米秸秆炭、稻杆炭、麦秆炭、谷壳炭、锯末炭中至少一种。本发明涉及的生物炭是现有技术中常见的材料，一般是由农业、林业加工废弃物在低氧环境下，通过高温裂解形成。比较常见的是玉米秸秆炭、稻杆炭、麦秆炭、谷壳炭、锯末炭等等。
作为一个优选的方案，所述区域-2的烧结料料面温度不低于200℃。本发明技术方案将烧结料料面温度为200℃作为烧结前段与烧结中段的分割点，前段烧结料面包括烧结点火区与生物质碳粉喷吹区，占烧结料面总长度比例的20～35％，主要是基于研究表明，在点火后烧结料料面温度较高，适合喷入着火点较高、安全性较强的生物质碳粉，而在烧结中段烧结料料面温度下降，适合开始喷入着火点较低，安全性较差的含氢燃气，通过合理的应用不同燃料的燃烧特性实现全部料层热量均衡稳定，达到最佳烧结效果。
作为一个优选的方案，所述区域-2喷吹的生物质碳粉热值等于该区域中烧结料理论所需固体化石燃料总热值的10～30％。本发明的烧结前段烧结料料面包括区域-1和区域-2，分别为点火区与生物质碳粉喷吹区域，区域-1主要是通过延长烧结点火时间来使上部料层迅速建立超过1200℃的高温区域，提高上部料层蓄热量，而区域-2喷吹生物质碳粉可以补充上部料层所需热量，并可以延长上部料层高温状态。烧结料理论所需固体化石燃料指的是常规烧结过程中烧结料中常规添加的固体化石燃料质量，这是本领域技术人员所公知的。
作为一个优选的方案，所述富氢燃气包括天然气、页岩气、焦炉煤气、生物质裂解气中至少一种。
作为一个优选的方案，所述区域-3中喷吹的富氢燃气体积浓度为0.6～1.5％。
作为一个优选的方案，所述区域-4中喷吹的富氢燃气体积浓度为0.2～0.6％。本发明从区域-3到区域-4进行变浓度喷吹含氢燃气的主要原因在于：区域-3属于中段料层，燃气供热集中在中部料层，位于区域-4燃气供热区域上方，所需热量更多，因此喷吹浓度也就更高。
作为一个优选的方案，所述烧结料中固体化石燃料配加质量比例为理论量的50％～70％。所谓的理论量为常规烧结过程中烧结料中固体化石燃料的添加量，该添加量是本领域技术人员所公知的。
作为一个优选的方案，所述固体化石燃料包括无烟煤、焦粉、兰炭中至少一种。
相对现有技术，本发明技术方案带来的有益技术效果在于：
(1)采用本发明生物质炭与富氢燃气耦合喷吹方法，可以高比例减少烧结过程固体化石燃料的用量，大幅减排CO2排放量，并同步减少燃料型NOx、SOx排放。
(2)采用本发明生物质炭与富氢燃气耦合喷吹方法，通过将点火区域覆盖的区域占比由常规的10％以下提高至10％以上，延长点火时间供给表层物料充足热量，使得表层局部区域迅速建立起超过1200℃的高温区域，弥补较低固体化石燃料烧结条件下表层供热不足的缺陷。
(3)采用本发明采用本发明生物质炭与富氢燃气耦合喷吹方法，以“烧结前段生物质炭-烧结中段高浓度富氢燃气-烧结后段低浓度富氢燃气”的新型耦合喷吹方式向烧结料层补充燃料，先喷入固体生物炭一方面可补充上部料层因固体燃料降低的热量需求，另一方面可以避免直接喷吹高浓度富氢燃气增加烟气中H2O含量，使得烧结初始阶段料层严重过湿恶化透气性，且料层中过多的水在高温带下移蒸发过程消耗大量热量，破坏高浓度喷吹补热效果；中间段高浓度喷入富氢燃气可快速弥补烧结高温成矿过程对热量的需求，延长高温保持时间；烧结后段再次降低富氢燃气喷吹浓度充分利用下部蓄热量更大的特点，从而实现整体烧结料层热量均衡分布。
(4)采用本发明采用本发明生物质炭与富氢燃气耦合喷吹方法，将点火过程优化以“烧结前段生物质炭-烧结中段高浓度富氢燃气-烧结后段低浓度富氢燃气”的新型清洁燃料喷吹方式相耦合，实现了表层、上层、中层、下层热量充足供应，在获得与常规烧结相当烧结产量、质量指标的前提下，降低固体化石燃料比例达到30～50％，减排COx 25～55％、SO2 20～45％、NOx 30-50％，对于钢铁工业达到“碳中和”、超低排放的目标具有重要推动作用。
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64.8％、白云石2.3％、石灰石1.5％、生石灰4.0％、返矿24.7％、焦粉2.7％，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，点火区域料面占比12％，烧结负压为-14kPa。在点火之后向料面占比为15％的区域-2喷入等于烧结所需固体化石燃料总热值10％的微细粒玉米秸秆炭粉，其粒度组成见表1；向料面占比为33％的区域-3喷入浓度为1.0％的天然气；向料面占比为40％的区域-4喷入浓度为0.3％的天然气；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
烧结混合料配料方案为：混匀铁矿65.1％、白云石2.3％、石灰石1.5％、生石灰4.0％、返矿24.7％、焦粉2.4％，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，点火区域料面占比12％，烧结负压为-14kPa。在点火之后向料面占比为18％的区域-2喷入等于烧结所需固体化石燃料总热值18％的微细粒玉米秸秆炭粉，其粒度组成见表1；向料面占比为30％的区域-3喷入浓度为0.8％的天然气；向料面占比为40％的区域-4喷入浓度为0.2％的天然气；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3
烧结混合料配料方案为：混匀铁矿64.8％、白云石2.3％、石灰石1.5％、生石灰4.0％、返矿24.7％、焦粉2.7％，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，点火区域料面占比15％，烧结负压为-14kPa。在点火之后向料面占比为20％的区域-2喷入等于烧结所需固体化石燃料总热值25％的的微细粒玉米秸秆炭粉，其粒度组成见表1；向料面占比为35％的区域-3喷入浓度为0.9％的天然气；向料面占比为30％的区域-4喷入浓度为0.4％的天然气；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)
烧结混合料配料方案为：混匀铁矿63.6％、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，点火区域料面占8.5％，烧结负压为-14kPa。所得烧结矿产量、质量指标如表2所示。
对比例2
烧结混合料配料方案为：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％，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，点火区域料面占比12％，烧结负压为-14kPa。区域-2料面占比为18％，不喷加玉米秸秆碳粉；向料面占比为30％的区域-3喷入浓度为1.0％的天然气；向料面占比为40％的区域-4喷入浓度为0.3％的天然气；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。本对比例延长了点火时间，在点火后的区域-2没有喷吹微细粒玉米秸秆炭粉，对于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
烧结混合料配料方案为：混匀铁矿64.0％、白云石2.3％、石灰石1.5％、生石灰4.0％、返矿24.7％、焦粉3.5％，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，点火区域料面占比8.5％，烧结负压为-14kPa。在点火之后向料面占比为21.5％的区域-2喷入等于烧结所需固体化石燃料总热值25％的微细粒玉米秸秆炭粉；向料面占比为30％的区域-3和料面占比为40％的区域-4分别喷入浓度为1.0％、0.3％的天然气；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。本对比虽然在区域-2喷吹了生物质炭，并在区域-3、区域-4按照降低浓度的方式喷吹了燃气，但没有延长点火区域占比，对于中上部料层热量的补充效果受到限制，不利于高效降低燃料用量。
对比例4
烧结混合料配料方案为：混匀铁矿63.9％、白云石2.3％、石灰石1.5％、生石灰4.0％、返矿24.7％、焦粉3.8％，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，点火区域料面占比12％，烧结负压为-14kPa。在点火之后向料面占比为18％的区域-2喷入体积百分浓度2.00％的天然气；向料面占比为30％的区域-3和料面占比为40％的区域-4分别喷入浓度为1.0％、0.3％的天然气；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。本对比虽然在区域-3、区域-4按照降低浓度的方式喷吹了燃气，也延长了点火时间，但在区域-2直接喷吹富氢燃气，加剧了料层过湿程度，降低了料层透气性，恶化了烧结产量、质量指标，且节能减排效果较差。
表1玉米秸秆炭的粒度组成
粒级 >200μm 100～200μm <100μm
质量百分比/％ 6.3 11.3 82.4
表2烧结矿产量、质量指标以及污染物减排比例
Figure BDA0003653686350000081

Claims (10)

1.一种基于生物质炭-富氢燃气耦合喷吹的低碳烧结方法，其特征在于：将烧结机的开始点火至烧结终点之间的烧结料料面划分为4个区域，依次记为区域-1、区域-2、区域-3和区域-4，其中，区域-1为点火区，区域-2、区域-3和区域-4均为燃料喷吹区，在区域-2喷吹生物质碳粉，在区域-3和区域-4喷吹富氢燃气，且区域-3中喷吹的富氢燃气浓度高于区域-4中的富氢燃气。
2.根据权利要求1所述的一种基于生物质炭-富氢燃气耦合喷吹的低碳烧结方法，其特征在于：区域-1、区域-2、区域-3和区域-4的长度分别占整个烧结料料面的10～15％:10～20％:25～40％:25～55％。
3.根据权利要求1所述的一种基于生物质炭-富氢燃气耦合喷吹的低碳烧结方法，其特征在于：所述生物质碳粉的平均粒度小于100微米，且小于100微米的质量百分含量不低于80％，大于200微米的比例不超过10％。
4.根据权利要求3所述的一种基于生物质炭-富氢燃气耦合喷吹的低碳烧结方法，其特征在于：所述生物质炭包括玉米秸秆炭、稻杆炭、麦秆炭、谷壳炭、锯末炭中至少一种。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种基于生物质炭-富氢燃气耦合喷吹的低碳烧结方法，其特征在于：
所述区域-2的烧结料料面温度不低于200℃；
所述区域-2喷吹的生物质碳粉的热值等于该区域中烧结料理论所需固体化石燃料总热值的10～30％。
6.根据权利要求1所述的一种基于生物质炭-富氢燃气耦合喷吹的低碳烧结方法，其特征在于：所述富氢燃气包括天然气、页岩气、焦炉煤气、生物质裂解气中至少一种。
7.根据权利要求1或6所述的一种基于生物质炭-富氢燃气耦合喷吹的低碳烧结方法，其特征在于：所述区域-3中喷吹的富氢燃气的体积浓度为0.6～1.5％。
8.根据权利要求1或6所述的一种基于生物质炭-富氢燃气耦合喷吹的低碳烧结方法，其特征在于：所述区域-4中喷吹的富氢燃气的体积浓度为0.2～0.6％。
9.根据权利要求1所述的一种基于生物质炭-富氢燃气耦合喷吹的低碳烧结方法，其特征在于：所述烧结料中固体化石燃料的配加质量比例为理论量的50％～70％。
10.根据权利要求9所述的一种基于生物质炭-富氢燃气耦合喷吹的低碳烧结方法，其特征在于：所述固体化石燃料包括无烟煤、焦粉、兰炭中至少一种。
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