周浩宇，王賽輝，甘 敏，李 謙1，，王業(yè)峰1，，劉 前1，，陳思墨1，

（1.國家燒結球團裝備系統(tǒng)工程技術研究中心，湖南 長沙410205；2.中冶長天國際工程有限責任公司，湖南 長沙410205；3.中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙410083）

燒結過程主要是通過焦粉或煤粉的燃燒使得燒結礦熔化并重新結晶的過程[1]。 傳統(tǒng)燒結工藝一般采取高熱值的燃氣或者燃料油進行點火。 但隨著國內大量環(huán)保不達標的焦爐被取締， 可用于燒結點火的高熱值燃氣供應量大幅減少。 與此同時，隨著鋼鐵生產(chǎn)規(guī)模的日益增大， 鋼鐵廠內產(chǎn)生了大量低熱值燃氣（如高爐煤氣），該部分煤氣由于成分雜、熱值低而得不到有效利用被大量外排，據(jù)統(tǒng)計國內某鋼廠一年有近300 萬m3高爐煤氣被點燃外排，在能源浪費的同時造成了嚴重環(huán)境污染。因此， 探索燒結工藝中的低熱值燃氣高效點火技術意義重大[2-3]。

本研究前，業(yè)內專家針對低熱值燃氣雙預熱點火、富氧點火技術和富氧燒結技術做過相關研究[4-8]。 郭佳琪等[9]通過計算對燒結機富氧點火技術進行了技術可行性及經(jīng)濟可行性分析。 韓鳳光等[10]采取富氧方式對鐵礦石燒結過程進行試驗研究，觀察富氧后燒結固體燃料消耗、成品率、利用系數(shù)、冶金性能及礦相顯微結構等指標的變化情況。 劉曉文等[11]根據(jù)不同氧氣流通量進行鐵礦粉富氧燒結試驗研究，結合廢氣溫度、收縮率、燒結速度等參數(shù)及燒結礦的顯微礦相分析結果，研究不同富氧量對燒結礦的成品率、利用系數(shù)、轉鼓強度、粒度組成等綜合性能的影響。 劉東岳等[12]在燒結機上利用高爐煤氣燃燒完成高爐煤氣、助燃空氣雙預熱，用于燒結機點火，取得了一定的節(jié)能效果。 以上研究均只考慮了富氧濃度對燒結過程的影響。 在實際燒結點火過程中，多種因素相互影響、相互作用，關于富氧空氣的相關指標有空氣過剩系數(shù)、富氧濃度、空氣預熱溫度等，僅考慮單一濃度因素不夠全面。

由此，本文通過開展多組燒結杯試驗，研究了低熱值燃氣點火過程中空氣過剩系數(shù)、 富氧濃度以及空氣預熱溫度對燒結指標的影響規(guī)律， 并開展了三因素三水平正交試驗，探究了多因素協(xié)同作用結果。以探究多因素富氧預熱點火規(guī)律、 提高點火效率為目標， 期望為鐵礦燒結低熱值高效點火方案的設計制定提供理論支持。

1 原料條件及試驗方法

1.1 試驗原料

試驗過程使用的原料為巴西CSN 燒結試驗原料，包括鐵礦石（CSF：一種鏡鐵礦）、石灰石、生石灰、白云石、焦粉（湘鋼）和返礦，混合料按照二元堿度1.95 進行配礦。 原料的化學成分分析結果見表1，原料配比見表2。

表1 燒結原料化學成分分析結果 （%）

表2 點火燒結原料配比 （%）

1.2 試驗裝置

本文的所有試驗均在自行設計的燒結杯試驗平臺上開展，燒結杯平臺如圖1 所示，主要包括配氣系統(tǒng)、混合預熱系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、料層測溫系統(tǒng)與燒結杯本體系統(tǒng)。 燒結杯的高度為700 mm，直徑為180 mm，可以模擬實際燒結生產(chǎn)過程，且沿杯體高度方向配置了料層測溫系統(tǒng)， 采用上海輝宇電熱電器公司生產(chǎn)的S 型鉑銠熱電偶實時監(jiān)測料層溫度變化，精度±1.5 ℃。 配氣系統(tǒng)主要是由風機和O2鋼瓶組成，鋼瓶氣的氣體純度為99.99%，試驗中按照所需富氧濃度設計不同的O2流量?；旌项A熱系統(tǒng)采取自行設計的混勻室，外設電輔熱，能在均勻混合空氣與氧氣的同時對混勻氣體進行精準加熱[13]。

圖1 氣體噴吹燒結技術試驗研究裝置示意圖

1.3 試驗方法

燒結試驗過程如下：試驗過程中，按照某實際燒結廠中原料的配比， 采用質量配料法對燒結原料進行配料， 混勻后在轉速為15 r/min 的圓筒混合機中制粒4 min。 隨后，在燒結杯中鋪入1 kg 底料，底料的粒度為10～16 mm、厚度為20～25 mm，將制粒好的燒結原料鋪入裝有底料的燒結杯中。 燒結試驗采用天然氣進行點火，燒結料面在（1050±50） ℃的溫度下點火1.5 min，并保溫0.5 min，點火負壓保持在5 kPa。點火后，表層燒結礦中的固體燃料被點燃，抽風負壓為10 kPa，在抽風的作用下，燃燒帶不斷下移。從點火至燒結廢氣溫度達到最高后開始降溫時所需時間即為燒結時間。當?shù)竭_燒結終點時，抽風負壓調低至5 kPa，冷卻3 min 后卸料，經(jīng)單齒輥破碎機破碎，選用燒結速度、成品率、轉鼓強度、利用系數(shù)等指標評價其產(chǎn)品質量指標，檢測方法均采用ISO-2007等國際和國家通用檢測標準[14]。

2 燒結杯試驗結果及分析

2.1 空氣過剩系數(shù)對點火燒結的影響

圖2 為空氣過剩系數(shù)對點火燒結的影響，其中，高爐煤氣流量為2 m3/h，空氣過剩系數(shù)1.5。 由于高爐煤氣流量為1 m3/h 時燒結過程未點燃， 因此高爐煤氣流量取為2 m3/h，隨空氣過剩系數(shù)的增加，垂直燒結速度、 燒結利用系數(shù)、 燒結成品率先增加后減小， 當空氣過剩系數(shù)為1.5 時分別達到最大值為24.3 mm/min、72.24%、1.42 t/（m2·h）。 這是因為氧氣在初期作為助燃劑使低熱值燃氣點火并形成穩(wěn)定燃燒帶，有利于料層內碳顆粒的點燃，當空氣過剩系數(shù)增加至一定值時，助燃效果達到最大，但空氣過剩系數(shù)繼續(xù)增大時， 過量的低溫空氣又會給點火系統(tǒng)造成一定的熱量損失，因此垂直燒結速度、燒結利用系數(shù)及燒結成品率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢規(guī)律。

圖2 空氣過剩系數(shù)對點火燒結的影響

2.2 空氣預熱溫度對點火燒結的影響

表3 所示為空氣預熱溫度對點火燒結的影響，其中，高爐煤氣流量為1 m3/h，空氣過剩系數(shù)1.5。 從表中可以看出，不進行預熱處理燒結未點燃，隨著空氣預熱溫度的升高，點火最高溫度、廢氣溫度逐漸升高，垂直燒結速度、燒結成品率、燒結轉鼓強度、燒結利用系數(shù)先升高后降低， 當空氣預熱溫度為300 ℃時，垂直燒結速度最高為23.3 mm/min，燒結成品率最高為68.06%，燒結轉鼓強度最高為64.24%，燒結利用系數(shù)最高為1.39 t/（m2·h）。 這是因為在低熱值燃氣下（高爐煤氣流量為1 m3/h）燒結過程處于熱量缺乏的狀態(tài)，燃燒及傳熱速率不匹配，隨著空氣預熱溫度的升高，點火溫度及燒結速度大大增加，因此垂直燒結速度、燒結成品率、燒結轉鼓強度、燒結利用系數(shù)均相應升高，但空氣預熱溫度過高時，在同等標況供風量不變條件下工況體積變大導致單位體積內的氧原子密度變小， 進而對燒結料層內碳顆粒著火燃燒形成負面影響，導致垂直燒結速度、燒結利用系數(shù)及燒結成品率下降。

表3 空氣預熱溫度對點火燒結的影響

2.3 富氧濃度對點火燒結的影響

表4 所示為富氧濃度對點火燒結的影響，其中，高爐煤氣流量為1 m3/h，空氣過剩系數(shù)1.5。從表中可以看出，隨著富氧濃度的升高，點火最高溫度、廢氣溫度逐漸升高，垂直燒結速度、燒結成品率、燒結轉鼓強度、 燒結利用系數(shù)先升高后降低， 當富氧濃度為50%時，垂直燒結速度最高為24.3 mm/min，燒結成品率最高為68.92%， 燒結轉鼓強度最高為66.62%，燒結利用系數(shù)最高為1.39 t/（m2·h）。 這是因為隨著富氧濃度的增加，N2的減少有效降低了燒結過程中的熱量損失，同時氧氣與燃氣間的反應速率及反應活性大大增加，傳熱效果得到增強，使得燒結相關指標都有所改善，但氧氣濃度過高時，碳顆粒燃燒速率顯著快于料層內傳熱速率， 導致熱量不能及時向下傳遞，頂部燒結礦過融板結造成抽風受阻， 造成垂直燒結速度、燒結利用系數(shù)及燒結成品率明顯下降[15-16]。

表4 富氧濃度對點火燒結的影響

2.4 正交試驗

以上試驗工況均為控制單一變量， 在實際燒結點火過程中，幾種因素相互作用、相互影響，通常多種因素都在一定范圍內同步變化。為此，作者開展了三因素三水平正交試驗， 研究了空氣過剩系數(shù)（A）、富氧濃度（B）和空氣預熱溫度（C）對低熱值燃氣燒結點火過程中的點火最高溫度、垂直燒結速度、廢氣最高點溫度、燒結成品率、燒結轉鼓強度及燒結利用系數(shù)的影響規(guī)律。其中，各因素的選擇均以工程實際為基準，具體因素水平選取值見表5，正交試驗方案及結果見表6。

表5 因素水平

表6 正交試驗方案及結果

表7 為正交試驗的極差分析表， 獲得了空氣過剩系數(shù)、 富氧濃度和空氣預熱溫度對不同指標的影響大小及最優(yōu)水平，分析如下：各因素對垂直燒結速度、燒結成品率、燒結轉鼓強度及燒結利用系數(shù)的影響作用大小為： 富氧濃度＞空氣預熱溫度＞空氣過剩系數(shù)。 在正交試驗研究范圍內，隨著富氧濃度增加，垂直燒結速度、燒結成品率、燒結轉鼓強度及燒結利用系數(shù)先升高后降低， 且均在氧氣濃度為50%時取得最大值；隨著空氣預熱溫度增加，垂直燒結速度、燒結成品率、 燒結轉鼓強度及燒結利用系數(shù)先升高后降低， 且均在空氣預熱溫度為400 ℃時取得最大值；空氣過剩系數(shù)對各指標的影響作用最小，其值為1.6 時垂直燒結速度最快， 其值為1.4 時燒結成品率、燒結轉鼓強度及燒結利用系數(shù)最大。通過分析以上三種因素對不同燒結指標的影響效果， 得出最優(yōu)水平為A1B2C3，即空氣過剩系數(shù)為1.4，富氧濃度為50%，空氣預熱溫度為400 ℃。

表7 極差分析

3 結論

本文通過燒結杯試驗，研究了空氣過剩系數(shù)、富氧濃度和空氣預熱溫度對燒結低熱值燃料點火過程的影響，同時開展了三因素三水平正交試驗，探究了多因素協(xié)同作用的結果。

（1）隨著空氣過剩系數(shù)的增加，垂直燒結速度、燒結利用系數(shù)及燒結成品率先增加后減小， 當空氣過剩系數(shù)為1.5 時分別達到最大值為24.3 mm/min、72.24%及1.42 t/（m2·h）。

（2）隨著空氣預熱溫度的升高，點火最高溫度、廢氣溫度逐漸升高，垂直燒結速度、燒結成品率、燒結轉鼓強度及燒結利用系數(shù)先升高后降低， 當空氣預熱溫度為300 ℃時， 垂直燒結速度最高為23.3 mm/min，燒結成品率最高為68.06%，燒結轉鼓強度最高為64.24%，燒結利用系數(shù)最高為1.39 t/（m2·h）。

（3）隨著富氧濃度的升高，點火最高溫度及廢氣溫度逐漸降低，垂直燒結速度、燒結成品率、燒結轉鼓強度及燒結利用系數(shù)先升高后降低， 當富氧濃度為50%時，垂直燒結速度最高為24.3 mm/min，燒結成品率最高為68.92%， 燒結轉鼓強度最高為66.62%，燒結利用系數(shù)最高為1.39 t/（m2·h）。

（4）通過正交試驗研究了空氣過剩系數(shù)、富氧濃度和空氣預熱溫度對燒結指標的影響。各因素對垂直燒結速度、燒結成品率、燒結轉鼓強度及燒結利用系數(shù)的影響作用大小為：富氧濃度＞空氣預熱溫度＞空氣過剩系數(shù)。最優(yōu)低熱值燃氣點火工藝參數(shù)為空氣過剩系數(shù)1.4，富氧濃度50%，空氣預熱溫度400 ℃。