烧结过程物质流和能量流分析

收稿日期:2006-12-12　联系人:胡长庆(063009)河北唐山河北理工大学冶金与能源学院基金项目:国家自然科学基金重点项目(No .50334020)烧结过程物质流和能量流分析胡长庆1　张玉柱1　张春霞2(1.河北理工大学冶金与能源学院　2.钢铁研究总院冶金过程工程与环境工程技术中心) 摘　要　采用物质流和能量流分析方法,提出了铁矿粉烧结过程物质流分析的核心问题,对铁素流、碳素流和硫素流的物理化学状态变化、耗散过程及其影响因素等进行了分析。

研究表明:烧结工序铁素流变化主要是矿物形态、结构和冶金性能等的转化;固体燃料是碳素流输入的主要形式,而CO 2则是碳素流输出的主要形式;烧结过程具有脱硫功能,是气化脱硫过程,烟气中SO 2排放是硫素流输出的主要形式,应注意,烧结工序是钢铁制造流程主要的SO 2排放源。

关键词　烧结　物质与能量流分析　节能　SO 2排放 烧结是我国铁矿粉造块的主导生产工艺,是整个钢铁生产流程中重要的一环。

烧结工序的物料处理量在钢铁联合企业中处于第二位,仅次于高炉炼铁,而能源消耗也仅次于炼铁及轧钢而居第三位,是现代钢铁制造流程中物质流、能量流流通量最大的工序之一。

研究烧结过程的物质流、能量流将有利于提高资源、能源利用效率,降低环境负荷,并进一步促进钢铁工业实现生态化转型和可持续发展。

1　研究方法和研究内容1.1　物质流分析方法物质流分析(M aterial Flow Analysis )是在给定的时空系统内对物质流动与储存规律进行评价的一种系统分析方法,现已广泛应用于许多领域,如工业生态学、环境管理与保护、资源管理和废弃物管理,还是生命周期评价、生态平衡、环境影响等研究的基础[1]。

物质流分析是以物质守恒定律为基础,通过对特定系统内的投入与产出进行平衡分析,来描述和模拟系统内物质流动状态和过程,揭示系统行为,从而全面了解物质来源、路径、中间储存和最终散失的信息,以便更好地理解、设计和控制人类社会中的物质。

它有助于提高能源和资源利用效率,控制物质循环,实现环境保护、资源节约和保证可持续发展[1-3]。

1.2　烧结过程物质流分析的核心问题烧结过程是碳素以焦粉、煤粉等固体燃料形式与铁矿粉等混合,经煤气(由碳素转化而来,是碳素流的变形)点火后,经烧结转化为具有一定粒度和良好冶金性能的烧结矿,并排放出CO 、CO 2等气体的生产过程。

烧结工序具有如下功能:(1)细散颗粒铁矿粉的加工处理器:烧结生产将各种粉状含铁原料在燃料燃烧产生的高温和一系列物理化学反应的作用下,通过生成一定数量的液相将矿粉颗粒粘结成多孔块状的烧结矿,同时去除结晶水、二氧化碳和硫等有害杂质;此外,烧结原料中还加入了熔剂,将高炉冶炼必须添加的熔剂及其在高炉内进行的反应移到烧结过程中进行,从而承担部分冶炼任务。

(2)高炉冶炼强化的基础:生产具有高品位、高强度、优良冶金性能、合理碱度的烧结矿,是现代高炉强化冶炼,降低资源、能源消耗的基础。

目前大型高炉多使用碱度在2.0左右的高碱度烧结矿,配加部分球团矿和生矿,使入炉矿品位达到60%左右,3000m 3以上高炉利用系数可达到2.2t /(m 3·d )以上,入炉焦比降低到300kg /t 左右。

(3)含铁废弃物再资源化处理器:烧结生产16烧结球团Sintering and Pelletizing第32卷　第1期2007年2月可回收利用高炉粉尘、转炉粉尘、钢渣、氧化铁皮等厂内固体废弃物,还可以利用化工工业硫酸渣等含铁废弃物。

因此烧结生产具有再资源化功能,可使含铁物料形成有效循环,从而提高资源利用率。

(4)矿物—燃料中硫分的脱除器:烧结过程中,来自于铁矿粉和燃料的硫,在高温、氧化性气氛下,发生分解、氧化和/或燃烧反应,最终大部分以气态SO2的形式被脱除,从而减轻炼铁、炼钢的硫负荷,改善冶炼的技术经济指标。

烧结生产的脱硫率可达到85%左右[4]。

从钢铁制造流程的物质流考察,烧结主要体现为铁素流在碳素流的作用下的加工、处理过程。

由于是“火法预处理”,在此过程中必然产生大量余热,因此,研究烧结过程的物质流,其目的在于以较少的能量消耗生产具有优良冶金性能的烧结矿。

其核心问题是如何控制铁素流在烧结过程中的物理、化学变化和矿物形态改变,以及实现相应能量流耗散最小化和余热回收。

1.3　烧结过程物质流分析的研究对象烧结过程中铁素流是被加工的主体,是粉状含铁物料粘结成多孔块状烧结矿的过程。

碳素流是能量流的主要形式,根据铁素流加工的工艺要求,提供必要的、适当的温度、气氛等条件。

碳素流的转换、耗散关系到能源的转换、利用效率,又关系到温室气体排放。

由于烧结工序是钢铁制造流程SO2排放的重要源头,烧结过程中硫素流影响钢厂的环境负荷。

因此,烧结过程物质流、能量流分析主要涉及铁素流、碳素流和硫素流分析。

2　烧结过程的物质流分析2.1　烧结过程的铁素流分析(1)烧结过程铁素流物理化学变化在烧结过程中,铁氧化物在燃料燃烧所产生的高温和所造成的气氛的作用下,发生分解、还原及再氧化反应,并与其它物料发生固相反应、生成液相及结晶过程。

这些反应的进行将影响烧结矿的矿物组成,从而影响烧结矿的质量。

根据烧结过程的温度水平和气相组成,在烧结预热带和燃烧带,可发生Fe2O3的还原反应;而Fe3O4的还原可在靠近燃料颗粒附近发生。

正常配碳条件下,使用Fe2O3烧结时,Fe2O3先被还原,而后受氧化作用甚至可以回到赤铁矿水平;而使用Fe3O4烧结时,磁铁矿的氧化先在预热带开始进行,然后在不含燃料的燃烧带进行,最后在烧结矿的冷却带进行。

烧结过程中,混合料中的Fe3O4或Fe2O3还原产生的Fe3O4可与SiO2组成铁橄榄石;而Fe2O3可与CaO形成铁酸钙。

(2)烧结过程铁素流分析烧结过程的铁素流从原料的准备开始,需经过混匀、配料、制粒、烧结和烧结矿的破碎、冷却、筛分等成品矿处理过程,其工艺流程如图1所示。

铁素流的耗散发生在原料准备、抽风烧结以及成品矿处理、输送等过程中,主要为粉尘耗散。

其基本分析见图2。

2.2　烧结过程的碳素流、能量流分析(1)烧结过程碳素流的物理化学变化烧结中,碳粒呈分散状分布在料层中,燃烧过程遵循非均相燃烧规律。

可能发生的反应如下:　C+O2=CO2+33411kJ/kg C(1) ΔG=-395350-0.54T　2C+O2=2CO+9797kJ/kgC(2) ΔG=-228800-171.54T　CO2+C=2CO-13816kJ/kgC(3) ΔG=166550-171T　2CO+O2=2CO2+23616kJ/kgC(4) ΔG=-166550+171T在实际烧结过程中易发生反应(1),在高温区有利于反应(2)进行。

由于燃烧带窄,废气经过预热干燥带温度很快下降,所以反应(2)受到限制。

反应(3)的逆反应在烧结过程中能进行,但其反应是受限制的。

反应(4)在烧结过程的低温区易于进行。

所以烧结废气中以CO2为主,只有少量CO。

172007年第1期胡长庆等　烧结过程物质流和能量流分析图1　烧结工艺流程示意图 (2)烧结过程的碳素流烧结混合料中的碳燃烧后最终将转变为CO2、CO,因固体燃料在烧结混合料中的分布状况、烧结工艺等因素的影响,会使部分燃烧不完全,形成烧结粉尘以及存留在烧结矿和返矿中的残碳。

影响固体燃料消耗的主要因素为原料的物理化学性质,包括铁矿粉的种类、铁矿粉的烧结性能等,熔剂用量及其种类,固体燃料的粒度等;还包括混合料的温度、水分及粒度组成、燃料添加方式、烧结料层厚度等工艺参数;另外还有烧结机大小、烧结机漏风率等设备因素等。

烧结过程中,由于料层的“自动蓄热”作用,随烧结过程的进行,烧结料层下部热量逐渐增加,而且料层越厚越显著。

充分利用料层的“自动蓄热”作用,提高料层厚度,并根据烧结料层温度随时间、高度的分布关系,采用双层或多层配碳烧结是减少碳素消耗的重要途径。

(3)点火煤气消耗钢铁联合企业中,烧结生产广泛使用焦炉煤气、高炉煤气作点火燃料。

点火温度在1050～1200℃之间,点火时间一般为1～1.5min。

目前,点火热耗先进水平在25～30MJ/t,最好18烧结球团第32卷　第1期的只有13MJ /t。

图2　烧结过程铁素流示意图[5] (4)烧结过程能量流分析烧结过程的能量收入主要是点火煤气、固体燃料、返矿及粉尘中残碳等燃烧的化学热,还包括各种物料的显热和化学反应热等;能量支出主要是烧结矿和烧结废气带走的物理热,化学不完全燃烧与残碳损失的化学热,蒸发、分解耗热;以及散热损失等[5]。

其能量流分析示意图如图3所示。

(5)余热利用当烧结进行到最后,烟气温度明显上升,机尾风箱排出的废气温度可达300～400℃,含氧量可达18%～20%,这部分废气所含显热占总热耗的20%左右。

从烧结机尾部卸出的烧结矿温度平均为500～800℃,其显热占总热耗的35%～45%,热烧结矿在冷却过程中其显热变为冷却废气显热。

烧结热平衡计算表明,热烧结矿的显热和废气带走的显热约占总支出的60%。

因此,冷却机废气和机尾风箱废气是烧结余热回收的重点。

目前,对烧结机烟气和冷却机废气的余热大多采用余热锅炉来回收,每吨烧结矿余热回收低压蒸汽可达70kg 左右。

图3　烧结能量流分析示意图2.3　烧结过程铁素流、碳素流的相互作用烧结过程中铁素流、碳素流之间存在着相互作用、相互影响。

一方面铁素流是在碳素流转换过程中所产生的高温和气氛条件下被加工的,其间发生铁氧化物的还原、氧化和固相反应、液相生成,体现为不同燃料配比(固体燃料192007年第1期胡长庆等　烧结过程物质流和能量流分析消耗)以及粒度、添加方式等对烧结过程铁素流物质状态、物质性质转变的影响,左右着烧结矿的矿物组成的改变及相应的烧结矿质量和成品率变化;另一方面,烧结原料中铁素流的不同物质性质以及烧结返矿的数量和质量将直接影响碳素流的耗散,表现为含铁原料的不同配比对应的适宜配碳量变化。

烧结过程中铁素流-碳素流相互间的作用、影响主要反映在返矿的数量和质量上。

一方面,烧结返矿时的耗热量比用矿石时小得多,而且混合料的透气性有所增加,料层中的热传导也有所改善,还增加了烧结矿的氧化度,减少了生成一氧化碳的能量损失,在一定范围内,烧结矿返矿的增加可以降低燃料消耗,提高烧结矿的产率和强度;另一方面,由于返矿作为循环物料在烧结过程中要消耗大量的热能,而这部分热能为无效热能,从而使烧结热能消耗增加,产量降低。

据测算,烧结1t 返矿大致需要25kg 标准煤[5]。

2.4　烧结过程硫素流分析烧结生产中硫主要来源于点火煤气、含铁原料和固体燃料。

在烧结过程中,硫化物在不同温度下发生分解和氧化反应,沿料层高度进行再分布。

燃烧带或预热带气化的硫,呈S 、SO 2和SO 3的形态逐渐进入预热带和过湿带,最终大多以SO 2或进一步氧化成SO 3排出,其转化率可达85%左右[5]。