张超民，耿军亮，辛 渊，刘艳敏，郝 哲
（敬业钢铁有限公司铁前管理中心，河北平山050400）
摘 要：通过烧结杯试验研究生物质炭替代部分无烟煤对烧结矿质量和冶金性能的影响。结果表明：随着生物质炭替代无烟煤比例由0%增加到20%，烧结垂直燃速增加4 .69%，成品率和转鼓强度分别下降2 .60%、3.74%；烧结矿还原度指标提高3.62%，但是低温还原粉化指标降低了4 .24%。在当前条件下，烧结使用生物质炭替代10%无烟煤是可行的，烧结矿质量和冶金性能能够满足高炉生产需要。考虑到烧结体量需求较大，建议生物质炭厂家改进技术提高生物质炭质量和产量。
关键词：生物质炭；烧结杯试验；烧结指标；冶金性能
前 言
钢铁工业是我国国民经济发展的基础产业和支柱产业，也是资源能源密集型产业，能耗高是其典型特点［1］。钢铁生产过程产生的CO2 排放95%以上来自能源消耗，其主要原因是以煤为主的能源结构和以高炉-转炉长流程为主钢铁生产模式［2-3］。随着国家碳达峰碳中和政策的实施，如何有效降低能源消耗是钢铁行业研究的重点课题。
据统计，烧结工序能耗占整个钢铁企业工序能耗的10%～15%，而烧结固体燃料消耗占烧结能耗的75%～80%［4-5］。目前我国铁矿烧结主要采用的燃料有焦粉、无烟煤等化石燃料，其燃烧产生大量 CO2、NOx、二噁英和烟粉尘，因此，开发清洁环保型燃料已经迫在眉睫。
生物质炭是光合作用产生的有机可燃物的总称，是可再生的清洁能源。其来源广泛易获取，主要含有C、H、O 及少量的N 和S 等元素，具有比传统化石燃料更加优良的燃烧特性，其燃烧速度快，可以在短时间内燃烧完全［6-7］。目前国内外许多学者对生物质炭代替部分燃料应用于钢铁行业进行了研究，主要有以下几个方向：用于含碳球团的制备；用于铁矿石的烧结；用于高炉喷吹；与炼焦煤混合制备焦炭等。
罗思义等［8］在球团制备过程中添加生物质炭后，球团孔隙结构变得更发达，可以促进界面反应的进行；甘敏等［9］利用生物质炭作为烧结燃料替代焦粉，可以减少烧结过程中COx、NOx、SOx 的排放；郑伟成等［10］研究发现不同生物质炭的燃烧特征温度不同，但都低于喷吹煤的燃烧特征温度，这说明生物质炭的燃烧反应性优于喷吹煤；英联邦科学和工业研究组织（CSIRO）利用木炭替换烧结混合料中的焦粉在小型烧结杯试验，结果表明，烧结时间减少，生产率提高，烧结强度相应降低［11］。本研究采用生物质炭作为烧结过程的一部分燃料代替无烟煤进行烧结杯试验，研究在当前条件下不同质量分数的生物质炭对烧结过程以及烧结矿冶金性能的影响。
2 试验方案
2.1 试验原料性能
本研究采用的烧结混匀料取自敬业钢铁原料二车间料场大料垛，白灰取自烧结车间配料室，燃料选用无烟煤和生物质炭。生物质炭来自本地某公司生产提供，该生物质炭原料采用树皮、秸秆和锯末等经炭化制成，如图1 所示。
a 干燥前 b 干燥后
图1 干燥前后的生物质炭形貌
混匀料和白灰成分如表1 所示，燃料的化学成分及工业分析结果见表2，燃料灰分的化学组成见表3，燃料粒度组成见表4。
表1 烧结杯试验原料成分（质量分数） %
由表2 可知，从化学成分上看，该生物质炭含碳量较无烟煤低7 .63%，生物质炭热值较无烟煤低6.20 kJ/g，而氮元素和硫元素明显较无烟煤含量少，分别比无烟煤低1.13%和0.28%。从工业分析上看，生物质炭的灰分和挥发分分别比无烟煤高2.05%和5 .79%。
表2 燃料化学成分及工业分析
由表3 可知，生物质炭灰分中CaO 和MgO 的总质量分数比SiO2 和Al2O3 的总质量分数高，其灰分呈现碱性；而无烟煤的灰分呈现酸性。并且生物质炭中碱金属钾和钠的含量比无烟煤高6 .73%。
表3 燃料灰成分分析结果 %
表4 燃料粒度组成 %
2.2 燃烧特性分析
本研究利用热重分析方法对生物质炭燃烧性能分析，生物质炭的燃烧转化率和转化速率曲线如图2 所示。可以看出生物质炭的燃烧反应曲线对应的温度区间要低，同时，生物质炭的燃烧速率峰2个，主要原因是生物质炭中挥发分含量较高，挥发分和固定碳的燃烧过程差距较为明显。
图2 生物质炭燃烧转化率曲线燃烧转化速率曲线
2.3 试验方案
采用质量配料法配料进行烧结杯试验，方案1、方案2、方案3 和方案4 通过用生物质炭替代5%、10%、15%和20%的质量分数的无烟煤进行试验并与基准样进行对比，其中生物质炭与无烟
煤采用等热量折算，具体试验方案见表5。烧结杯试验工艺参数：烧结杯Φ320 mm×750 mm，烧结点火温度1 050 ±50 ℃，点火时间为2 min，点火负压为6 kPa，烧结负压控制在13 kPa。烧结废气温度达到最高开始下降时烧结结束，计算垂直燃速、成品率、转鼓强度以及烧结矿中5～10 mm 粒度占比指标完成情况。
表5 烧结杯试验方案 kg
为进一步分析生物质炭对烧结矿冶金性能影响，对各烧结杯方案试验得到的成品烧结矿进行冶金性能试验。
3 试验结果及分析
3.1 生物质炭对烧结指标的影响
烧结杯基准样、方案1、方案2、方案3 和方案4通过用生物质炭分别替代0%、5%、10%、15%和20%的质量分数的无烟煤进行试验结果见表6。
表6 烧结杯试验数据
通过表6 可以看出，随着生物质炭替代无烟煤质量分数由0%增加到20%，烧结杯试验燃烧速度加快，垂直燃速由18.75 mm/min 增大到23.44 mm/ min；烧结矿成品率却下降了2 .60%，转鼓强度同样下降了3.74%；烧结矿粒级5～10 mm 占比由18.79%增大到22 .56%，增加了3 .77%。整体上来分析，使用生物质后烧结速度变快，烧结矿强度和成品率明显下降，同时烧结矿粒级变差。
3.2 生物质炭对烧结矿冶金性能影响
对烧结杯试验基准样、方案1、方案2、方案3 和方案4 得到的成品烧结矿进行冶金性能检测，进一步分析生物质炭对烧结矿冶金性能的影响，结果如表7 所示。
表7 烧结杯烧结矿冶金性能
由表7 基准样、方案1、方案2、方案3 和方案4对比来看，随着生物质炭替代无烟煤比例由0%增加到20%，烧结矿还原性能指数呈上升趋势，还原度增加了3.62%，烧结矿还原性能得到改善。烧结矿荷重软化性能开始软化温度亦呈下降趋势，由1 122.3 ℃下降到1 091.1 ℃，而软化区间由142.3 ℃收窄到93.2 ℃。烧结矿低温还原粉化性能RDI+3 .15 呈下降趋势，由72.55%下降到68.31%，下降了4 .24%；而耐磨指数RDI-0.5 由7 .83%增加到10.22%，增加了2 .35%，低温还原粉化性能指标变差。烧结矿低温还原粉化性能是反映烧结矿在高炉上部还原强度的，是高炉上部透气性的限制性环节。低温还原粉化性能变差容易恶化高炉透气性，引起高炉炉况波动失常［12］。综合考虑烧结矿冶金性能指标来看，烧结生产用生物质炭替代10%无烟煤是可行的，烧结矿质量和冶金性能能够满足高炉生产的需要。
4 结 论
4.1 生物质炭主要含有C、H、O 及少量的N 和S 等元素，具有燃烧速度快，是可再生清洁能源，但碱金属含量高，实际生产中要控制碱金属负荷。
4.2 使用生物质炭替代部分无烟煤进行烧结杯试验，试验表明垂直燃速增加，烧结成品率和转鼓强度分别下降2 .60%和3 .74%，烧结矿5～10 mm 粒级
变差。烧结矿冶金性能结果表明：随着生物质炭替代无烟煤比例从0%增加到20%，烧结矿低温还原粉化性能指标下降4 .24%。综合考虑烧结矿冶金性能指标来看，烧结生产用生物质炭替代10%无烟煤是可行的，烧结矿质量和冶金性能能够满足高炉生产的需要。
4.3 考虑到烧结生产体量需求比较大，而该生物质炭厂家产能有限，建议厂家改进生产工艺提高生物质炭质量和产量。
参考文献：
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