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铁矿烧结过程温室气体COx排放规律的基础研究朱德庆，何奥平，潘建，李建，徐小锋，王志远（中南大学资源与生物加工学院钢铁系，湖南长沙，410083）摘要：温室效应使全球变暖，对人类社会和经济发展已造成极大的影响。钢铁工业是温室气体COx排放大户，生产每吨钢排放CO2约为1.5～2.0吨，而烧结排放量又占钢铁的10％左右。本试验首次详细地对烧结生产过程温室气体COx排放规律进行了研究，试验结果表明：烧结过程温室气体COX排放变化情况能够很好的反映烧结过程燃料的燃烧状况，证明烧结过程焦粉的燃烧是以生成CO2为主，但仍有部分CO的未完全燃烧反应存在。用CO2浓度值降为零值时刻的点来确定烧结终点比用废气温度最高点值来判断更准确。焦粉配比和碱度对于烧结过程燃料燃烧的影响也可以很好地从温室气体COX的排放情况表现出来，而且，通过判断燃料燃烧状况，可以推断出烧结矿产质量的优劣，指导烧结生产。关键词：温室效应，烧结，温室气体COx排放，烧结终点，焦粉配比，碱度。BACKGROUNDRESEARCHOFGREENHOUSEGASCOXEMISSIONSINSINTERINGZhuDe-qingetal.(DepartmentofIronandSteel,CentralSouthUniversity,Changsha,410083,PRC)Abstract:Thegreenhouseeffectmadetheglobewarmer,andithadaffectedonhumansocietyandeconomicaldevelopment.Thepresentemissionsofgreenhousegasoriginatedfromironandsteelindustrywaslargeness,especiallyfromsinteringsection.Firstlyanddetailedlyresearchedthecharacteristicsofgreenhousegasinsinteringinthisstudy.TheresultindicatedthatwecouldbetteranalysisthecombustionconditionsintermsoftheemissionsofgreenhousegasCOXofsintering,whichprovedthatusingthetimeofCO2decreasingtozerojudgedtheend-pointofsinteringwasmorenicety.Thedosageofcokeandbasicityallaffectedcokecombustion,whichcouldwellreflectbytheemissionsofgreenhousegasCOXofsintering.Andfromitcouldapproximatelyconcludethequalityofsinter.Keywords:greenhouseeffect;sintering;carbondioxide;end-pointofsintering;dosageofcoke;basicity.大气中有些微量气体，如水气、CO2、N2O、CH4等能够使太阳短波辐射的某些波段透过，达到地面，从而使近地面层变暖，又能使地面放射的长波辐射返回到地球表面，从而继续保持地面的温度。人们把大气中微量气体的这种作用称为大气中的温室效应，而把具有这种温室效应的微量气体称为“温室气体”,其中主要指CO2。自从工业革命（1750年）以来，人类由于使用煤炭、石油和天然气等化石燃料,以及加速毁林和破坏草原，大气中温室气体CO2的浓度由270ppm增加到400ppm,全球年平均气温增加0.3-0.6℃。全球变暖对水循环、农业生产造成极大危害，在一些农业生产脆弱区，虫害增加和干旱可能造成粮食减产，从而改变粮食贸易格局。另外，全球变暖及相应的一系列气候变化，对人类健康也会有直接或间接的影响[1-3]。钢铁生产是燃耗大户，煤炭用量占我国能源总用量的70％以上，排放的温室气体主要是CO2，其排放量占总有害气体排放量的98％[4]。CO2的排放量与燃料中固体碳的含量及含碳燃料的用量成正比关系，燃料中含碳量越高，燃料用量越大，则CO2的排放量也就越大。2003年我国钢铁产量已达到2.2亿吨，总的CO2排放量是4.0亿吨左右，而烧结矿产量约为2.71课题来源:国家自然科学基金项目：《烧结烟气SO2、NOX、CO2减量化排放基础理论与应用研究》(50274072)作者简介：朱德庆（1964－），男，湖南安乡人，中南大学教授、博导，从事烧结球团、资源综合利用与环保的研究。论文联系人：朱德庆；电话：0731－8836942（O）；E－mail:dqzhu@mail.csu.edu.cn亿吨,CO2排放量占钢铁工业10％左右，故降低烧结生产过程CO2排放量也将成为我国环境保护亟待解决的问题之一【5-9】。烧结生产产生的温室气体主要来源于点火时煤气燃烧和烧结时固体燃料焦粉燃烧生成的CO和CO2，研究烧结生产过程温室气体COx排放的规律一方面是考查燃料燃烧状况的一种基本手段，另一方面为探讨采取措施使燃料充分燃烧及充分利用燃烧热降低烧结燃耗，实现烧结过程催化燃烧，减少温室气体COx的排放量打开一种新的思路，为推动绿色烧结生产，节约生产成本，保护环境有着重大意义。1原料性能及研究方法1.1原料性能本试验用含铁原料为HIM、CVRD、YD、HIA粉矿和CVRDP球团粉，除YD铁品位较低为57.61％，SiO2含量为5.06％外，其它都是典型的高铁低硅料，TFe在62％以上，SiO2含量小于4.0％，CVRDP球团粉的TFe甚至达到了68.02％，SiO2含量只有1.38％（见表1）。四种熔剂为生石灰、白云石、蛇纹石和石灰石，以及固体燃料焦粉。这些原料粒度粗细搭配适中（见表2），对于混合料的制粒及保证烧结料层的透气性有好处，也使焦粉的燃烧反应能够得到较好的进行。表1原料化学成分分析/%Table1Thechemiccomponentsofmaterials项目TFeFeOSiO2CaOMgOSPIgHIM62.3/3.590.020.100.0330.0545.03HIA63.560.413.050.140.0810.0240.0733.20YD57.610.245.060.0920.120.0100.04310.18CVRD65.870.243.760.0850.0310.0060.0260.63CVRDP68.020.581.380.0340.0850.0040.0240.64蛇纹石6.252.4737.075.4433.430.0400.02513.09白云石0.96/2.0534.6516.290.0210.01845.18石灰石0.34/1.0054.080.660.0900.00342.76生石灰0.28/2.3173.691.530.0730.00721.49焦粉3.02/6.980.590.160.320.03883.13表2原料粒度组成/%Table2Thegranularitycomposeofmaterials粒级／mm+88~55~33~11~0.50.5~0.224-0.224HIM11.779.5417.5111.9711.1110.2527.85HIA10.7110.6521.3316.8113.249.4617.79YD21.319.5817.9717.9516.709.996.50CVRD8.075.9415.2514.7410.977.4837.56CVRDP0.000.020.160.390.531.1797.73蛇纹石0.490.3017.8635.6627.9311.656.12白云石0.000.254.0915.3512.719.7757.83石灰石0.000.118.2322.1321.6613.5434.33生石灰0.000.002.3113.4618.9714.9750.28焦粉2.114.5317.4717.6116.9413.5827.78研究方法按照铁矿烧结一般工艺流程，选定烧结矿TFe58.8％，SiO2含量为4.4％，混合料水份8.5％，再根据试验需要调碱度或焦粉配比来确定各烧结配矿方案，人工配料混好后再用圆筒混合机制粒3min，然后布在小型烧结杯（Φ100mm，H500mm）上进行烧结，点火制度为：温度1150℃±50℃，时间1.5min，负压5kp；烧结负压10kp，冷却负压5kp，冷却5min。在线用KM9106综合烟气分析仪对烧结点火及烧结生产全过程温室气体COx排放的变化情况及其它烟气成分和烟气温度等进行测定，取样点离烧结杯底部约5m，烧结过程烟气流量为18～45m3/h，管道直径100mm，即烟气从烧结杯底部流经烟气分析仪约需时8～4秒，再到分析仪显示读数约需6～10秒。烧结矿各项产质量指标均按照国家标准进行测定。2试验结果分析与讨论2.1烧结过程温室气体COx排放的变化规律在烧结矿碱度为1.8倍，焦粉配比为4.5％时，烧结过程温室气体COx排放随烧结时间的变化情况如图1所示（烟气温度数据取自烟气分析仪）。图1烧结过程温室气体COX排放随烧结时间的变化情况05101520250.02.55.07.510.012.515.017.520.022.525.0烧结时间/minCO2、CO、O2浓度/%0102030405060708090100烟气温度/℃CO2O2烟气温度CO点火结束烧结终点Fig.1ThechangeofemissionsofgreenhousegasCOXinsinteringwithtime烧结过程是由表层混合料中固体燃料焦粉经点火器点火燃烧后，并借助于抽风使焦粉自上而下连续燃烧进行的，燃烧带温度可达1100℃～1500℃。从固体燃料燃烧热力学来说，固体碳燃烧时主要发生四个反应：2C＋O2＝2CO①；C＋O2＝CO2②；2CO＋O2＝2CO2③；CO2＋C＝2CO④。反应①称为不完全燃烧反应，高温时易进行；反应②称为完全燃烧反应，易发生，受温度影响较少；反应③和反应④都在高温下正向进行，低温下向逆向进行[10]。因此，整个烧结过程就可以通过考查烟气中CO2和CO的浓度变化情况来判断烧结过程焦粉燃烧是否充分。从图1分析得，烧结过程中排放的烟气中CO2占绝大多数，为14％左右，可见，烧结过程中焦粉燃烧得较好，是以反应②为主，因为燃烧带较薄，烟气经过预热层时温度很快下降，反应①受到限制，进而反应③也受限。但是烟气中仍然有少量CO存在，为2％左右，可知不完全燃烧反应仍在进行。这也就说明烧结过程中的固体燃料没有得到充分利用，还有节能的潜力。从烟气中O2浓度变化的曲线来看，在烧结过程中始终有剩余的O2，为10％左右，可见CO未充分燃烧并不是因为缺氧，而是说明氧与燃料的接触不是很好，这主要是由碳的燃烧机理决定的（见图2），在低温800℃时焦粉开始燃烧，燃烧反应受氧化反应控制，随着温度升高，氧化反应越快，故900℃时反应产生的CO2量明显增加，而CO的量减少。当温度达到1000℃后，反应转变为以扩散控制，故使燃烧速度减慢，CO2和CO的量都减少。当温度再升高到1200℃时，CO2的还原速度加快，使得燃烧速度也随之加快，CO2和CO的量又有上升。当温度再升高时，燃烧速度将又会转而由扩散控制。烧结过程在点火后不到一分钟，料层温度升高到1200℃～1350℃，故其燃烧反应基本上是在扩散区内进行，因此，从烧结过程排放的CO量的多少就能够很好的反应料层透气性，风机风量是否合适。图2焦粉在不同温度下燃烧排放温室气体COX的情况0501001502002503003504004508009001000110012001300