周林¹，罗川²， 张炯¹

( 1 山钢股份莱芜分公司技术中心，山东莱芜271104；2莱钢集团银山型钢有限公司炼铁厂，山东莱芜271104)

摘要：兰炭末作为一种洁净燃料，质优价廉。通过烧结杯试验对兰炭末用于烧结生产进行试验研究，重点探索兰炭末在烧结工序配加的工艺控制。试验结果表明:在适当的配加比例下, 兰炭末用于烧结不会对生产造成很大影响，通过适当调整烧结燃料比，兰炭末使用量可以逐步提高。

关键词：烧结试验；兰炭末； 替代比例；吨矿成本

1 前言

近年来，随着钢铁去产能政策的逐步实施，钢铁产业利润空间有所好转，但铁矿石及燃料价格的不断上涨及环保成本的增加，又使利润空间进一步压缩。燃料成本占炼铁成本1/3左右，因此，降低炼铁燃料成本对于提高钢铁企业利润有着较大的实际意义。兰炭是煤转换的产品，煤在干傯过程中，大部分挥发分(主要包含有NO_x和SO_x)硫、磷等杂原子和水分释放出来。兰炭作为一种环保燃料，反应性能、气化性能、燃烧性能均好于焦粉和无烟煤^[1]；固定碳含量不及焦粉，与无烟煤差别不大。但兰炭末相较于焦粉及无烟煤价格低廉，如果能将其应用于铁矿烧结代替无烟煤或焦粉，则可在一定程度上降低炼铁成本，此外还对节约能源、降低有害物质排放量和保护环境十分重要。探索兰炭在钢铁行业铁前工序配加的工艺控制，对降低钢铁企业炼铁生产成本有着重要意义。

2 试验原燃料性能分析

本试验采用的含铁混匀料、返矿、石灰石、白云石、生石灰、焦粉、无烟煤等均取自莱钢炼铁厂烧结配料室，兰炭末从神木兰炭末厂购买。各类原燃料成分见表1。从表1可以看出，兰炭末的N含量低于焦粉和无烟煤，比无烟煤低38% ，是一种洁净燃料。已有研究表明烧结烟气的氮氧化物95% 为燃料型NO_x，90 % 来源于烧结燃料燃烧产生^[2]。所以控制烧结所用燃料的N含量可以有效减少NO_x排放量。使用N含量低的兰炭末替代无烟煤或焦粉对于目前尚未增加脱硝工序的烧结烟气排放达标要求不失为一种有效方法。

从表1 还可以看出兰炭末的水分比焦粉高出3.5%，灰分、固定碳均低于焦粉，挥发分比焦粉高出了近6 % ，高出无烟煤约2 % 。相比无烟煤及焦粉，兰炭末的灰分和固定炭含量符合烧结燃料的指标要求，而水分和挥发分偏高。

烧结过程中，影响燃烧速度的因素很多，如燃料的粒度、燃料的反应性以及燃烧条件。其中，过粗或者过细的粒度都不利于烧结的正常运行，过粗会导致燃烧带过宽;过细会导致透气性差，从而影响烧结矿的质量。为了能够完全利用燃料燃烧所放出来的热量，提高燃料的燃烧率，则需选择合适的燃料粒度，焦粉、无烟煤和兰炭末的粒度筛分结果见表2。

一般认为< 3 mm粒度级占70 % 为宜。试验用兰炭末< 3 mm粒度级与要求的粒度比较接近。与焦粉及无烟煤相比，粒度略粗，但由于兰炭末反应性强，燃烧速度快，细粒度过多会导致燃烧速度更快，所以兰炭末不需破碎就可以用于烧结。

3 烧结试验及结果分析

3 .1 试验方案设计

本方案共进行4 系列试验。第1 系列主体验证相同燃料比条件下，兰炭末替代焦粉不同比例对烧结生产的影响，替代比例选取30%、40 % 、50 % ；第4 系列进行兰烧结生产的影响，替代比例选取20 %、30 % 、40 % 、50 %；第2 系列，进行全兰炭末烧结试验，验证不同燃料比下烧结性能影响，直至达到基准试验效果；第3 系列，根据全兰炭末烧结的结果，验证提高燃烧比后，兰炭末替代焦粉比例变化对烧结生产的影炭末替代无烟煤比例变化对烧结生产的影响，替代比例选取30%、40 % 、50 % 。

通过烧结杯试验，对兰炭末用于铁矿烧结生产进行试验研究，对主要烧结参数及烧结矿性能汇总，试验结果列于表3。

3 .2 试验结果分析

3 . 2 . 1 兰灰末替代焦粉对烧结生产的影响

第1系列试验为兰炭末替代焦粉后，对烧结矿生产产质量的影响情况，其结果见图1。

由图la 可以看出，随着兰炭末替代比例的增加，垂直烧结速度及利用系数呈总体上升趋势。当兰炭末替代比例达50 % 时，垂直烧结速度由基准的18.6 mm/min提局至20.51 mm/min，增幅为 10.2%。而烧结矿的产量很大程度上决定于垂直烧结速度当兰炭末替代比例为5 0 % 时，利用系数由1.23 M(m²·h)提高至1.33 t/(m²·h) ，增幅为8.1%。该系列数据说明烧结配加兰炭末替代焦粉，有利于提高烧结产量。

随着兰炭末替代焦粉比例的增加，烧结矿转鼓强度呈现下降趋势，由基准的62.53%下降至替代比例5 0 % 时的60.81%，见图lb。成品率则是先上升随后下降，先由基准的82.37%提升至替代焦粉比例2 0 % 的82.77%，然后下降至替代比例50 % 的80.69%。主要原因可能是:1)兰炭末固定炭含量较焦粉低7 %，随着兰炭末的增加，烧结热量逐渐下降，烧结过程中生成的液相量降低；2)随着兰炭末的增加，燃料燃烧速度加快，进一步造成燃料燃烧速度与传热速度不匹配，自动蓄热作用减弱。不过当兰炭末替代焦粉为20 % 时，转鼓强度只是略低于基准0.6%，成品率上升0.4%，不会引起烧结生产的大幅波动。

3 . 2 . 2 全兰炭末烧结对烧结生产的影响

通过第1系列试验结果可以知道，兰炭末与焦粉相比热量较低，若想提高兰炭末的使用量，可以通过提高烧结燃料比来增加烧结料层的热量，达到满足烧结生产的目的。第2 系列试验逐步提高烧结燃料比来了解全兰炭末用于烧结对烧结生产的影响，其结果见图2。

从图2a可看出，相同燃料比下,全兰炭末烧结可以大幅提高垂直烧结速度。当燃料比为4.71%时达到最高值24.24 mm/min，相比基准的18.60 mm/min增幅为30.3%；随着燃料比的继续提高至4.86%，垂直烧结速度下降至22.86 mm/min。影响垂直烧结速度的主要因素为料层中燃料的燃烧速度与传热速度。其中，燃烧速度主要取决于燃料自身的燃烧性，兰炭末相比焦粉反应性强，燃烧速度快，所以随着兰炭末配加量的增加，垂直烧结速度加快，当燃料比为4.71%时达到最大;进一步增加燃料比至4.86%时，垂直烧结速度下降，是因燃料增加，料层液相量增多，料层透气性魏传热速度减缓。从图2b可以看出，在相同燃料比情况下，以兰炭末为燃料烧结矿的转鼓强度及成品率均有一定下降。随着燃料比提高至4.71%,烧结矿成品率上升至与基准焦粉同一水平，转鼓强度变化不大；进一步将燃料比提高至4.86%,烧结矿转鼓强度超过4.61%焦粉的水平。

通过试验可以推断，若以1 0 0 % 兰炭末作为燃料用于烧结生产，需提高燃料配比才能达到生产要求。但是兰炭末反应性强，燃烧速度较快，导致其X才燃料粒度、水分和负压等烧结参数较为敏感，生产配用时需审慎、及时地调节工艺参数，确保生产过程和烧结矿质量稳定。

3 . 2 . 3 相同燃料结构燃料比变化对烧结的影响

从2 系列试验结果分析,使用当前的兰炭末烧结需提高兰炭末的配加量才能保证烧结矿的质量。燃料比变化对烧结过程的影响见图3。

从图3a可以看出，随着兰炭末配加量的增加，烧结混合料燃料比增加后，垂直烧结速度明显増快，由基准的18.6 mm/min增至燃料比为4 . 7 8 %兰炭末比例为5 0 % 的21.05 mm/min，增幅为13.2%。当燃料结构相同时，燃料比的提高有助于料层温度的提升，生成液相量增多，烧结矿产质量均有所提高，烧结利用系数提升明显，由基准的1.23 1/(m² •h)增加至燃料比为4 . 7 8 %兰炭末比例为50 %的 1.38 t/(m²·h)，增幅为 12.2%。从图3b可以看出，随着烧结混合料燃料比的增加，烧结矿转鼓强度呈现上升趋势，相比基准都有不同程度的提高；烧结成品率先降后升，当燃料比达到4.78%时，超过基准。燃料比的提高有助于料层温度的提升，生成液相量增多，烧结矿质量有了保证。说明用兰炭末替代焦炭作烧结燃料生产烧结矿，采用适当增加燃料配比等技术措施后，烧结矿的生产指标和冶金性能均能够达到用焦粉生产烧结矿时的水平。

3 . 2 . 4 兰炭末替代无烟煤对烧结生产的影响

莱钢烧结生产主要使用焦粉，不足部分由无烟煤补充，为了充分了解兰炭末用于铁矿烧结的效果，进行了兰炭末替代无烟煤的试验，其结果见图4。兰炭末替代部分无烟煤结果与替代焦粉类似，垂直烧结速度及利用系数，随替代比例的提高基本呈上升趋势。烧结矿转鼓强度及成品率先增加，在替代比例为30 % 达到最高，随后逐步下降。兰炭末替代无烟煤比例达40 % ，烧结矿的转鼓强度相对基准试验有所下降;当兰炭末比例达到50% 时，各项指标都有恶化，需要继续提高燃料比才能保证烧结矿质量。

3 .3 经济效益分析

由于兰炭末用于烧结在燃料比不提高的情况下最多能替代焦粉20 % 或者30 % 的无烟煤,故当兰炭末与无烟煤有差价就会产生效益，按每吨差价200元/t计算，当用兰炭末替代30 % 的无烟煤用于烧结生产，可以降低烧结矿成本约3.1元/t。烧结生产配加兰炭末可以提高垂直烧结速度，提高烧结机利用系数，提高烧结矿产量，降低烧结矿生产固定成本，以目前烧结矿生产固定成本40元/t矿计算，当兰炭末替代无烟煤比例为30 % 时，利用系数由0.97 t/(m²·h)提高至1.02 t/(m²·h) ，可以降低吨矿成本1.9元/t。兰炭末氮含量比无烟煤低35 % ，根据《环境统计手册》燃料燃烧产生的氮氧化物量计算公式计算，当使用3 0 % 的兰炭末替代无烟煤用于烧结时可以降低烧结烟气中氮氧化物30 mg/m³左右；按最新环保税征收标准每氮氧化物当量6 元计算，可以减少环保税缴纳折合烧结矿成本0.68元/t。

4 结语

通过对兰炭末和原燃料的物理化学性能进行试验，当烧结混合料配比固定不变，燃料的配加种类以及配比变化时进行高碱度烧结矿的烧结杯烧结试验，对所得烧结矿的粒度组成、转鼓强度的检测和评价，得出如下结论：

1) 在烧结过程中利用兰炭末替代焦炭或无烟煤作为烧结燃料是可行的，而且有利于垂直烧结速度的提高,提升烧结生产效率。

2) 在相同燃料比4.61%条件下，兰炭末替代焦粉比例20 %，各项指标满足烧结生产要求。如维系烧结矿质量不降低，当将燃料比由基准4.61%提高至4.7 1 %时，兰炭末替代焦粉比例可达4 0 %；燃料比继续提高至4.7 8 %时，兰炭末替代焦粉比例可达50 % 。

3 ) 兰炭末反应性强，燃烧速度快，对烧结生产控制因素比较敏感，生产配用时需审慎、及时地调节工艺参数，确保生产过程和烧结矿质量稳定。若以100 % 兰炭末作为烧结燃料，需将燃料比由基准4.61%提高至4.86%方能满足烧结矿质量要求。

4 ) 兰炭末替代无烟煤最大可达3 0 %，增加燃料比可以提高兰炭末取代无烟煤的比例。

参考文献：

[1 ] 候吉礼，尚文智,刘军利，等.兰炭(半焦)替代原煤清洁燃烧的排放对比研究[J ].煤炭技术,2016,35 ( 8): 293-295.

[ 2 ] 朱延钰，刘青，李玉然，等.钢铁烧结烟气多污染物的排放特征及控制技术[J].科技导报，2014(33) :53-58.