钢铁工业烧结过程产生的NOx和CO会对环境造成极大威胁,针对这两种有害气体的同时去除技术具有良好的发展前景.本文制备一种yCu/TixSn1-xO2 催化剂,采用氨选择性催化还原NOx技术(NH3-SCR)协同治理CO,该催化剂对NOx还原和CO氧化都具有较高活性;并通过XRD、XPS、Raman、NH3-TPD、O2-TPD、In-situ DRIFTs等表征方法深入探究NH3-SCR协同氧化CO的反应机理.结果表明:催化剂表面的酸性位点先与NH3 结合形成活性物质,而后与硝酸盐反应,符合Eley-Rideal(E-R)机理;对于CO氧化反应,Cu能提供CO的吸附位点,并与催化剂表面的晶格氧反应生成CO2,其中间产物为碳酸氢盐和碳酸盐,符合MvK机理的反应特征.该催化剂的研发对于烧结烟气超低排放具有重要的工业应用价值.
针对目前冶金行业转底炉工艺中圆筒冷却机无法回收球团显热的问题,本文提出采用在循环流化床锅炉中广泛应用的滚筒冷却机来冷却球团的新方案,并据此建立滚筒冷却机的传热模型,通过计算得到球团终温与冷却水出口温度及冷却机的表观传热系数.结果表明:球团的终温随滚筒转速的升高而降低,随球团流量和冷却水入口温度的升高而升高;冷却水出口温度随金属化球团流量和冷却水入口温度的增大而增大;冷却机的表观传热系数随滚筒转速、球团流量和冷却水入口温度的增大而增大,随冷却水流量的增大而减小.本文引入滚筒冷却机将球团的温度从 1100℃降低至 70℃,同时避免球团内部的氧化问题,符合高温球团的冷却要求,证明了将滚筒冷却机用于转底炉工艺的可行性.
神东高钙烟煤作为一种典型的高挥发分烟煤,过去多被用作电厂火力发电,仅有少部分被用于高炉喷吹.文章通过建立高炉理论燃烧温度计算模型,计算不同喷吹配比条件下神东高钙烟煤对理论燃烧温度的影响,在此基础上进行了神东高钙烟煤高炉喷吹的工业试验.结果表明,喷吹神东高钙烟煤后,高炉风口前理论燃烧温度和煤气量均逐渐增加,其中煤气量的增加主要是由于煤气成分中的H2量的增加导致.工业试验结果说明喷吹神东高钙烟煤后,高炉的各项经济技术指标均得到了明显的改善,证明了神东高钙烟煤应用于高炉喷吹的可行性,为提高神东高钙烟煤在炼铁领域的应用价值,促进高炉炼铁喷吹煤的优化选择提供了重要支撑.
烧结生产具有能耗高、污染物排放量大的特点,是钢铁工业节能减排的重点工序.在国家"双碳"背景下,文章在综述现代烧结企业影响返矿率的主要因素的基础上,重点分析了降低返矿率的技术措施,并对有效降低返矿率的新技术进行了展望.经分析指出:原料条件和化学成分、工艺参数、设备和管理水平等是现阶段影响返矿率的主要因素;目前降低返矿率的技术措施主要包括优化铁矿石原料条件及配矿结构,开发智能配矿技术,优化燃料条件,提高料层厚度、优化工艺参数,以及强化设备管理、降低漏风率等;同时指出加快烧结料面富氢、富氧喷吹技术的研发和推广,进一步开发有效的返矿直接入炉冶炼技术,可以为降低返矿率提供新思路.
针对热风烧结工艺中,热风氧体积分数低导致烧结生产利用系数低、质量指标较差及固体燃料消耗成本升高等问题,文章采用烧结杯试验方法对热风烧结与富氧匹配生产条件下的热风氧体积分数、富氧时间、燃料配比及烟气氧体积分数等进行了优化研究,系统分析了富氧热风烧结对烧结过程的影响,同时对参数优化前后的试验效果进行了测试对比;并以试验结论为基础,在太钢450 m2烧结机上进行了富氧热风烧结工业化实践.结果表明,富氧热风烧结对烧结矿转鼓强度、FeO质量分数等物理化学指标改善明显,返矿率降低,利用系数提高,固体燃料消耗及电能消耗呈下降趋势,达到了优质、高产、低耗的目标.
针对生物质炭比表面积大、孔隙发达,替代化石燃料进行铁矿粉烧结导致的燃烧反应速率过快问题,文章利用 自产烧结烟气与Ca(OH)2溶液对生物质炭进行改性,通过沉淀物CaC03填充生物质炭的孔径,减少比表面积,惰化燃烧反应性,同时利用改性生物质炭和煤基化石燃料共同制备生物质煤焦,保证燃料燃烧集中一致性,以达到提高铁矿粉烧结生物质燃料替代配比的目的.研究结果表明:经烧结烟气和Ca(OH)2改性溶液改性后,生物质炭大部分孔径被填充,比表面积由82.736 m2/g降低至5.229 m2/g,其与煤基化石燃料制备的生物质煤焦燃烧过程是以改性剂阻碍氧化反应为限制性环节,服从反应积分模型公式G(α)=-ln(1-α),反应放热缓慢,放热温度区间在400～760℃之间,接近化石燃料性能,有利于提高铁矿粉烧结生物质燃料添加量.
文章针对石灰回转窑烟气170℃低温SCR脱硝工程实例,系统连续运行6个月,出现脱硝效率下降,催化剂失活现象,为找到失活原因以及解决对策,对催化剂模块进行BET比表面积、铵根质量比、SEM-EDS、XRF检测.SEM照片显示,催化剂外观没有物理性损伤;催化剂BET比表面积下降,表明附着物覆盖了晶体表面孔隙结构;催化剂铵根质量比升高,EDS和XRF检测出催化剂SO3质量分数升高,推断催化剂附着物主要成分为硫铵类物质.催化剂热处理后,BET比表面积升高,证明热处理可以有效去除催化剂表面附着物.此外,文章采用950℃左右高温烟气与170℃左右的石灰回转窑烟气掺混将烟气升温至380℃,对催化剂进行连续48 h热处理.结果表明,热处理能够恢复催化剂脱硝活性,SCR脱硝系统各项指标恢复至正常运行状态,问题得到有效解决.
烧结机头灰的产量大,且含有丰富的钾资源,但成分复杂,碱金属氯盐含量高,是典型的钢铁行业高盐固废.目前国内钢铁厂主要采用直接返烧结的方式处理烧结机头灰,但该方法会导致设备腐蚀、成品矿品位降低等问题.文章以对烧结机头灰处置技术的工业应用和研究方向提出建议为目的,总结现阶段的火法和湿法处置技术,对比不同类型的技术优缺点,分析各技术的研究进展与方向.通过对比火法和湿法处置技术发现:火法处置技术的工艺流程短,操作简单,成本较低;湿法可在实现固废无害化的同时通过废水预处理和资源化手段回收盐产品,更适合现行环保要求和固废物相特征.此外,在总结烧结机头灰的特征与现阶段处置技术的特点后,展望了未来烧结机头灰处置技术的研究方向.
为保证宝山基地高炉渣系流动性、减少高炉硅石配入量,同时合理利用低铁高硅赤铁矿资源、降低球团原料成本,文章探索以高配比低铁高硅赤铁矿生产酸性球团矿的方法,以达到稳定高炉冶炼过程、拓宽球团原料来源的目的;该方法采用高配比赤铁矿的原料结构,通过改变w(SiO2),研究其对球团性能的影响.结果表明:随着w(SiO2)的增加,生球的落下强度改善,但爆裂温度有所降低;适当增加w(SiO2)有利于球团的焙烧性能、还原性和软熔性能,但当其超过7％时,焙烧球团的强度有所下降,球团的还原膨胀率高于20％;随着w(SiO2)的增加,球团矿相中赤铁矿晶体互联程度提高,石英和玻璃体出现的频率增加.在实验室研究结果的基础上开展工业试验,结果表明:以赤铁矿配比50％～80％的原料结构生产w(SiO2)为4.0％～6.0％的酸性球团,生产成本显著下降.
为了彻底解决皮带运输机使用过程中的粘料和落料问题,文章通过深入分析皮带粘料的成因和特点,研究出由"辊刷-剥离鞭-高压气刀"组成的多级耦合皮带清除技术,并开发了包含清洁系统、散料回收系统、智能控制系统的多效耦合智能皮带清洁机.基于仿真和试验研究的方法,验证了高压气刀装置对浆状层的清除效果,明确了当入口压强大于0.7 MPa、喷射距离为5～10 mm、喷射角度为70°,喷孔间距为4.5 mm、高压气刀采用双排错列布置时,在工程运行过程中粘料皮带表面能够获得较好的清除效果.目前,多效耦合智能皮带清洁机已在工程现场运行1年以上,可实现皮带粘料的脱除率90％以上,同时可实现长期有效防粘除粘、清扫回收一体化以及清理过程的无人化.
当前,高炉炼铁所用含铁原料多为高碱度烧结矿、氧化球团矿和天然块矿.然而,随着全球铁矿石资源的日渐消耗和炼铁低碳技术的发展以及高炉炼铁资源高效利用等问题,高炉炉料的配比模式也逐步迈向多元化发展.冷压铁矿球团工艺与常规烧结和球团工艺相比,对原料的适应性强、工艺灵活简单,且可以降低制备过程的能源消耗,不失为高炉含铁炉料的一种补充.文章着重简述了冷压铁矿球团的冶金性能,分析了应用冷压铁矿球团对高炉冶炼的影响以及其节能减排效果.结果表明,冷压铁矿球团的冶金性能可基本满足高炉冶炼的需求,使用此球团生产1 t生铁理论上可减少的CO2排放量约为522 kg.
针对烧结工艺中硫迁移规律不够明晰的问题,文章以华北地区某钢铁企业为研究对象,对烧结工艺的生产数据进行了系统、全面的硫平衡计算分析,表明烧结工艺中硫的主要来源为燃料、混匀矿和返矿,占了硫收入项的87.81％;对烧结过程硫的迁移行为和规律进行了详细分析,发现硫主要以SO2的形式随烧结烟气排出,其余的则以硫酸盐的形式残留于成品烧结矿、返矿、除尘灰中.
含碳球团的强度是制约含碳球团在低碳炼铁领域应用的主要原因之一.文章针对含碳球团强度难以满足装备要求的问题,研究了膨润土、硅酸钠、HPMC等3种黏结剂对冷压含碳球团落下强度和抗压强度的影响,并对黏结剂成球机理及生球微观结构进行分析.研究结果表明:球团强度随着铁矿颗粒粒径降低而降低,随着煤粉颗粒粒径降低而升高;随着膨润土、硅酸钠、HPMC用量的增加,含碳球团的抗压强度及落下强度均表现为升高趋势.对球团的微观结构形貌用SEM分析发现,膨润土在铁矿颗粒表面附着并呈聚集状,而HPMC可浸入铁矿周围或内部,可显著提高含碳球团的落下强度与抗压强度.
铁矿烧结过程会产生大量PM2.5粉尘,其中富含重金属、二(噁)英等有毒物质,既严重污染环境,又危害人体健康,其表面特殊的强疏水性更是严重制约了该类粉尘的高效湿式除尘与有价元素湿法冶金回收.文章详细分析了铁矿烧结粉尘的元素、物相组成与表面润湿性等特征,系统探究了不同类型非离子型表面活性剂对疏水性粉尘的润湿规律,结合FT-IR与XPS表征对非离子型表面活性剂高效润湿铁矿烧结粉尘机理进行初步探明.结果表明:铁矿烧结粉尘的疏水性源自其表面由烷烃链和芳香基组成的疏水外壳;使用非离子表面活性剂聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-405)溶液对疏水性粉尘进行润湿有最好的润湿效果.初步推断该高效润湿界面化学过程:Triton X-405通过其分子中的疏水基与铁矿烧结粉尘颗粒表面的疏水外壳发生吸附,并将其分子中的亲水基如羟基、醚键等引入粉尘表面,以实现强疏水性粉尘的高效润湿.本研究可为铁矿烧结烟尘的粉尘控制与湿法回收提供理论基础.
文章通过研究烧结料层热量产生、消耗、传递、蓄积的规律及影响因素,揭示了能源相态、温度区间及变化梯度、微观气氛与烧结成矿(产、质量)的关系,建立了烧结料层均热数学模型及求解分层补热的数学算法,开发了基于基准配碳加分层补热实现均热低碳富氢烧结的方法,并以中天钢铁原料条件为对象开展了小试试验.试验结果表明:应用分层供热烧结方法后,烧结速度、烧结成品率、转鼓强度、利用系数等指标较基准工况均略微上升,总配碳量从4.00％降至3.25％.
竖冷炉是烧结矿显热竖式回收工艺的核心冷却装置,其炉型结构合理与否对高温烧结矿与冷却风的高效换热具有重要影响.文章在简述该工艺的基础上,从布料方式、炉身尺寸、排料装置和布风制度等方面介绍了竖冷炉炉型结构在工业试验过程中所采取的优化措施;然后从推进烧结矿呈"整体流"流动、烧结矿粒度分级冷却以及强化烧结矿料层中心区供风的角度汇总了一些优化竖冷炉炉型结构的新思路;最后指出竖冷炉炉型结构的优化,要兼顾烧结矿和冷却风的换热和流动,既要保证炉内高温烧结矿和冷却风在炉内分布的均匀性,又要保证烧结矿在炉内下移的顺畅性.
为探究高温烧结矿竖式冷却炉气固逆流冷却换热规律,文章基于欧拉模型和局部非热力学平衡理论,改变单一参数对烧结矿冷却炉换热过程进行研究,并构建㶲效率模型对不同参数变化下竖式冷却炉内传热效果进行评价.研究表明:冷却炉内同一高度下烧结矿温度沿径向整体均呈"M"型分布,冷却风压力沿径向均呈中间高两侧低的"驼峰"型分布,冷却风速沿径向均呈中间高两侧低的"双驼峰"型分布;在炉内换热过程中,当增大气固比、提升冷却段高度、扩大冷却段直径时,冷却效果增强,㶲效率减小,而扩大冷却段直径时,冷却效果降低,㶲效率增大;当增大气固比、提高进口风温、提升冷却段高度时,料层阻力损失增加,而扩大冷却段直径时,料层阻力损失减小.研究结果可为后续确定冷却炉最佳参数提供理论基础.
烧结主抽风系统是烧结工程的核心系统之一.为实现烧结烟气的粗除尘,烧结工程设计需在主排气管下部布置灰箱、双层卸灰阀及粗颗粒粉尘输送皮带等设备,导致烧结厂房整体高度大幅增加,进而增加工程投资.本文从厂房设计角度出发,提出主排气管落地布置的新方案,并讨论新方案对烧结系统设计、工程投资及产量的影响,对烧结工程优化设计有指导意义.结果表明:将主排气管置于地面,在排气管内设置埋刮板输送机,调整烧结卸矿斗和环冷机给料溜槽的高度,可在满足除尘工艺需求的同时将厂房高度整体降低约7m.落地的主排气管采用钢筋混凝土结构取代钢结构后,节省钢筋砼量约为 24.6%,取消主排气管下部的灰箱及双层卸灰阀后,烧结系统漏风率降低3.5%,产量提高约5.4%.新方案的实施可大幅降低工程的投资费用和后期运行费用.
烧结混合料水分控制是烧结矿生产过程中十分重要的环节,其主要存在大滞后、多变量干扰及数据波动等控制难点.本文通过分析烧结混合料加水混合工艺与特点,针对一、二次混合制粒不同的工况条件,提出多级前馈联合周期梯度寻优控制策略,同时结合当前配料成分与透气性指数等关键参数,采用BP神经网络模型预测适合当前烧结的最优水分率,并从连续生产的角度识别停机、开车与模式切换等运行状态,最终替代人工控制实现加水混合全过程自动化.仿真结果和工业应用表明,本文提出的控制方法的性能优于常规PID控制,系统投运后能显著提升烧结自动化水平.
研究铁矿粉制粒性能影响因素的层级结构规律对制粒和烧结生产配矿具有重要意义.本文通过检测 11 种铁矿粉的性能,并分粒级进行制粒试验,分析颗粒间作用力的种类;提出采用黏附指数表征矿粉制粒效果,判断颗粒间作用力相对大小,并分析各因素对颗粒间作用力表达的影响程度.结果表明:铁矿粉制粒过程所受的颗粒间作用力有铁矿粉自身产生的黏性力、分子水和毛细水产生的吸附力、矿石表面棱角产生的阻力 3 种,其中,黏性力大于水吸附力和棱角阻力.有黏性的铁矿粉制粒受以上3 种作用力同时影响,以黏性力作用为主;无黏性的铁矿粉制粒时受铁矿粉水吸附力和表面粗糙度产生的阻力共同作用,黏附指数与成球性指数(采用K表征水吸附力)和大孔孔隙率(采用Dbig表征表面粗糙度产生的力)比值正相关.水分、颗粒黏性、粒级、亲水性和粗糙度是影响颗粒间作用力表达的主因素,主因素对铁矿粉制粒性能的影响强弱具有明显的层级结构.
