生物质能铁矿烧结的基础研究

摘要

在全球气候变暖、生态环境恶化的时代背景下，钢铁工业节能减排成为当前亟待解决的重点难题。铁矿烧结作为钢铁生产第一道工序，其能耗居钢铁企业第二位，且排放大量含有多种污染物的烟气，是钢铁工业的能耗大户和主要大气污染源。应用清洁可再生的生物质能源替代煤炭类化石燃料进行烧结，其燃烧产生的CO2参与大气碳循环，加之生物质燃料低S、低N的特点，因而可从源头降低烧结CO2、SOx及NOx的产生，对我国钢铁工业的可持续发展和实现“低碳经济”具有重要的意义。
　　本文针对木质炭、秸秆炭、果核炭等三种生物质燃料，系统研究了生物质燃料的物化性能、微观结构特征及热化学行为，揭示了生物质燃料的基础特性;深入研究了生物质燃料对烧结燃烧前沿、燃料燃烧程度、烧结料层热状态等的影响规律，揭示了生物质燃料影响铁矿烧结的机理;在此基础上开发了强化生物质能烧结的关键技术及基于烟气循环的生物质能烧结新工艺，为生物质能成功应用于铁矿烧结提供理论依据和技术支持。
　　(1)生物质燃料的基础特性
　　生物质燃料的灰分低、挥发分高、孔隙率高、比表面积大，决定了其具有良好的燃烧性和反应性:与焦粉相比，生物质燃料燃烧和气化温度低，反应速度快，反应活化能低;三种生物质燃烧性和反应性的顺序为:秸秆炭＞木质炭＞果核炭。
　　(2)生物质影响铁矿烧结的规律和机理
　　生物质能烧结特征表明，随着生物质燃料替代焦粉比例的增加，烧结速度加快，但成品率、转鼓强度和利用系数都呈降低的趋势，三种生物质燃料对烧结过程的影响程度从大到小依次为:秸秆炭＞木质炭＞果核炭，它们替代焦粉的适宜值分别为20％、40％、40％。生物质能烧结实现了污染物减排:秸秆炭、木质炭和果核炭分别取代20％、40％、40％的焦粉时，COx排放分别减少7.19％、18.65％、22.31％，SOx减少31.79％、38.15％、42.77％，NOx减少18.31％、26.76％、30.99％。
　　揭示了生物质影响烧结的机理:生物质燃料燃烧速度快使烧结燃烧前沿速度增加，破坏了燃烧前沿和传热前沿速度的协调性;生物质燃料良好的反应性使烧结过程燃料的不完全燃烧程度增加，降低了燃料的热利用效率;生物质替代焦粉后，烧结料层最高温度降低、高温保持时间缩短。当木质炭替代焦粉比例从0％提高到40％、100％，燃烧前沿速度从34.11 mm/min提高到41.67mm/min、46.90 mm/min，传热前沿速度保持35.71mm/min不变;燃烧比(CO/(CO+CO2)从12.17％提高到13.08％、14.85％;料层最高温度由1305℃下降到1255℃、1178℃，高温保持时间由2.67min下降到1.83min、0min。
　　(3)强化生物质能烧结的关键技术
　　研究了生物质燃料制备、生物质燃料改性、燃料预制粒、优化配矿等技术强化生物质能烧结。通过两段炭化工艺制备木质炭、果核炭，成型预处理-两段炭化制备秸秆炭，降低了生物质燃料的孔隙率和比表面积;采用液态的硼酸和硅溶胶、固体粉末硼砂和SiO2钝化木质炭，降低反应表面积或起物理阻隔作用，都可使生物质燃烧性和反应性降低;采用预制粒技术控制生物质燃料分布在制粒小球内部，通过改善其二次燃烧的条件而提高生物质完全燃烧的程度;通过优化配矿，调控烧结矿熔融区的CaO/Fe2O3摩尔比、SiO2含量、Al2O3含量和MgO含量等化学成分，提高了熔融区液相生成量和针柱状铁酸钙生成量，使烧结物料在较低温度下快速成矿而适合生物质烧结料层温度低、高温时间短的特点。在秸秆炭、木质炭、果核炭分别替代20％、40％、40％焦粉的条件下，上述关键技术都使烧结矿产量和质量不受影响。
　　(4)基于烟气循环的生物质能烧结新工艺
　　依据生物质能烧结和烟气循环烧结对燃料燃烧、料层传热的互补性，提出基于烟气循环的生物质能烧结新工艺。在循环烟气中O2含量15％、CO26％、H2O(g)低于8％、热风温度150～250℃的条件下，燃烧前沿速度和传热前沿速度趋于一致，并且CO在料层中二次燃烧及烟气带入的物理热使料层温度提高、高温保持时间延长;在非选择性循环比例40％、面积覆盖比为100％，以及选择性循环比例40％、面积覆盖比为44.5％的工艺条件下，生物质替代40％焦粉的烧结指标与100％焦粉的指标相当;生物质能与烟气循环相结合可起到协同减排的作用，在生物质替代40％焦粉的条件下，两种循环方式分别降低COx排放30.04％和31.78％，SOx41.04％和44.51％，NOx42.25％和45.07％。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 钢铁工业的发展现状

1．2 铁矿石烧结现状

1．2．1 烧结发展概况

1．2．2 烧结能耗现状

1．2．3 烧结烟气污染物的排放现状

1．3 烧结节能减排研究现状

1．3．1 烧结节能技术

1．3．2 烧结污染物减排技术

1．3．3 节能减排存在问题

1．4 生物质能铁矿烧结的研究现状

1．4．1 生物质能资源现状

1．4．2 生物质能烧结研究进展

1．5 论文的提出及研究思路

第二章 烧结原料性能及试验方法

2．1 原料性能

2．1．1 铁矿石

2．1．2 固体燃料

2．1．3 熔剂及返矿

2．2 研究方法

2．2．1 燃料燃烧性、反应性研究

2．2．2 燃烧前沿和传热前沿检测

2．2．3 成矿性能研究

2．2．4 微观结构检测

2．2．5 烧结杯试验

第三章 生物质能对铁矿烧结的影响规律及机理

3．1 引言

3．2 生物质的结构特征

3．3 生物质的热化学行为

3．3．1 燃烧性

3．3．2 反应性

3．4 生物质影响烧结指标的规律

3．5 生物质影响铁矿烧结的机理

3．5．1 对燃烧前沿的影响

3．5．2 对燃料燃烧程度的影响

3．5．3 对燃烧带气氛的影响

3．5．4 对料层温度的影响

3．5．5 对烧结矿矿物组成和微观结构的影响

3．6 生物质对烧结污染物排放的影响

3．7 本章小结

第四章 强化生物质能铁矿烧结的研究

4．1 引言

4．2 强化生物质燃料的制备技术

4．2．1 优化炭化工艺

4．2．2 成型预处理

4．3 生物质改性处理技术

4．3．1 钝化处理对生物质热化学性质的影响

4．3．2 生物质钝化对烧结的影响

4．4 燃料预制粒技术

4．4．1 燃料分布对燃烧的影响

4．4．2 燃料分布对烧结的影响

4．5 优化配矿技术

4．5．1 优化配矿原理

4．5．2 化学成分对熔融区成矿的影响

4．5．2 基于低温成矿的优化配矿计算方法

4．5．3 优化配矿强化生物质能烧结

4．6 强化技术评价

4．7 本章小结

第五章 基于烟气循环的生物质能烧结的研究

5．1 引言

5．2 烧结烟气特征

5．3 烟气性质对生物质能烧结的影响

5．3．1 循环烟气O2含量对烧结的影响

5．3．2 循环烟气CO2含量对烧结的影响

5．3．3 循环烟气CO含量对烧结的影响

5．3．4 循环烟气H2O(g)含量对烧结的影响

5．3．5 循环烟气温度对烧结的影响

5．4 烟气循环方式对生物质能烧结的影响

5．4．1 对烟气性质的影响

5．4．2 对烧结指标的影响

5．4．3 对烧结矿化学成分的影响

5．4．3 烟气循环强化生物质能烧结的机理

5．5 烟气循环与生物质结合对污染物排放的影响

5．6 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果