范晓慧-铁矿烧结节能减排新技术(2015)

主讲人：范晓慧教授E-mail：[e-mail]铁矿烧结节能减排新技术二零一五年十一月2015年烧结球团与直接还原研讨会中南大学提纲1.烧结节能减排的意义3.烧结过程NOx生成行为与控制技术5.烧结烟气PM2.5特性与控制方法4.烟气循环烧结新技术2.生物质能烧结新技术在全球变暖、生态环境恶化的时代背景下，烧结节能减排对钢铁工业的可持续发展具有重要意义。烧结能耗现状烧结能耗居钢铁企业第2位；当前重点企业烧结工序能耗为52kgce/t-s、固体燃耗为54kg/t-s。304050607080200020022004200620102014工序能耗或固体燃耗/kgce•t-s-1年份工序能耗固体燃耗清洁生产指标等级国际先进水平国内先进水平国内基本水平工序能耗，kgce/t-s≤47≤51≤55固体燃料能耗，kg/t-s≤40≤43≤471.烧结节能减排的意义烧结清洁生产标准历年烧结工序能耗和固体燃耗烧结烟气粉尘占钢铁工业总排放量的40%以上SOx占60~70%重金属，碱金属，酸性气体等烧结污染物排放现状烧结排放的废气量占钢铁工业总废气量的40%，且烟气中含有多种污染物。COx占10~15%NOx占~48%二恶英、呋喃等高致癌物质1.烧结节能与减排的意义烟气中大部分污染物都未达到国家的排放标准。与国外发达国家的标准相比，减排的压力还更大。烧结污染物排放现状烧结烟气污染物排放标准及现状（单位：mg/m3）污染物中国标准（2012）澳大利亚（2010）中国排放现状一般企业特殊地区粉尘50401050SOx200180200400-1500NOx300300100420-620氟化物4.04.0——二噁英类0.5ng-TEQ/m30.50.1ng-TEQ/m3～1.2ng-TEQ/m31.烧结节能与减排的意义烧结节能减排研究方向—源头、过程和末端治理过程控制通过技术手段降低生产过程中能源消耗和污染物产生工艺优化优化操作参数优化设备、工艺流程低能耗烧结技术低温烧结、厚料层烧结、低硅烧结、均质烧结、复合造块等过程控制NOx、COx、SOx源头控制通过控制烧结原料减少污染物的产生铁矿石选矿除杂和限硫加大选矿深度采用低硫铁矿化石燃料限硫和脱硫物理脱硫、化学脱硫、生物脱硫生物质清洁燃料清洁燃料取代化石能源低氮化石燃料1.烧结节能与减排的意义尾气净化处理技术均呈现出设备投资大、运行成本高、占地空间大等特点。脱硫•工业化程度最高•存在脱硫副产物综合利用问题脱硝•烟气脱硝工艺已进入大规模工业示范阶段二噁英类控制•高度重视但进展较为缓慢石灰石-石膏法、氨法、活性炭吸附法、循环流化床法密相干塔法等选择性催化还原、选择性非催化还原、分子筛、等离子体法等活性炭吸附法、臭氧分解法、生物分解法烧结节能减排研究方向—源头、过程和末端治理多污染物一体化综合治理工艺与技术（烟气循环烧结、PM2.5综合治理）1.烧结节能与减排的意义2.3生物质能烧结强化技术2.2生物质能影响烧结的规律及机理2.1生物质燃料特性2.生物质能烧结新技术1.研究背景与意义生物质能是由植物光合作用固定于地球上的太阳能，是光合作用产生的有机可燃物的总称。由于生物质燃烧产生的CO2参与大气碳循环，及其低S、低N的特点，其应用于烧结：可以显著降低烧结COx、NOx、SOx的排放量可以实现生物质资源的综合利用我国生物质能源丰富，资源总量相当于我国煤炭年开采量的50%，可开发为能源的达3亿吨标煤，但其利用率不足10%。可为我国烧结工业提供燃料的主要有3类生物质：木质类：薪炭林——1.5亿吨；林业加工废弃物——1.5亿吨/年农业废弃物：秸秆、玉米芯、甘蔗渣等——8亿吨/年加工废弃物：食品加工厂、纸厂废渣等及城市垃圾——1亿吨/年以上生物质资源概况2.生物质能烧结新技术2.1生物质燃料特性燃料种类C总HOSN焦粉81.842.461.030.5000.72木质炭94.642.771.170.0370.19果核炭82.674.125.230.0750.28元素含量秸秆炭71.604.766.880.0830.32燃料种类TFeSiO2Al2O3CaOMgOK2ONa2OP焦粉37.9224.2617.3414.212.580.650.230.51木质炭40.1410.302.5218.182.893.670.580.65果核炭6.7648.16.1615.915.527.191.521.05灰分成分秸秆炭5.3349.888.3612.575.487.622.090.87燃料种类灰分/%挥发份/%固定C/%热值/MJ·kg-1焦粉19.545.8874.6826.84木质炭5.107.5587.3430.77果核炭10.6114.2875.1128.96工业分析秸秆炭11.2518.5570.2024.792.1生物质燃料特性生物质燃料的H、O含量高，S、N含量低，灰分低、挥发分高，灰分中K2O、Na2O、P含量高。2.生物质能烧结新技术50µmCPPCCPP焦粉C木质炭秸秆炭果核炭020406080焦粉木质炭秸秆炭果核炭孔隙率/%020406080焦粉木质炭秸秆炭果核炭比表面积/m2•g-1焦粉主要以大孔形式存在，生物质燃料以微孔为主，孔洞分布比较均匀;生物质的孔隙率比焦粉高；生物质比表面积远比焦粉大。2.1生物质燃料特性2.生物质能烧结新技术生物质燃烧、气化的起始温度Ts、终止温度Te比焦粉低；生物质燃烧、气化的最大失重速率Vmax和最大释(吸)热量Qmax比焦粉大生物质等温燃烧、气化的速率比焦粉快，反应活化能比焦粉低；生物质燃烧性、反应性顺序为：秸秆炭木质炭果核炭。生物质燃烧性、反应性与其物化性质密切相关。燃料种类燃料的燃烧特性燃料的气化特性（反应性）Ts/℃Te/℃Vmax/%·min-1Qmax/mW·mg-1V等温/%·min-1Ts/℃Te/℃Vmax/%·min-1Qmax/mW·mg-1V等温/%·min-1焦粉4739272.156.214.1582612054.016.890.57木质炭2757103.2310.776.007159609.0419.373.85果核炭4017174.3110.825.4572110614.9312.693.50秸秆炭3215626.1420.556.225229316.8423.904.432.1生物质燃料特性2.生物质能烧结新技术燃料种类取代比例焦粉/%混合料适宜水分/%烧结速度/mm·min-1成品率/%转鼓强度/%利用系数/t·m-2·h-107.2521.9472.6665.001.48207.2524.5868.6964.401.52407.5024.7365.3063.271.43607.5027.2055.3554.671.32木质炭1007.7527.1741.1123.870.93果核炭407.5023.6767.3263.761.46秸秆炭207.5024.0566.1263.521.422.2生物质影响烧结的规律及机理随着取代焦粉比例的增加，混合料适宜水分提高，烧结速度加快，但成品率、转鼓强度和利用系数呈降低趋势。秸秆炭、木质炭、果核炭取代焦粉的适宜比例分别为20%、40%、40%。生物质取代焦粉对烧结矿产量、质量指标的影响2.生物质能烧结新技术燃料类型取代焦粉比例/%FeOSPK2ONa2O木质炭06.880.0270.0510.0630.051206.630.0260.0500.0620.049406.100.0290.0530.0630.050605.740.0350.0480.0640.0521005.380.0460.0500.0660.053秸秆炭206.250.0280.0520.0680.052果核炭406.060.0270.0530.0710.053生物质取代焦粉比例提高，烧结矿中FeO含量有所降低；当取代比例较高时，烧结矿中残S量有所提高；主要是由于取代比例高时烧结料层的温度降低，不利于铁矿石中硫的脱除；烧结矿中K2O、Na2O、P略有增加，但增加幅度不大。生物质取代焦粉对烧结矿化学成分的影响2.2生物质影响烧结的规律及机理2.生物质能烧结新技术00.511.522.5焦粉SOx排放量/kg·t-s-1木质炭取代40%焦粉秸秆炭取代20%焦粉果核炭取代40%焦粉00.20.40.60.81焦粉NO排放量/kg·t-s-1木质炭取代40%焦粉秸秆炭取代20%焦粉果核炭取代40%焦粉100150200250焦粉COx排放量/kg•t-s-1木质炭替代40%焦粉秸秆炭替代20%焦粉果核炭替代40%焦粉三种生物质都可降低污染物排放，当秸秆炭、木质炭、果核炭分别取代20%、40%、40%焦粉时：COx减排7.19%、18.65%、22.31%SOx减排31.79%、38.15%、42.77%NOx减排18.31%、26.76%、30.99%2.2生物质影响烧结的规律及机理生物质替代焦粉对污染物排放的影响2.生物质能烧结新技术02040608010025303540455055传热前沿燃烧前沿前沿速度/mm·min-1取代焦粉比例/%0102030405060焦粉燃烧前沿速度/mm·min-1木质炭替代40%焦粉秸秆炭替代40%焦粉果核炭替代40%焦粉生物质替代焦粉对燃烧前沿的影响燃烧前沿速度和传热前沿速度保持一致可使高温带厚度适中，且有利于料层温度的提高。随着生物质取代焦粉比例的提高，燃烧前沿速度加快，使得与传热前沿速度不匹配。三种生物质燃烧前沿速度的顺序：秸秆炭木质炭果核炭。2.2生物质影响烧结的规律及机理2.生物质能烧结新技术随着取代比例的提高，燃烧比（CO/（CO+CO2）提高；三种生物质燃料燃烧比：秸秆炭木质炭果核炭。表明燃料不完全燃烧程度提高，生物质燃料的热利用效率降低1011121314焦粉燃烧比/%木质炭替代40%焦粉秸秆炭替代40%焦粉果核炭替代40%焦粉0510152025305101520焦粉木质炭取代20%焦粉木质炭取代40%焦粉木质炭取代60%焦粉木质炭取代100%焦粉燃烧比/%烧结时间/min生物质替代焦粉对燃料燃烧程度的影响2.2生物质影响烧结的规律及机理2.生物质能烧结新技术CC+CO2=2COCO+O2=2CO2O2CO2COO2COCO2距燃料颗粒表面的距离锋面固体燃料高温燃烧模型燃料燃烧程度降低的原因：生物质由于反应性好，与CO2快速气化生成大量的CO，使得有更多的CO在锋面来不及燃烧；生物质燃料的燃烧速度快，导致单位时间内消耗更多O2，不利于CO二次燃烧反应。生物质取代焦粉使得有更多的CO进入了烧结烟气。燃料燃烧程度取决于：燃料颗粒表面：C+CO2=2CO锋面:CO+O2=CO2在烧结抽风作用下，部分CO来不及燃烧而被带入废气。2.2生物质影响烧结的规律及机理2.生物质能烧结新技术510152025040080012001600焦粉木质炭取代20%焦粉木质炭取代40%焦粉木质炭取代60%焦粉木质炭取代100%焦粉料层温度/℃烧结时间/min随着取代比例的提高：料层达到最高温度的时间提前料层最高温度逐渐降低温度曲线有变宽的趋势料层高温保持时间(T≧1200℃)缩短上部料层温度降低到较低程度，且高温时间比较短01002003004005006001100120013001400焦粉木质炭取代20%焦粉木质炭取代40%焦粉木质炭取代60%焦粉木质炭取代100%焦粉料层最高温度/℃距料面高度/mm第1层第2层第3层第4层0100200300400500600012345焦粉木质炭取代20%焦粉木质炭取代40%焦粉木质炭取代60%焦粉木质炭取代100%焦粉料层高温时间/min距料面高度/mm第1层第2层第3层第4层2.2生物质影响烧结的规律及机理生物质替代焦粉对料层热状态的影响2.生物质能烧结新技术020406080100020406080100取代焦粉