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烧结点火制度研究与应用
程峥明1，潘文2，宁文欣1，安钢1，裴元东2，3
(1．首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山;
2．首钢技术研究院，北京;
3．北京科技大学，北京)
摘要:首钢京唐炼铁作业部根据点火炉内烧结料面的热量接受状况，引入了烧结料面受热强度的概念，将其作为烧结点火效果的评价标准。同时，结合其烧结燃料的燃烧特性，对其m2烧结机的点火制度进行研究分析，优化调整操作参数，在稳定烧结矿质量的同时降低点火煤气消耗，从而达到节能降耗的目的。
关键词:烧结;料面;受热强度;燃料;燃烧特性;空燃比
来源：烧结球团
1前言
钢铁企业中，烧结能耗占流程总能耗的12%左右，而点火能耗约占烧结能耗的10%左右，即烧结点火能耗约占钢铁企业总能耗的1%左右。考虑到钢铁企业每年约亿t标煤的能源消耗总量，降低烧结点火煤气消耗对于钢铁企业节能降耗，减少污染物排放具有积极的意义。
烧结过程从混合料表层的燃料点火开始，烧结点火的目的是供给混合料表层以足够的热量，使表层的固体燃料着火、燃烧，同时使表层混合料在点火器内高温烟气的作用下干燥、预热、烧结［1］。烧结点火过程是点火器通过燃烧废气及热辐射向烧结混合料表层供热和混合料中碳素燃烧共同加热烧结混合料表层的过程［2］。点火过程直接影响到烧结过程的热状态，并最终影响烧结矿质量、烧结能耗以及综合生产目标［3］。烧结点火过程和烧结料层温度场作为整个烧结生产的核心环节，其状态的好坏直接影响着整个烧结生产的产、质量指标，所以烧结点火过程和烧结料层温度场的合理控制就显得尤为重要［4］。
点火操作是铁矿石高温烧结过程的起始点，是烧结工艺承上启下的重要环节，也是烧结过程的基础。点火效果的好坏将直接影响烧结过程能否顺利进行以及表层烧结矿的强度，同时也直接影响着能源介质消耗以及烧结能耗。
对于铁矿石烧结，点火温度一般介于～℃，点火时间一般为60s。点火温度由燃料发热值、燃料用量和过剩空气系数(空燃比)等因素所决定。点火温度过低，点火强度不足或者点火时间不够，都将会促使料层表面欠熔;点火温度过高或点火时间过长又会造成烧结料表面过熔形成硬壳影响空气通过，降低料层的透气性，减慢料层垂直烧结速度，以致降低生产率。所以必须根据原料条件确定混合料中水、碳含量，选择适当的点火设备和热工制度，以保证点火的顺行。
烧结点火制度主要包括煤气流量、空气流量、空燃比等点火参数的控制与选择，目前大多以点火炉炉膛内部温度或点火强度作为判断标准对点火制度进行调整和优化。为进一步研究烧结料面在点火炉内热量接受状况，本文引入烧结料面受热强度概念，结合烧结燃料燃烧特性，对首钢京唐两台m2烧结机点火制度进行优化以降低其煤气消耗，从而降低其烧结能耗。
2研究方法
2.1测试方法
测试所采用测温设备为SMT加热炉和热处理炉温跟踪仪(测温黑匣子))，使用K型热电偶，测温范围在25～℃之间。
通过将测温设备从点火炉起始点开始置于烧结料面上方，确保热电偶测点与烧结料层表面接触，测温设备随烧结机运行进入点火炉内直至移出点火炉。在此过程中实时记录料面温度变化，记录时间间隔为12s，并将记录的数据保存在黑匣子中。料面温度测量示意见图1。
2.2料面受热强度
测量得到的点火炉内烧结料面温度曲线如图2所示。为了定量衡量点火效果，引入了料面受热强度的概念。
首先，确定烧结料面高温和中高温区域温度基线，高于温度基线的区域分别为点火炉内烧结料面高温区域和中高温区域。在高温区域内，烧结混合料中的固体燃料可实现完全燃烧;在中高温区域内，烧结混合料中的固体燃料达到着火点开始燃烧反应。这两个区域越大说明点火效果越好。将这两个区域面积分别定义为烧结料面高温绝对受热强度(AS1)和中高温绝对受热强度(AS2)，其计算公式分别为式(1)和式(2)。
式中:AS1为烧结料面高温绝对受热强度，℃·s;AS2为烧结料面中高温绝对受热强度，℃·s;t1为高温区域基线与烧结料面温度曲线上升段的交叉点，s;t2为高温区域基线与烧结料面温度曲线下降段的交叉点，s;t3为中高温区域基线与烧结料面温度曲线上升段的交叉点，s;t4为中高温区域基线与烧结料面温度曲线下降段的交叉点，s;t为进入点火炉内时间，s;T为烧结料面的实时温度，℃;t2－t1为高温持续时间，s;t4－t3为中高温持续时间，s。
由于烧结台车运行速度对点火时间的影响，料面绝对受热强度并不能完全真实地反映烧结点火炉的点火效果。因此，引入料面高温、中高温综合受热强度(CS1、CS2)，将台车运行速度V作为加权系数对料面绝对受热强度进行修改，则可以更加真实地反映烧结点火效果，亦更能科学地反映点火炉点火效果的物理意义。料面综合受热强度的计算公式分别为式(3)和式(4)。
式中:CS1为烧结料面高温综合受热强度，℃·m;CS2为烧结料面中高温综合受热强度，℃·m;V为烧结台车运行速度，m/s。
2.3燃烧特性
在不同氧分压条件下，利用热重分析方法检测首钢京唐烧结混合料中焦粉燃烧特性。试验升温速率设定为20℃/min，升温范围25～℃，气氛分别使用(16.5%O2+83.5%N2)和(21.0%O2+79.0%N2)。两种气氛下焦粉燃烧过程的差热曲线如图3和图4所示。
从图3与图4来看，焦粉在℃左右开始燃烧失重，℃左右时失重速率达到峰值，当温度达到℃左右时完全燃烧，失重停止。因此，可确定点火炉内烧结料面高温区域温度基线为℃，该基线以上温度区域可保证烧结混合料中燃料充分燃烧;℃为烧结料面中高温区域温度基线，该基线以上温度区域烧结混合料中燃料开始燃烧。此外，提高气氛中氧含量，焦粉开始燃烧温度保持稳定，燃烧充分，燃烧总失重量由84.18%提到86.03%。因此，从改善烧结混合料中燃料燃烧过程考虑，应适当提高点火炉内空燃比和炉内氧化气氛。
2.4试验方案
根据料面受热强度定义和燃烧特性，对首钢京唐1#烧结机点火炉空燃比在4.5～5.5之间分步调整，调整稳定后测试料面温度，共包括14组方案，分别记为方案1、方案2、方案3、．．．．．．、方案14，并将14组数据按空燃比分为5.45、5.30、5.15和4.30共4档。其中方案1、2落在5.45档，方案2至方案7落在5.30档，方案9、10落在5.15档，方案11至方案14落在4.30档。
3测试结果及分析
表1和表2分别是不同空燃比下点火、烧结参数以及根据料面温度曲线计算得到的料面受热强度参数。
由表1与表2可知:
(1)空燃比对料面最高温度的影响:在煤气流量变化不大的情况下(空燃比5.15、5.30、5.45)，随着空燃比提高，料面最高温度值呈上升趋势，尤其是当空燃比在5.45时，煤气流量最低，取得了最大料面最高温度值;在低空燃比条件下，只有大幅度提高煤气流量，才能保证料面最高温度值与高空燃比时相当。以空燃比4.30为例，要确保其料面最高温度与空燃比5.30时相当，需要将煤气流量由.77Nm3/h提高至.51Nm3/h。
(2)空燃比对高温持续时间的影响:在煤气流量变化不大的情况下，高温持续时间随空燃比上升呈线性增加趋势，说明提高空燃比有利于改善点火炉炉膛内温度均匀性，从而扩大高温区域。同样，在低空燃比条件下，只有大幅度提高煤气流量，才能使料面获得与高空燃比时相当的高温保持时间。此外，不论是改变空燃比还是煤气流量对中高温持续时间几乎都没有影响，说明在一定范围内，烧结料面在点火炉内的中高温区域大小是固定的，调整点火制度对该区域影响不大。
(3)空燃比对料面受热强度的影响:烧结料面在点火炉内受热强度综合了料面温度、料面高温持续时间等因素，是烧结点火炉点火效果的综合反映。综合来看，空燃比对料面高温综合受热强度以及中高温综合受热强度影响趋势一致，即在煤气流量变化不大情况下，随着空燃比提高，料面综合受热强度随之上升，点火效果改善。相比较而言，空燃比对高温综合受热强度影响明显，对中高温综合受热强度影响相对较小;在低空燃比条件下，通过大幅度提高煤气流量可取得与高空燃比时相当料面高温受热强度。即通过提高空燃比，适当降低煤气流量，可达到改善点火效果、降低点火煤气消耗的目的。
(4)点火炉热电偶测温与料面受热强度关系:根据上述研究结果，料面高温综合受热强度以及中高温综合受热强度是反映烧结点火炉的点火效果的两个重要指标，而中高温综合受热强度受点火制度影响不大，基本维持在一个固定水平，因此料面高温综合受热强度在一定程度上代表了点火炉的点火效果。受检测手段限制，目前大多数钢铁企业衡量点火效果评价参数选择点火炉温度平均值，及采用点火炉内各温度测点测得的温度算术平均值。
通过表1与表2中相关数据的对比，可以将料面高温综合受热强度作为评价点火炉点火效果的补充参数，与点火炉温度平均值相结合对点火制度进行优化，改善点火效果、降低煤气消耗。
4生产应用
根据烧结料面综合受热强度研究结果，将首钢京唐1#烧结机点火空燃比由年7月的5.10提至8月的6.37，提高了1.27;煤气流量由Nm3/h降至Nm3/h，下降了Nm3/h。实施前后烧结矿质量变化情况如表3所示。
由表3数据可以看出，基于料面受热强度和燃料特性对点火制度进行优化，烧结矿转鼓强度、筛分指数、平均粒径均保持稳定，改善了点火效果，降低了煤气消耗。
5结论
(1)在煤气流量一定的条件下，随着空燃比提高，烧结料面℃以上高温区域持续时间增加，料面最高温度值提高，料面高温综合受热强度上升，点火效果改善。
(2)将料面高温综合受热强度作为评价点火炉点火效果的补充参数，与点火炉温度平均值相结合对点火制度进行优化调整，可以进一步改善点火效果、降低煤气消耗。
(3)根据测试结果，首钢京唐烧结通过提高点火空气阀开度，提高空燃比，焦炉煤气流量相应下降Nm3/h。
参考文献
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［3］李福东．基于点火强度优化设定的烧结点火燃烧智能控制方法研究［D］．长沙:中南大学．．
［4］李万宏．烧结点火温度控制及料层温度分布规律研究［D］．重庆:重庆大学．．5－6．
［5］A·H·佩里科夫(原苏联)．烧结料层点火和保温制度的优化［J］．烧结球团．，5(38):24－25．
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