基于烟气循环的生物质能烧结的基础研究

针对我国烧结工序能耗高、污染严重的问题，为适应"零排放"的环境需求和"烧结传热前沿和燃烧前沿相匹配"的技术需要，提出将烟气循环和生物质燃料相结合的铁矿烧结新技术。综合应用热分析、热状态检测技术，结合烧结模拟试验和数学建模等方法，通过研究烟气循环条件下烧结料层的气-固传热模型和生物质的燃烧行为，揭示在烟气循环和以生物质为燃料的条件下烧结料层的热状态，建立基于烟气循环的生物质能铁矿烧结理论；研究传热前沿速度和燃烧前沿速度一致的自适应及调控机制，构建快速成矿的配料结构和热工制度，形成烟气循环和生物质燃料相结合的铁矿烧结新方法。本项目将实现烧结过程COx的零排放，粉尘、二噁英、NOx、SOx的减量化排放，并最大化地降低能源消耗，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。

针对铁矿烧结过程能耗高、污染严重等问题，开展了烟气循环烧结和生物质能烧结的基础理论和关键技术研究，在此基础上构建了烟气循环和生物质能相结合的协同节能减排烧结新工艺。查明了循环烟气中O2、CO2、CO和H2O(g)含量对燃料燃烧和气-固传热的影响，表明烟气循环O2含量的降低使得燃料燃烧速度减慢，而比热容高于空气的CO2和H2O(g)使得传热前沿速度加快；揭示了烟气循环影响烧结指标的规律，提出了烟气循环的适宜气体组成和温度范围：O2含量不低于15%、CO2不高于6%、H2O(g)不高于8%、热风温度150-250℃。查明了生物质燃料在烧结过程中的燃烧特性，其燃烧和气化温度相比焦粉低、反应速度快、反应活化能低；揭示了生物质燃料对烧结燃烧前沿迁移和燃烧效率的影响：生物质燃烧速度快使得其燃烧前沿速度增加，不利于燃烧前沿和传热前沿速度同步迁移，而生物质燃料的高反应性造成燃料不完全燃烧程度增加，降低了燃料的热利用效率；生物质燃料应用于铁矿烧结的影响规律表明，其替代焦粉的比例不宜超过40%。依据烟气循环烧结的传热特征和生物质的燃烧特性，查明了基于烟气循环的生物质能烧结传热前沿和燃烧前沿同步迁移的自适应机制，生物质替代40%焦粉结合循环40%的烧结烟气，燃烧前沿速度和传热前沿速度达到一致；揭示了两者相结合的料层热状态变化规律，CO在循环过程二次燃烧提高了生物质的燃烧效率，有利于提高烧结料层温度；通过调控烧结矿熔融区化学成分构建快速成矿的原料结构，使得基于烟气循环的生物质能烧结产量、质量指标与常规烧结相当，两者结合的协同减排新工艺使COx、SOx、NOx排放分别减少30%、40%、45%以上。本项目为提高我国烧结清洁生产的科学技术水平提供了理论和技术支持，共出版专著2部，发表学术论文21篇，其中SCI收录7篇，EI收录14篇，国际会议7篇；申请国家发明专利13项，授权7项；获国家科技进步二等奖1项。