·320· 工程科学学报，第41卷，第3期 式中，T。5是准颗粒质量转化率达到50%所需要的 2结果和讨论 时间. 烧结过程中NO,的主要来源是燃料型NO, 2.1典型准颗粒燃烧气体组分分析 NO由NO与NO,之和来表征，本文根据下式计算 典型的准颗粒燃烧(P型准颗粒，入口气体体积 准颗粒中燃料氮的转化率： 分数02/N2为21%/79%，炉膛温度，T=1000℃)的 Q.Ms 烟气组分变化如图4所示.由图可以看出，初始阶 7=60×22.4×m0×01×02 C(NO,)× 段，准颗粒迅速燃烧，O2含量快速下降，C0和C02浓 10-6dt×100% (7) 度迅速上升.这主要是因为，当温度达到焦炭的着 式中，Q为气体流量，Lmin-;to1为分别起始时间 火点时，焦粉颗粒迅速燃烧，02含量急剧减少，在02 和结束时间，s;C(NO)为NO,体积分数；t为时间， 含量不充分的条件下，C0大量生成.当准颗粒燃烧 s;M、为N的摩尔质量，g·mol-;m为准颗粒初始质 率达到峰值时，02浓度最低，C0含量最高。随着燃 量，g:0,为焦炭在准颗粒中的质量分数；02为焦炭中 料的消耗，02浓度逐渐开始升高，不利于C0的生 的氮元素质量分数 成，C0由于被O2氧化成C02而导致浓度下降.N0 73.0 1.0 25 2.5 四2 0.6 15 1.5 18 0.4 量一氧气体积分数 二氧化碳体积分数 1.0 平氨氧化物体积分数 110.2 一氧化碳体积分数 5 0.51 0 200 400 600 800 1000 1200 时间 图4体积分数变化曲线(P型，入口气体体积分数02/N2为21%79%，炉膛温度T=1000℃) Fig.4 Volume fraction changes of flue gas components during P-ype quasi-particle combustion at 1000C and atmospheric O to N volume ratio of21:79 的生成主要在初始燃烧阶段，这主要是因为初始阶 于粒径越大，比较面积越小，焦炭与空气的接触面积 段，颗粒表面温度较低导致. 减小，反应减弱.由图6(c)发现，随着S型准颗粒 2.2焦粉粒径对S型准颗粒燃烧的影响 内核焦炭粒径增大，燃料氮转化率增加.一方面，由 由图5(a)可见，对于S型准颗粒，粒径越小，质 于焦炭粒径增大，黏附层厚度减小，02更容易通过 量转化率越大，转化越快：这主要是由于粒径越小， 黏附层扩散到大的焦炭颗粒表面，较充足的氧化性 焦炭的比表面积越大，与空气接触的越充分，从而反 氛围有利于NO,的生成：另一方面，焦炭粒径越大， 应越刷烈.从图5(b)可以看出，粒径越小，反应指 准颗粒的黏附层越薄，准颗粒内生成的NO,相对更 数越大，主要是由于粒径小，反应加快，从而反应时 容易扩散到环境中，且焦炭粒径越大，比表面积越 间缩短.由图5(c)发现，S型准颗粒的燃料氮转化 小，导致焦炭和NO发生异相还原反应的程度减弱. 率随着粒径的增大而减小，这主要是由于焦粉粒径 综上可知，上述原因综合导致了内核焦炭粒径大的 越小，与空气的接触和反应条件越好，焦炭燃烧时有 准颗粒燃料氮转化率更高 相对充足的氧气，有利于焦炭氮的转化，同时充足的 2.4黏附层对准颗粒燃烧的影响 氧化性气氛不利于C0的生成，因此C0和焦炭对 为了研究黏附层对准颗粒燃烧的影响，本文研 NO.的还原效应减弱. 究了2.0~2.8mm的S和S型准颗粒在相同条件下 2.3内核粒径对S型准颗粒燃烧的影响 的燃烧情况，结果如图7所示.由图7(a)、(b)可 对不同内核粒径的S型准颗粒燃烧研究的结果 知，相较于S型准颗粒，S型准颗粒的质量转化率和 如图6所示，由图6(a)、6(b)可以看出，随着粒径的 反应指数更大，这主要是因为S型准颗粒除了焦炭 增大，质量转化率减小，反应指数下降.这主要是由 与0，的反应式(1)外，还存在石灰石的高温分解，工程科学学报，第 41 卷，第 3 期 式中，τ0. 5 是准颗粒质量转化率达到 50% 所需要的 时间． 烧结过程中 NOx 的主要来源是燃料型 NOx， NOx 由 NO 与 NO2之和来表征，本文根据下式计算 准颗粒中燃料氮的转化率: η = Q·MN 60 × 22. 4 × m0 × w1 × w2 × ∫ t1 t0 C( NOx ) × 10 － 6 dt × 100% ( 7) 式中，Q 为气体流量，L·min － 1 ; t0、t1为分别起始时间 和结束时间，s; C( NOx ) 为 NOx 体积分数; t 为时间， s; MN为 N 的摩尔质量，g·mol － 1 ; m0为准颗粒初始质 量，g; w1为焦炭在准颗粒中的质量分数; w2为焦炭中 的氮元素质量分数． 2 结果和讨论 2. 1 典型准颗粒燃烧气体组分分析 典型的准颗粒燃烧( P 型准颗粒，入口气体体积 分数 O2 /N2为 21% /79% ，炉膛温度，T = 1000 ℃ ) 的 烟气组分变化如图 4 所示． 由图可以看出，初始阶 段，准颗粒迅速燃烧，O2含量快速下降，CO 和 CO2浓 度迅速上升． 这主要是因为，当温度达到焦炭的着 火点时，焦粉颗粒迅速燃烧，O2含量急剧减少，在 O2 含量不充分的条件下，CO 大量生成． 当准颗粒燃烧 率达到峰值时，O2浓度最低，CO 含量最高． 随着燃 料的消耗，O2 浓度逐渐开始升高，不利于 CO 的生 成，CO 由于被 O2氧化成 CO2而导致浓度下降． NOx 图 4 体积分数变化曲线( P 型，入口气体体积分数 O2 /N2为 21% /79% ，炉膛温度 T = 1000 ℃ ) Fig． 4 Volume fraction changes of flue gas components during P-type quasi-particle combustion at 1000 ℃ and atmospheric O2 to N2 volume ratio of 21∶ 79 的生成主要在初始燃烧阶段，这主要是因为初始阶 段，颗粒表面温度较低导致． 2. 2 焦粉粒径对 S'型准颗粒燃烧的影响 由图 5( a) 可见，对于 S'型准颗粒，粒径越小，质 量转化率越大，转化越快; 这主要是由于粒径越小， 焦炭的比表面积越大，与空气接触的越充分，从而反 应越剧烈． 从图 5( b) 可以看出，粒径越小，反应指 数越大，主要是由于粒径小，反应加快，从而反应时 间缩短． 由图 5( c) 发现，S'型准颗粒的燃料氮转化 率随着粒径的增大而减小，这主要是由于焦粉粒径 越小，与空气的接触和反应条件越好，焦炭燃烧时有 相对充足的氧气，有利于焦炭氮的转化，同时充足的 氧化性气氛不利于 CO 的生成，因此 CO 和焦炭对 NOx 的还原效应减弱． 2. 3 内核粒径对 S 型准颗粒燃烧的影响 对不同内核粒径的 S 型准颗粒燃烧研究的结果 如图 6 所示，由图 6( a) 、6( b) 可以看出，随着粒径的 增大，质量转化率减小，反应指数下降． 这主要是由 于粒径越大，比较面积越小，焦炭与空气的接触面积 减小，反应减弱． 由图 6( c) 发现，随着 S 型准颗粒 内核焦炭粒径增大，燃料氮转化率增加． 一方面，由 于焦炭粒径增大，黏附层厚度减小，O2 更容易通过 黏附层扩散到大的焦炭颗粒表面，较充足的氧化性 氛围有利于 NOx 的生成; 另一方面，焦炭粒径越大， 准颗粒的黏附层越薄，准颗粒内生成的 NOx 相对更 容易扩散到环境中，且焦炭粒径越大，比表面积越 小，导致焦炭和 NO 发生异相还原反应的程度减弱． 综上可知，上述原因综合导致了内核焦炭粒径大的 准颗粒燃料氮转化率更高． 2. 4 黏附层对准颗粒燃烧的影响 为了研究黏附层对准颗粒燃烧的影响，本文研 究了 2. 0 ～ 2. 8 mm 的 S 和 S'型准颗粒在相同条件下 的燃烧情况，结果如图 7 所示． 由图 7 ( a) 、( b) 可 知，相较于 S'型准颗粒，S 型准颗粒的质量转化率和 反应指数更大，这主要是因为 S 型准颗粒除了焦炭 与 O2的反应式( 1) 外，还存在石灰石的高温分解， · 023 ·