马鹏楠等：铁矿石烧结过程中不同类型准颗粒的燃烧特性 ·317· 在我国的钢铁生产过程中约80%的高炉原料 程不符的烧结床温，进而影响烧结质量的评估和 来源于烧结矿，焦炭是烧结过程常用的燃料之 NO,排放的计算等. 一，焦炭燃烧为烧结过程提供能量并决定着烧结床 0ba等研究了不同温度(900,1000和1200 的温度分布，对烧结矿质量有着决定性的影响回 ℃)下用Fe3O,和Ca0粉末包覆焦炭的燃烧行为并 充分了解烧结过程中焦炭的燃烧有利于控制烧结床 计算了不同温度下不同组分包覆焦炭的化学反应速 温进而控制烧结矿的质量.2016年我国粗钢产量为 率常数，通过对比燃烧前后Fe3O,和Ca0包覆焦炭 8.08亿t同，相应产生了巨大的NO,排放，而烧结过 的微观结构发现，准颗粒燃烧后，焦炭表面的附着物 程是主要的NO,排放源，约占钢铁工业NO,排放的 脱落，导致焦炭暴露在气氛中，从而使其燃烧速率加 40%.NO,的形成机理包括快速型NO.、燃料型 快.Gan等3-研究了烧结过程中不同制粒方式对 N0.和热力型NO.,热力型NO.的生成需要1500℃ 准颗粒燃烧的影响，发现预制粒技术（燃料内嵌）有 以上的高温，而烧结过程的最高温度为1300~ 利于降低燃烧率，提高燃烧效率.而且当燃料内嵌 1400℃.快速型NO.与热力型N0.不同，它是先通 时，由于O,需要通过制粒才能够扩散到焦炭附近， 过燃料燃烧产生的CH原子团撞击N,分子，生成CN 生成的CO也会经过制粒层扩散到环境中，将NO 类化合物，这些中间反应产物进一步被氧化而生成 还原成N2,因此可以有效降低NO,的排放.Hou NO.·燃料型NO.来源于燃料中所含有的氮化物在 等的研究了焦炭后加和常规制粒的燃烧特性，发现 燃烧过程中的氧化，因此烧结过程的NO,排放主要 焦炭后加会导致燃烧速率加快.Terushige等Da通 来源于燃料型NO,对烧结过程中燃料氯的转化进 过研究颗粒类型和添加剂对焦粉燃烧的影响，发现 行深入研究显得十分必要 石灰对提高燃烧速率有着催化作用.Tobu等m采 铁矿石烧结过程的原料主要为：焦炭、熔剂、铁 用热重一差热分析法研究了焦炭制粒结构对其燃烧 矿石及含铁原料等.这些原料的粒度一般都很细， 效率的影响.Kasai与Omori图研究了不同赋存状 且不同原料的粒度不同.为了保证烧结床层的透气 态下焦粉的燃烧率，应用未反应收缩核模型发展了 性，在原料混合之后需要在制粒设备中进行制粒，从 而增加烧结料的平均粒径.在制粒过程中，不同 不同类型准颗粒燃烧的数学模型.To等图发现细 焦炭在准颗粒中的位置取决于制粒过程中加入焦炭 粒径的原料混在一起形成制粒小球.从焦炭的分布 的时间，而粗焦炭颗粒不受焦炭添加技术的影响，总 来看，-0.25mm的焦炭颗粒嵌入在黏附层中，+1 是保持裸露，不在其他原料上黏附.Zhao等阿模拟 mm的焦炭颗粒通常作为制粒小球的核心颗粒， +0.25~1mm的焦粉颗粒位于黏附层外面，容易脱 了黏附层对O,扩散的影响，发现黏附层对焦炭燃烧 落，通常将这种制粒小球称做“准颗粒”回.H- 和火焰前锋性质都有影响.Kasai等0研究了不同 da等回利用AL,O,与焦粉混合将烧结过程中存在的 尺寸S型焦炭的燃烧率和NO浓度变化以及平均的 准颗粒分为4种类型：S”型为单独的粗焦炭颗粒，S NO转化率，发现粒径越大，燃烧率越低，N0峰值浓 型为细A山，0，粉末黏附在大的焦炭颗粒上，C型为细 度越低，NO转化率也越低.Kasai与Saito通过研 焦粉和A山，O3附着在大的AL,03颗粒表面，P型为均 究发现添加CF和Ca(OH),+Fe,O3都可以降低焦 匀混合的焦炭和A山，O,组成的颗粒.焦炭的燃烧率 粉燃烧率及NO.排放.Katayama与Kasama2在其 和NO,排放特性依赖于其在制粒中的分布状态.通 研究中指出，石灰包裹焦炭可以有效降低NO,的 过添加生石灰增加C型准颗粒的比例以及通过焦 排放 炭分离添加将S型准颗粒变成$型准颗粒均有利 上述学者虽然对不同类型准颗粒的燃烧特性做 于降低NO排放回.Ogi等@将焦粉和石灰石后加 出了研究，但未就黏附比、焦粉比例等因素对准颗粒 进行制粒，提高了焦炭在准颗粒中的燃烧率.Aika- 燃烧及NO,排放特性机理作出解释.本文采用一个 ta等发现延迟焦粉添加时间可以提高烧结速率 竖直的管式炉反应器研究了不同类型准颗粒的燃烧 进而提高烧结质量.如果仅采用$型准颗粒来评估 和NO,排放特性，主要研究了粒径、黏附层、黏附 烧结床中的温度分布，由于没有黏附层和其他物质 比、焦粉比例对不同类型准颗粒燃烧的影响 的阻碍，02直接与准颗粒接触并反应，而实际烧结 过程中，O,往往需要经过在黏附层中的扩散才能接 1 实验部分 触到焦炭并与之反应.因此仅考虑$型焦炭的燃烧 1.1原料和样品制备 会忽视O2的扩散导致燃烧率加快及与实际烧结过 Hida等划分的四种类型准颗粒结构如图1马鹏楠等: 铁矿石烧结过程中不同类型准颗粒的燃烧特性 在我国的钢铁生产过程中约 80% 的高炉原料 来源于烧结矿［1］，焦炭是烧结过程常用的燃料之 一，焦炭燃烧为烧结过程提供能量并决定着烧结床 的温度分布，对烧结矿质量有着决定性的影响［2］． 充分了解烧结过程中焦炭的燃烧有利于控制烧结床 温进而控制烧结矿的质量． 2016 年我国粗钢产量为 8. 08 亿 t ［3］，相应产生了巨大的 NOx 排放，而烧结过 程是主要的 NOx 排放源，约占钢铁工业 NOx 排放的 40%［4］． NOx 的形成机理包括快速型 NOx、燃料型 NOx 和热力型 NOx，热力型 NOx 的生成需要 1500 ℃ 以上的高温［5］，而烧结过程的最高温度为 1300 ～ 1400 ℃ ． 快速型 NOx 与热力型 NOx 不同，它是先通 过燃料燃烧产生的 CH 原子团撞击 N2分子，生成 CN 类化合物，这些中间反应产物进一步被氧化而生成 NOx ． 燃料型 NOx 来源于燃料中所含有的氮化物在 燃烧过程中的氧化，因此烧结过程的 NOx 排放主要 来源于燃料型 NOx，对烧结过程中燃料氮的转化进 行深入研究显得十分必要． 铁矿石烧结过程的原料主要为: 焦炭、熔剂、铁 矿石及含铁原料等． 这些原料的粒度一般都很细， 且不同原料的粒度不同． 为了保证烧结床层的透气 性，在原料混合之后需要在制粒设备中进行制粒，从 而增加烧结料的平均粒径［6］． 在制粒过程中，不同 粒径的原料混在一起形成制粒小球． 从焦炭的分布 来看，－ 0. 25 mm 的焦炭颗粒嵌入在黏附层中，+ 1 mm 的焦炭颗粒通常作为制粒小球的核心颗粒， + 0. 25 ～ 1 mm 的焦粉颗粒位于黏附层外面，容易脱 落［7--8］，通常将这种制粒小球称做“准颗粒”［2］． Hi￾da 等［9］利用 Al2O3与焦粉混合将烧结过程中存在的 准颗粒分为 4 种类型: S' 型为单独的粗焦炭颗粒，S 型为细 Al2O3粉末黏附在大的焦炭颗粒上，C 型为细 焦粉和 Al2O3附着在大的 Al2O3颗粒表面，P 型为均 匀混合的焦炭和 Al2O3组成的颗粒． 焦炭的燃烧率 和 NOx 排放特性依赖于其在制粒中的分布状态． 通 过添加生石灰增加 C 型准颗粒的比例以及通过焦 炭分离添加将 S 型准颗粒变成 S'型准颗粒均有利 于降低 NO 排放［9］． Ogi 等［10］将焦粉和石灰石后加 进行制粒，提高了焦炭在准颗粒中的燃烧率． Arika￾ta 等［11］发现延迟焦粉添加时间可以提高烧结速率 进而提高烧结质量． 如果仅采用 S'型准颗粒来评估 烧结床中的温度分布，由于没有黏附层和其他物质 的阻碍，O2直接与准颗粒接触并反应，而实际烧结 过程中，O2往往需要经过在黏附层中的扩散才能接 触到焦炭并与之反应． 因此仅考虑 S'型焦炭的燃烧 会忽视 O2的扩散导致燃烧率加快及与实际烧结过 程不符的烧结床温，进而影响烧结质量的评估和 NOx 排放的计算等． Oba 等［12］研究了不同温度( 900，1000 和 1200 ℃ ) 下用 Fe3O4和 CaO 粉末包覆焦炭的燃烧行为并 计算了不同温度下不同组分包覆焦炭的化学反应速 率常数，通过对比燃烧前后 Fe3O4和 CaO 包覆焦炭 的微观结构发现，准颗粒燃烧后，焦炭表面的附着物 脱落，导致焦炭暴露在气氛中，从而使其燃烧速率加 快． Gan 等［13--14］研究了烧结过程中不同制粒方式对 准颗粒燃烧的影响，发现预制粒技术( 燃料内嵌) 有 利于降低燃烧率，提高燃烧效率． 而且当燃料内嵌 时，由于 O2需要通过制粒才能够扩散到焦炭附近， 生成的 CO 也会经过制粒层扩散到环境中，将 NOx 还原成 N2，因此可以有效降低 NOx 的排 放． Hou 等［15］研究了焦炭后加和常规制粒的燃烧特性，发现 焦炭后加会导致燃烧速率加快． Terushige 等［16］通 过研究颗粒类型和添加剂对焦粉燃烧的影响，发现 石灰对提高燃烧速率有着催化作用． Tobu 等［17］采 用热重--差热分析法研究了焦炭制粒结构对其燃烧 效率的影响． Kasai 与 Omori ［18］研究了不同赋存状 态下焦粉的燃烧率，应用未反应收缩核模型发展了 不同类型准颗粒燃烧的数学模型． Teo 等［8］发现细 焦炭在准颗粒中的位置取决于制粒过程中加入焦炭 的时间，而粗焦炭颗粒不受焦炭添加技术的影响，总 是保持裸露，不在其他原料上黏附． Zhao 等［19］模拟 了黏附层对 O2扩散的影响，发现黏附层对焦炭燃烧 和火焰前锋性质都有影响． Kasai 等［20］研究了不同 尺寸 S'型焦炭的燃烧率和 NO 浓度变化以及平均的 NO 转化率，发现粒径越大，燃烧率越低，NO 峰值浓 度越低，NO 转化率也越低． Kasai 与 Saito［21］通过研 究发现添加 CF 和 Ca( OH) 2 + Fe2O3都可以降低焦 粉燃烧率及 NOx 排放． Katayama 与 Kasama［22］在其 研究中指出，石灰包裹焦炭可以有效降低 NOx 的 排放． 上述学者虽然对不同类型准颗粒的燃烧特性做 出了研究，但未就黏附比、焦粉比例等因素对准颗粒 燃烧及 NOx 排放特性机理作出解释． 本文采用一个 竖直的管式炉反应器研究了不同类型准颗粒的燃烧 和 NOx 排放特性，主要研究了粒径、黏附层、黏附 比、焦粉比例对不同类型准颗粒燃烧的影响． 1 实验部分 1. 1 原料和样品制备 Hida 等［9］划分的四种类型准颗粒结构如图 1 · 713 ·