马鹏楠等：铁矿石烧结过程中不同类型准颗粒的燃烧特性 ·319· 随后焦炭颗粒加水后放入，充分摇匀，则矿石粉和石 堵塞损坏烟气分析仪.实验时，炉温按照10℃· 灰石粉均黏附在焦炭颗粒上，形成S型准颗粒；(2) min-1的升温速率进行升温，达到预定的温度后，通 C型准颗粒：将焦粉和石灰石粉按质量比1：1混匀 入空气，5min后打开电子天平及烟气分析仪记录数 后放入圆柱形容器中，矿石颗粒加水后放入，充分摇 据，然后放入实验样品，以保证质量测量和气体测量 匀，则焦粉和石灰石粉均黏附在矿石颗粒上，形成C 的准确性 型准颗粒：(3)P型准颗粒：将焦粉、石灰粉、矿石粉 当天平记录的质量示数不变时，结束实验.供 按一定的质量比加水混匀即可，其中石灰石与铁矿 气系统由N2和02组成，体积分数设置为21%02： 石的质量比固定为1：1，焦炭的质量比例从10%变 79%N2,总气流率为5L·min-1.采用Testo350烟 化到100%：(4)S型准颗粒为+1mm的焦炭颗粒. 气分析仪分析烟气的成分，取样时间设置为5s,温 不同类型的准颗粒样品质量均约为1g 度选取1073、1173和1273K3个温度水平进行 表2和表3分别给出了原料的化学组分及不同 研究. 粒径焦炭的含氮量分析.实验前，所有的样品在105 ℃的烘箱中放置4h进行烘干 表2原料化学组分（质量分数） Table2 Chemical composition of raw materials 烟气分析仪 % 原料 Fe Fe0 Al2O3 SiO2 Mgo Cao LOI1000* 铁矿石62.390.352.234.280.130.153.51 石灰石0.360.100.982.230.4853.4042.00 准颗粒 焦炭1.0704.326.110.040.6286.85 注：*表示样品在1000℃下的烧失量 表3不同粒径焦炭中氮元素质量分数 Table 3 Analysis of nitrogen content in coke of different particles sizes 水浴装置干燥剂 % 图3准颗粒燃烧试验台 1.0~1.4mm1.4-2.0mm2.0~2.8mm-0.25mm Fig.3 Schematic diagram of the experimental rig for quasi-particle 0.92 0.95 0.92 0.86 combustion 1.2试验设备 1.3分析方法 图3为进行准颗粒燃烧的实验装置示意图，主 在不同类型准颗粒燃烧过程中，质量损失主要 要由石英管反应器、预热炉、供气系统、烟气分析系 是由下面的反应导致的P切： 统、质量分析系统组成.石英管反应器由一台精度 C(s)+02(g)→C02(g) (1) 为±1℃的温控器控制，采用电加热的方式进行加 CaCO,(s)CaO(s)+CO2 (g) (2) 热升温.石英管的内径和高度分别为60和500mm. C+CaC0,→Ca0+2C0 (3) 准颗粒放置在自制的石英篮中，用铂丝将石英篮连 C+Fe203→2Fe0+C0 (4) 接在METTLER TOLEDO AL204电子天平上，记录 准颗粒燃烧过程中，样品的质量转化率计算方 频率设为1s,精度为0.1mg.电子天平用来记录样 法如下所示： 品的质量变化，进而计算准颗粒燃烧阶段的质量转 x(0)=m0-m×100% (5) 化率.热电偶安插在炉膛中央靠近样品的位置，可 mo-m 以精确的控制反应温度.采用精度为±0.5%的 式中，x(t)是样品质量转化率；m。和m.分别是样品 ALICAT质量流量计来控制气体的流量，气体在进 的初始质量和最终质量，g;m,是样品在反应时间t 入石英管反应器之前先经过预热炉，预热炉的温度 时刻的瞬时质量，g 设置为200℃，对冷空气进行预热，避免其直接进入 在不同类型准颗粒的燃烧过程中，反应率不是 高温管式炉温差较大从而引起炉内温度场不均匀 常数，为了进一步探究不同工况下准颗粒的反应情 冷凝器和水浴装置用来冷却烟气并接收烟气中凝结 况，采用下式计算反应指数四： 的水分.干燥装置用来进一步除去烟气中的水分 尼505 (6) 过滤装置用来过滤掉烟气中的颗粒物和杂质，以免 T0.5马鹏楠等: 铁矿石烧结过程中不同类型准颗粒的燃烧特性 随后焦炭颗粒加水后放入，充分摇匀，则矿石粉和石 灰石粉均黏附在焦炭颗粒上，形成 S 型准颗粒; ( 2) C 型准颗粒: 将焦粉和石灰石粉按质量比 1∶ 1混匀 后放入圆柱形容器中，矿石颗粒加水后放入，充分摇 匀，则焦粉和石灰石粉均黏附在矿石颗粒上，形成 C 型准颗粒; ( 3) P 型准颗粒: 将焦粉、石灰粉、矿石粉 按一定的质量比加水混匀即可，其中石灰石与铁矿 石的质量比固定为 1∶ 1，焦炭的质量比例从 10% 变 化到 100% ; ( 4) S'型准颗粒为 + 1 mm 的焦炭颗粒． 不同类型的准颗粒样品质量均约为 1 g． 表 2 和表 3 分别给出了原料的化学组分及不同 粒径焦炭的含氮量分析． 实验前，所有的样品在 105 ℃的烘箱中放置 4 h 进行烘干． 表 2 原料化学组分( 质量分数) Table 2 Chemical composition of raw materials % 原料 Fe FeO Al2O3 SiO2 MgO CaO LOI1000* 铁矿石 62. 39 0. 35 2. 23 4. 28 0. 13 0. 15 3. 51 石灰石 0. 36 0. 10 0. 98 2. 23 0. 48 53. 40 42. 00 焦炭 1. 07 0 4. 32 6. 11 0. 04 0. 62 86. 85 注: * 表示样品在 1000 ℃下的烧失量． 表 3 不同粒径焦炭中氮元素质量分数 Table 3 Analysis of nitrogen content in coke of different particles sizes % 1. 0 ～ 1. 4 mm 1. 4 ～ 2. 0 mm 2. 0 ～ 2. 8 mm － 0. 25 mm 0. 92 0. 95 0. 92 0. 86 1. 2 试验设备 图 3 为进行准颗粒燃烧的实验装置示意图，主 要由石英管反应器、预热炉、供气系统、烟气分析系 统、质量分析系统组成． 石英管反应器由一台精度 为 ± 1 ℃的温控器控制，采用电加热的方式进行加 热升温． 石英管的内径和高度分别为 60 和 500 mm． 准颗粒放置在自制的石英篮中，用铂丝将石英篮连 接在 METTLEＲ TOLEDO AL204 电子天平上，记录 频率设为 1 s，精度为 0. 1 mg． 电子天平用来记录样 品的质量变化，进而计算准颗粒燃烧阶段的质量转 化率． 热电偶安插在炉膛中央靠近样品的位置，可 以精确的控 制 反 应 温 度． 采 用 精 度 为 ± 0. 5% 的 ALICAT 质量流量计来控制气体的流量，气体在进 入石英管反应器之前先经过预热炉，预热炉的温度 设置为 200 ℃，对冷空气进行预热，避免其直接进入 高温管式炉温差较大从而引起炉内温度场不均匀． 冷凝器和水浴装置用来冷却烟气并接收烟气中凝结 的水分． 干燥装置用来进一步除去烟气中的水分． 过滤装置用来过滤掉烟气中的颗粒物和杂质，以免 堵塞损坏烟气分析仪． 实验时，炉温按照 10 ℃· min － 1的升温速率进行升温，达到预定的温度后，通 入空气，5 min 后打开电子天平及烟气分析仪记录数 据，然后放入实验样品，以保证质量测量和气体测量 的准确性． 当天平记录的质量示数不变时，结束实验． 供 气系统由 N2 和 O2 组成，体积分数设置为 21% O2 : 79% N2，总气流率为 5 L·min － 1 ． 采用 Testo 350 烟 气分析仪分析烟气的成分，取样时间设置为 5 s，温 度选 取 1073、1173 和 1273 K 3 个温度水平进行 研究． 图 3 准颗粒燃烧试验台 Fig． 3 Schematic diagram of the experimental rig for quasi-particle combustion 1. 3 分析方法 在不同类型准颗粒燃烧过程中，质量损失主要 是由下面的反应导致的［2，17］: C( s) + O2 ( g) →CO2 ( g) ( 1) CaCO3 ( s) →CaO( s) + CO2 ( g) ( 2) C + CaCO3→CaO + 2CO ( 3) C + Fe2O3→2FeO + CO ( 4) 准颗粒燃烧过程中，样品的质量转化率计算方 法如下所示: x( t) = m0 － mt m0 － m∞ × 100% ( 5) 式中，x( t) 是样品质量转化率; m0 和 m∞ 分别是样品 的初始质量和最终质量，g; mt 是样品在反应时间 t 时刻的瞬时质量，g． 在不同类型准颗粒的燃烧过程中，反应率不是 常数，为了进一步探究不同工况下准颗粒的反应情 况，采用下式计算反应指数［23］: Ｒ0. 5 = 0. 5 τ0. 5 ( 6) · 913 ·