工程科学学报.第42卷，第2期：163-171.2020年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.2:163-171,February 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.21.001;http://cje.ustb.edu.cn 基于优化粗粒级固体燃料赋存形态的铁矿烧结过程NO, 减排 阙志刚1,2)，吴胜利区，艾仙斌2) 1)北京科技大学治金与生态学院，北京1000832)江西省科学院能源研究所.南昌330096 ☒通信作者，E-mail:wushengli@ustb.edu.cn 摘要铁矿烧结工序作为钢铁行业NO,排放的主要来源，在当前高压环保态势下减少其NO,排放迫在眉睫.烧结过程 NO,主要产生于固体燃料燃烧过程，而粗粒级燃料的赋存形态会影响其NO,排放.基于此，本研究采用可视化微型烧结燃烧 装置研究裸露型和被覆型粗粒级焦粉的燃烧行为，以及优化其配加模式对NO,排放和烧结固结强度的影响规律，并烧结杯实 验研究兼顾NO,减排和烧结产质量指标的适宜粗粒级燃料赋存形态.结果表明，相比裸露型粗粒级焦粉，表面被覆铁酸钙细 粉时其NO,排放降低约56%：分加粗粒级焦粉以调控其为裸露型时，NO,排放增加约10%，且烧结矿强度降低，而控制粒度 为0.5~3.15mm以调控其为被覆型时.NO,最大体积分数和N元素转化率分别降低约8%和27%，且烧结各项产质量指标均 得到改善. 关键词铁矿烧结：NO:固体燃料：赋存形态：燃烧行为：配加模式 分类号TF046.4 To reduce NOx emission based on optimizing the existing states of coarse coke breeze during iron ore sintering process QUE Zhi-gang2,WU Sheng-li,Al Xian-bin) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Institute of Energy Research,Jiangxi Academy of Science,Nanchang 330096,China Corresponding author,E-mail:wushengli@ustb.edu.cn ABSTRACT With the development of the iron and steel industry,the amount of NO,emissions is increasing year by year,and this causes environmental pollution in forms such as acidic rain and photochemical smog,which greatly threatens human health and social development.The iron and steel industry is one of the major sources of NO,emissions,accounting for more than 10%of the total NO, emissions,and the iron ore sintering process is one of the major sources of NO,emissions in the iron and steel industry,as it accounts for more than 50%of the total emissions of iron and steel plants.Hence,it is extremely urgent to reduce NO,emissions under the current high requirements of environmental protection.Since sintering gas is characterized by large volume,high dust and oxygen content,low NO,concentration,and the presence of SO2,available technologies used in De-NO,have the disadvantages of low efficiency and high investment and cost.Presently,how to cost-effectively reduce the NO,emission of the iron ore sintering process is a new challenge in the iron and steel industry.In the sintering process,NO is mainly generated in the combustion of solid fuels,which is affected by the existing states of coarse solid fuels.Hence,the combustion behaviors of uncovered and coated coarse coke breeze and the effects of their addition methods on the NO,emission and the bonding strength of the sinter were investigated by the visible micro sintering and 收稿日期：2019-02-21 基金项目：国家自然科学基金资助项目(5190040957)：江西省自然科学基金资助项目(20192BAB216018):江西省科学院博士资助项目 (2018-YYB-05);普惠制一类资助项目(2018-XTPH1-05)
基于优化粗粒级固体燃料赋存形态的铁矿烧结过程 NOx 减排 阙志刚1,2)，吴胜利1) 苣，艾仙斌2) 1) 北京科技大学冶金与生态学院，北京 100083 2) 江西省科学院能源研究所，南昌 330096 苣通信作者，E-mail: wushengli@ustb.edu.cn 摘 要 铁矿烧结工序作为钢铁行业 NOx 排放的主要来源，在当前高压环保态势下减少其 NOx 排放迫在眉睫. 烧结过程 NOx 主要产生于固体燃料燃烧过程，而粗粒级燃料的赋存形态会影响其 NOx 排放. 基于此，本研究采用可视化微型烧结燃烧 装置研究裸露型和被覆型粗粒级焦粉的燃烧行为，以及优化其配加模式对 NOx 排放和烧结固结强度的影响规律，并烧结杯实 验研究兼顾 NOx 减排和烧结产质量指标的适宜粗粒级燃料赋存形态. 结果表明，相比裸露型粗粒级焦粉，表面被覆铁酸钙细 粉时其 NOx 排放降低约 56%；分加粗粒级焦粉以调控其为裸露型时，NOx 排放增加约 10%，且烧结矿强度降低，而控制粒度 为 0.5～3.15 mm 以调控其为被覆型时，NOx 最大体积分数和 N 元素转化率分别降低约 8% 和 27%，且烧结各项产质量指标均 得到改善. 关键词 铁矿烧结；NOx；固体燃料；赋存形态；燃烧行为；配加模式 分类号 TF046.4 To reduce NOx emission based on optimizing the existing states of coarse coke breeze during iron ore sintering process QUE Zhi-gang1,2) ，WU Sheng-li1) 苣 ，AI Xian-bin2) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Institute of Energy Research, Jiangxi Academy of Science, Nanchang 330096, China 苣 Corresponding author, E-mail: wushengli@ustb.edu.cn ABSTRACT With the development of the iron and steel industry, the amount of NOx emissions is increasing year by year, and this causes environmental pollution in forms such as acidic rain and photochemical smog, which greatly threatens human health and social development. The iron and steel industry is one of the major sources of NOx emissions, accounting for more than 10% of the total NOx emissions, and the iron ore sintering process is one of the major sources of NOx emissions in the iron and steel industry, as it accounts for more than 50% of the total emissions of iron and steel plants. Hence, it is extremely urgent to reduce NOx emissions under the current high requirements of environmental protection. Since sintering gas is characterized by large volume, high dust and oxygen content, low NOx concentration, and the presence of SO2 , available technologies used in De-NOx have the disadvantages of low efficiency and high investment and cost. Presently, how to cost-effectively reduce the NOx emission of the iron ore sintering process is a new challenge in the iron and steel industry. In the sintering process, NOx is mainly generated in the combustion of solid fuels, which is affected by the existing states of coarse solid fuels. Hence, the combustion behaviors of uncovered and coated coarse coke breeze and the effects of their addition methods on the NOx emission and the bonding strength of the sinter were investigated by the visible micro sintering and 收稿日期: 2019−02−21 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（5190040957）；江西省自然科学基金资助项目（20192BAB216018）；江西省科学院博士资助项目 （2018-YYB-05）；普惠制一类资助项目（2018-XTPH1-05） 工程科学学报，第 42 卷，第 2 期：163−171，2020 年 2 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 2: 163−171, February 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.21.001; http://cje.ustb.edu.cn
164 工程科学学报，第42卷，第2期 combustion equipment.Then,the optimal existing state of coarse coke breeze was explored by sinter pot tests.The results show that compared with the uncovered coarse coke breeze,the NO,emission decreases by 56%when coarse coke breeze is coated with calcium ferrite fines.As the coarse coke breeze is separated and controlled to be in an uncovered state,then it is added into the sintering materials after first mixing process,NO,emission increases by about 56%and the strength of the sinter decreases.The maximum concentration of NO,and conversion rate of N element decrease by 8%and 27%,respectively,when the coke breeze is a coated state by controlling in the size of 0.50-3.15 mm,respectively.The sinter indexes are also improved. KEY WORDS iron ore sinter;NO,;solid fuel;existing state;combustion behavior;adding method NO,作为光化学烟雾、酸雨、雾霾等污染现象 料燃烧过程的NO排放的影响，但是均对其燃烧 形成的主要元凶之一，其严重危害人类健康和社 行为与NO,排放之间的关系并未进行深人研究 会发展.钢铁行业作为NO,排放大户，据《2015年 此外，虽然Kasai等研究了被覆型和球团型赋存 中国环境状况公报》显示，仅2015年其NO,排放 形态对烧结NO,排放和烧结产质量指标的影响， 量达55.1万吨，位居全国各工业排放源前列，而铁 但由于固体燃料主要为粗颗粒，在实际烧结过程 矿烧结工序作为钢铁工业NO排放的主要来源， 中可在不改变固体燃料粒度的条件下，通过燃料 其占比高达50%-)在此背景下，一方面，国家生 分加或分割制粒等方法较易调控粗粒级固体燃料 态环境部发布了《钢铁烧结、球团工业大气污染物 为裸露型或被覆型赋存形态，而目前缺少上述两 排放标准》，要求现有钢铁企业烧结机排放的烟气 种赋存形态对烧结NO,排放和产质量指标的影响 中，氨氧化物（以NO2计）的排放浓度严格限制为 规律，导致难以有效减少烧结工序NO,排放.基于 300mgm3;另一方面，《中华人民共和国环境保护 此，本研究拟针对粗粒级固体燃料，分别研究其为 税法》规定，自2018年1月1日起，直接向环境排 裸露型和被覆型时的燃烧行为及其对NO,排放的 放污染物的企事业单位和其他生产经营者为环境 影响规律，同时通过优化配加模式，考察调控其赋 保护税的纳税人，应当依法缴纳环境保护税，且 存形态对烧结NO,排放和固结强度的影响规律， 我国多省份环保部门均大幅提高氮氧化物排放的 并在此基础上进行烧结杯中式实验，探究兼顾 收费标准.因此，在高压环保态势和高额环境保护 NO,减排和烧结产质量指标的适宜粗粒级固体燃 税下，钢铁企业减少铁矿烧结工序NO,排放迫在 料赋存形态 眉睫 根据铁矿石烧结过程NO形成机理可知刀， 1原料条件及实验方法 铁矿烧结工序NO,主要由固体燃料中含氮有机官 1.1原料条件 能团(Fuel-N)在高温下与氧气反应形成，亦称为燃 本研究选取国内某钢铁厂烧结常用焦粉作为 料型NO,且95%以上为NO.而Hida等图研究发 研究对象，其工业分析、元素分析和着火温度，以 现，在烧结料层内固体燃料主要是以被覆型（焦粉 及低位热值如表1所示，其粒度组成见表2所示. 粗颗粒表面被覆粘附粉)、外包型（焦粉和粘附粉 从表1中可以看出，焦粉中N的质量分数约 组成的混合细粉覆盖于铁矿粉粗颗粒表面)、球团 为0.97%，且其着火温度约为563℃.此外，从表2 型（焦粉和粘附粉组成的混合细粉自成球）等形式 中可以看出，焦粉的大粒度和小粒度比例均较少， 存在，且三种赋存形态的比例分别为70%、25%和 且其平均粒度仅为1.48mm.根据Hida等图研究 5%.另外，可通过烧结技术调控使粗颗粒燃料转 结果表明，在烧结料层内固体燃料主要以被覆型、 变为裸露型.针对上述四种赋存形态，Ohno等l2 外包型、球团型等形式存在，且其质量分数分别约 研究了其燃烧速率和周围的温度分布，而Zhou等3-1] 为70%、25%和5%.对于焦粉而言，其>0.5mm粒 则研究了反应温度和循环烟气成分对上述四种燃 级所占比例达到68.7%，与被覆型焦粉所占比例焦 表1焦粉的化学成分、热值及着火温度 Table 1 Chemical composition,low calorific value,and ignition temperature of coke breeze 工业分析（质量分数）/% 元素分析（质量分数）/% 燃料种类 着火温度℃ 低位热值/kJkg) 固定碳 挥发分灰分 工业水分 C 女 N 焦粉 82.19 1.25 12.63 3.93 85.55 0.11 0.97 562.8 29313
combustion equipment. Then, the optimal existing state of coarse coke breeze was explored by sinter pot tests. The results show that compared with the uncovered coarse coke breeze, the NOx emission decreases by 56% when coarse coke breeze is coated with calcium ferrite fines. As the coarse coke breeze is separated and controlled to be in an uncovered state, then it is added into the sintering materials after first mixing process, NOx emission increases by about 56% and the strength of the sinter decreases. The maximum concentration of NOx and conversion rate of N element decrease by 8% and 27%, respectively, when the coke breeze is a coated state by controlling in the size of 0.50−3.15 mm, respectively. The sinter indexes are also improved. KEY WORDS iron ore sinter；NOx；solid fuel；existing state；combustion behavior；adding method NOx 作为光化学烟雾、酸雨、雾霾等污染现象 形成的主要元凶之一，其严重危害人类健康和社 会发展. 钢铁行业作为 NOx 排放大户，据《2015 年 中国环境状况公报》显示，仅 2015 年其 NOx 排放 量达 55.1 万吨，位居全国各工业排放源前列，而铁 矿烧结工序作为钢铁工业 NOx 排放的主要来源， 其占比高达 50% [1−3] . 在此背景下，一方面，国家生 态环境部发布了《钢铁烧结、球团工业大气污染物 排放标准》，要求现有钢铁企业烧结机排放的烟气 中，氮氧化物（以 NO2 计）的排放浓度严格限制为 300 mg·m−3；另一方面，《中华人民共和国环境保护 税法》规定，自 2018 年 1 月 1 日起，直接向环境排 放污染物的企事业单位和其他生产经营者为环境 保护税的纳税人，应当依法缴纳环境保护税，且 我国多省份环保部门均大幅提高氮氧化物排放的 收费标准. 因此，在高压环保态势和高额环境保护 税下，钢铁企业减少铁矿烧结工序 NOx 排放迫在 眉睫. 根据铁矿石烧结过程 NOx 形成机理可知[4−7] ， 铁矿烧结工序 NOx 主要由固体燃料中含氮有机官 能团（Fuel-N）在高温下与氧气反应形成，亦称为燃 料型 NOx，且 95% 以上为 NO. 而 Hida 等[8] 研究发 现，在烧结料层内固体燃料主要是以被覆型（焦粉 粗颗粒表面被覆粘附粉）、外包型（焦粉和粘附粉 组成的混合细粉覆盖于铁矿粉粗颗粒表面）、球团 型（焦粉和粘附粉组成的混合细粉自成球）等形式 存在，且三种赋存形态的比例分别为 70%、25% 和 5%. 另外，可通过烧结技术调控使粗颗粒燃料转 变为裸露型. 针对上述四种赋存形态，Ohno 等[9−12] 研究了其燃烧速率和周围的温度分布，而 Zhou 等[13−14] 则研究了反应温度和循环烟气成分对上述四种燃 料燃烧过程的 NOx 排放的影响，但是均对其燃烧 行为与 NOx 排放之间的关系并未进行深入研究. 此外，虽然 Kasai 等[15] 研究了被覆型和球团型赋存 形态对烧结 NOx 排放和烧结产质量指标的影响， 但由于固体燃料主要为粗颗粒，在实际烧结过程 中可在不改变固体燃料粒度的条件下，通过燃料 分加或分割制粒等方法较易调控粗粒级固体燃料 为裸露型或被覆型赋存形态，而目前缺少上述两 种赋存形态对烧结 NOx 排放和产质量指标的影响 规律，导致难以有效减少烧结工序 NOx 排放. 基于 此，本研究拟针对粗粒级固体燃料，分别研究其为 裸露型和被覆型时的燃烧行为及其对 NOx 排放的 影响规律，同时通过优化配加模式，考察调控其赋 存形态对烧结 NOx 排放和固结强度的影响规律， 并在此基础上进行烧结杯中式实验 ，探究兼顾 NOx 减排和烧结产质量指标的适宜粗粒级固体燃 料赋存形态. 1 原料条件及实验方法 1.1 原料条件 本研究选取国内某钢铁厂烧结常用焦粉作为 研究对象，其工业分析、元素分析和着火温度，以 及低位热值如表 1 所示，其粒度组成见表 2 所示. 从表 1 中可以看出，焦粉中 N 的质量分数约 为 0.97%，且其着火温度约为 563 ℃. 此外，从表 2 中可以看出，焦粉的大粒度和小粒度比例均较少， 且其平均粒度仅为 1.48 mm. 根据 Hida 等[8] 研究 结果表明，在烧结料层内固体燃料主要以被覆型、 外包型、球团型等形式存在，且其质量分数分别约 为 70%、25% 和 5%. 对于焦粉而言，其>0.5 mm 粒 级所占比例达到 68.7%，与被覆型焦粉所占比例焦 表 1 焦粉的化学成分、热值及着火温度 Table 1 Chemical composition, low calorific value, and ignition temperature of coke breeze 燃料种类 工业分析（质量分数）/% 元素分析（质量分数）/% 着火温度/℃ 低位热值/ (kJ·kg−1) 固定碳 挥发分 灰分 工业水分 C H N 焦粉 82.19 1.25 12.63 3.93 85.55 0.11 0.97 562.8 29313 · 164 · 工程科学学报，第 42 卷，第 2 期
阙志刚等：基于优化粗粒级固体燃料赋存形态的铁矿烧结过程NO减排 165· 表2焦粉的粒度组成 Table 2 Size distribution of coke breeze 各粒级所占质量分数/% 燃料种类 平均粒径mm >5.0mm3.15~5.0mm2~3.15mm1.0-2.0mm0.51.0mm0.250.5mm 0.15-0.25mm<0.15mm 焦粉 2.60 9.70 8.40 16.6 31.4 15.20 11.40 4.70 1.48 粉接近，而小于0.5mm比例为31.3%，则是外包型 空白对照.而为更贴近实际烧结过程液相融化过 和球团型的累加.由此可知，在实际烧结过程中焦 程，选择铁酸钙细粉(CF:FeO3纯试剂与Ca(OH)2 粉>0.5mm粒级均可作为核颗粒 纯试剂摩尔比为1：1)作为粘附粉，C℉小球和粘 1.2实验方法 附粉质量均为0.6g:再者，通过调控传动装置以不 1.2.1燃烧实验 同速率将焦粉逐渐送至高温区，传动装置以电机 根据焦粉粒度分布及其赋存形态可知，焦粉 作为传动动力，进行横向传动，开始以7 cm-min 中主要为粗粒级，且在烧结料层内主要以被覆型 匀速到达高温区，并在恒温区保持不动，之后以 存在，而在实际烧结过程中，通常可通过粗粒级分 9.8 cmmin退出高温区，该过程中热电偶-2所示 加以调控粗粒级燃料由被覆型转变为裸露型.基 温度如图3所示，且该过程焦粉在全程2Lmin, 于此，为了研究实际烧结过程中粗粒级固体燃料 空气气氛下进行燃烧，同时开启红外气体分析仪 的燃烧行为及其对NO,排放的影响规律，本论文 (德国MRU公司OPTIMA7)在线测试系统，记录 采用可视化微型烧结装置模拟实际烧结料层内粗 不同粒级焦粉燃烧过程各主要气体成分的体积分 粒级焦粉燃烧过程，其示意图如图1所示.具体操 数变化规律 作步骤如下：首先，实验前按照10℃min的升温 1.2.2固结实验 速率将炉膛加热至目标温度（热电偶-1显示目标 根据国内某大型钢厂实际烧结混合料中各物 温度)；其次，分别将焦粉粗颗粒和焦粉粗颗粒被 质的配比及其粒度分布，分别如表3和表4所示 覆A12O3纯试剂、焦粉粗颗粒+旁边置放铁酸钙小 一般认为在烧结混合料制粒过程中，含铁原料和 球、焦粉粗颗粒被覆铁酸钙细粉等四种准颗粒（如 熔剂中>1.0mm㎡粒级作为核颗粒，<0.5mm粒级作 图2所示)，置于底部铺有孔洞的石英片和直径为 为粘附粉，而0.5~1.0mm粒级称为中间颗粒，既 2mm氧化铝小球(2-3层，均匀气流)的石英杯（内 不做核颗粒亦不做粘附粉.基于此，为了模拟实际 径为20mm,高度为27mm)中，其中，为了便于观 烧结过程，在实验过程中，分别使用1.8~2.0mm 察焦粉粗颗粒的行为，本论文选择6.3~8.0mm焦 粒级和<0.15mm粒级分别代替实际烧结过程中含 粉粗颗粒(0.2g)作为研究对象，且由于A12O3对焦 铁原料和熔剂的>1.0mm和<0.5mm粒级，而 粉燃烧过程CO和NO的生成无影响)，故选作为 0.5~1.0mm粒级保持不变.此外，烧结矿的SiO2 L=800 mm 0=60mm L,=400mm 热电偶-2 高温摄像头热电偶-1刚玉管SC电热丝 耐火材料 石英杯 计 =27m 试样 OO●OO● 空气 A,O,小球 d-22 mm 烟气分析仪 图1可视化微型烧结燃烧装置 Fig.I Schematic diagram of the visible micro sintering and combustion equipment
粉接近，而小于 0.5 mm 比例为 31.3%，则是外包型 和球团型的累加. 由此可知，在实际烧结过程中焦 粉>0.5 mm 粒级均可作为核颗粒. 1.2 实验方法 1.2.1 燃烧实验 根据焦粉粒度分布及其赋存形态可知，焦粉 中主要为粗粒级，且在烧结料层内主要以被覆型 存在，而在实际烧结过程中，通常可通过粗粒级分 加以调控粗粒级燃料由被覆型转变为裸露型. 基 于此，为了研究实际烧结过程中粗粒级固体燃料 的燃烧行为及其对 NOx 排放的影响规律，本论文 采用可视化微型烧结装置模拟实际烧结料层内粗 粒级焦粉燃烧过程，其示意图如图 1 所示. 具体操 作步骤如下：首先，实验前按照 10 ℃·min−1 的升温 速率将炉膛加热至目标温度（热电偶−1 显示目标 温度）；其次，分别将焦粉粗颗粒和焦粉粗颗粒被 覆 Al2O3 纯试剂、焦粉粗颗粒+旁边置放铁酸钙小 球、焦粉粗颗粒被覆铁酸钙细粉等四种准颗粒（如 图 2 所示），置于底部铺有孔洞的石英片和直径为 2 mm 氧化铝小球（2-3 层，均匀气流）的石英杯（内 径为 20 mm，高度为 27 mm）中，其中，为了便于观 察焦粉粗颗粒的行为，本论文选择 6.3～8.0 mm 焦 粉粗颗粒（0.2 g）作为研究对象，且由于 Al2O3 对焦 粉燃烧过程 CO 和 NO 的生成无影响[15] ，故选作为 空白对照. 而为更贴近实际烧结过程液相融化过 程，选择铁酸钙细粉（CF：Fe2O3 纯试剂与 Ca（OH）2 纯试剂摩尔比为 1∶1）作为粘附粉，CF 小球和粘 附粉质量均为 0.6 g；再者，通过调控传动装置以不 同速率将焦粉逐渐送至高温区，传动装置以电机 作为传动动力，进行横向传动，开始以 7 cm·min−1 匀速到达高温区，并在恒温区保持不动，之后以 9.8 cm·min−1 退出高温区，该过程中热电偶−2 所示 温度如图 3 所示，且该过程焦粉在全程 2 L·min−1 ， 空气气氛下进行燃烧，同时开启红外气体分析仪 （德国 MRU 公司 OPTIMA 7）在线测试系统，记录 不同粒级焦粉燃烧过程各主要气体成分的体积分 数变化规律. 1.2.2 固结实验 根据国内某大型钢厂实际烧结混合料中各物 质的配比及其粒度分布，分别如表 3 和表 4 所示. 一般认为在烧结混合料制粒过程中，含铁原料和 熔剂中>1.0 mm 粒级作为核颗粒，<0.5 mm 粒级作 为粘附粉，而 0.5～1.0 mm 粒级称为中间颗粒，既 不做核颗粒亦不做粘附粉. 基于此，为了模拟实际 烧结过程，在实验过程中，分别使用 1.8～2.0 mm 粒级和<0.15 mm 粒级分别代替实际烧结过程中含 铁 原 料 和 熔 剂 的 >1.0 mm 和 <0.5 mm 粒 级 ， 而 0.5～1.0 mm 粒级保持不变. 此外，烧结矿的 SiO2 L=800 mm d=22 mm h=27 mm D=60 mm L1 =400 mm 高温摄像头 热电偶-1 热电偶-2 烟气分析仪 刚玉管 SiC电热丝 耐火材料 石英杯 流 量 计 空 气 试样 Al2O3小球 图 1 可视化微型烧结燃烧装置 Fig.1 Schematic diagram of the visible micro sintering and combustion equipment 表 2 焦粉的粒度组成 Table 2 Size distribution of coke breeze 燃料种类 各粒级所占质量分数/% 平均粒径/mm >5.0 mm 3.15～5.0 mm 2～3.15 mm 1.0～2.0 mm 0.5～1.0 mm 0.25～0.5 mm 0.15～0.25 mm <0.15 mm 焦粉 2.60 9.70 8.40 16.6 31.4 15.20 11.40 4.70 1.48 阙志刚等： 基于优化粗粒级固体燃料赋存形态的铁矿烧结过程 NOx减排 · 165 ·
166 工程科学学报，第42卷，第2期 焦粉 纯试剂 ①裸露型焦粉粗颗粒 ③被覆型焦粉粗颗粒-A2O,细粉 Fe,O, 纯试剂 Ca(OH) 纯试剂 ②裸露型焦粉粗颗粒+铁酸一钙球 ④被覆型焦粉粗颗粒-铁酸一钙细粉 图2燃烧实验中准颗粒试样 Fig.2 Quasi-particles samples of combustion test 1400 质的配比，在微型圆盘造球机造球后，将准颗粒置 1280℃ 1200 于100℃烘箱中千燥2h后，装入石英杯中，并采 1000 用图1所示微型烧结装置，按照图2所示温度制度 800 和全程为2Lmin空气气氛进行固结实验，同时 开启红外气体分析仪在线测试系统，测定不同粒 600 度焦粉燃烧过程各气体体积分数和烧结体固结强 400 度的变化规律 200 7min 5 min 自然冷却 空气 空气 空气 为了明晰不同粒级焦粉在烧结料层内的燃烧 11 200 400600 800 10001200 行为及其NO,排放特征，本研究通过使用焦粉的 时间/s 燃烧速率、各气体排放总量、NO最大体积分数、 图3燃烧实验的温度制度和气氛 N转化率()等指标对其进行表征，其计算公式 Fig.3 Temperature system and atmosphere of combustion test 如式(1)~(4)所示 质量分数为4.80%，碱度为1.80，Al203质量分数为 Fa(co+:)Mc Y= (1) 1.70%,Mg0质量分数为1.70%.按照表3中各物 60mcokewC.coke Vmol 表3烧结混合料中各物料配比（质量分数） Table 3 Proportions of raw materials in sinter mixture % 物料 混匀矿 生石灰 石灰石 白云石 蛇纹石 返矿 焦粉 合计 配比 61.43 3.50 1.37 4.43 0.28 25.00 4.00 100.00 表4烧结混合料中各物料的粒度组成（质量分数） Table 4 Size composition of raw materials in sinter mixture % 物料>10mm8~10mm 5~8mm3~5mm2-~3mm1~2mm 0.5~1mm 0.25~0.5mm 0.15~0.25mm <0.15mm 混匀矿 4.28 4.41 11.24 11.99 9.96 15.67 12.41 9.83 8.10 12.75 生石灰 0 0 0 0.14 1.33 4.15 6.00 12.28 14.24 61.87 石灰石 0 0 0.13 8.99 11.89 19.67 19.89 8.53 5.14 25.74 白云石 0 0 0 3.11 13.96 21.83 18.77 11.13 10.37 20.84 蛇纹石 0 0 0 5.50 14.50 28.45 20.45 12.10 8.35 10.65 返矿 0.49 0.97 20.54 47.61 11.83 9.10 4.79 2.25 2.43 0
质量分数为 4.80%，碱度为 1.80，Al2O3 质量分数为 1.70%，MgO 质量分数为 1.70%. 按照表 3 中各物 质的配比，在微型圆盘造球机造球后，将准颗粒置 于 100 ℃ 烘箱中干燥 2 h 后，装入石英杯中，并采 用图 1 所示微型烧结装置，按照图 2 所示温度制度 和全程为 2 L·min−1 空气气氛进行固结实验，同时 开启红外气体分析仪在线测试系统，测定不同粒 度焦粉燃烧过程各气体体积分数和烧结体固结强 度的变化规律. 为了明晰不同粒级焦粉在烧结料层内的燃烧 行为及其 NOx 排放特征，本研究通过使用焦粉的 燃烧速率、各气体排放总量、NO 最大体积分数、 N 转化率（ηN）等指标对其进行表征，其计算公式 如式（1）～（4）所示. νt= Fg(c CO t +c CO2 t )MC 60mcokeωC,cokeVmol （1） 焦粉 Al2O3 纯试剂 Fe2O3 纯试剂 Ca(OH)2 纯试剂 ①裸露型焦粉粗颗粒 ②裸露型焦粉粗颗粒+铁酸一钙球 ③被覆型焦粉粗颗粒-Al2O3细粉 ④被覆型焦粉粗颗粒-铁酸一钙细粉 图 2 燃烧实验中准颗粒试样 Fig.2 Quasi-particles samples of combustion test 温度/℃ 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 200 400 600 800 1000 1200 时间/s 自然冷却 空气 空气 空气 1280 ℃ 7 min 5 min 图 3 燃烧实验的温度制度和气氛 Fig.3 Temperature system and atmosphere of combustion test 表 3 烧结混合料中各物料配比（质量分数） Table 3 Proportions of raw materials in sinter mixture % 物料 混匀矿 生石灰 石灰石 白云石 蛇纹石 返矿 焦粉 合计 配比 61.43 3.50 1.37 4.43 0.28 25.00 4.00 100.00 表 4 烧结混合料中各物料的粒度组成（质量分数） Table 4 Size composition of raw materials in sinter mixture % 物料 >10 mm 8～10 mm 5～8 mm 3～5 mm 2～3 mm 1～2 mm 0.5～1 mm 0.25～0.5 mm 0.15～0.25 mm <0.15 mm 混匀矿 4.28 4.41 11.24 11.99 9.96 15.67 12.41 9.83 8.10 12.75 生石灰 0 0 0 0.14 1.33 4.15 6.00 12.28 14.24 61.87 石灰石 0 0 0.13 8.99 11.89 19.67 19.89 8.53 5.14 25.74 白云石 0 0 0 3.11 13.96 21.83 18.77 11.13 10.37 20.84 蛇纹石 0 0 0 5.50 14.50 28.45 20.45 12.10 8.35 10.65 返矿 0.49 0.97 20.54 47.61 11.83 9.10 4.79 2.25 2.43 0 · 166 · 工程科学学报，第 42 卷，第 2 期
阙志刚等：基于优化粗粒级固体燃料赋存形态的铁矿烧结过程NO减排 ·167· 率，故本研究选择从2.0m高处，自由落下五次 SNo=Jo r'tend FacNo MNO·l03 60Vmol d (2) 后+5.0mm烧结体质量比作为表征烧结体固结强 Scooc 度的指标，其计算公式如式(5)所示 (3) 60Vmol BS=m5X100% (5) M0.sinter SNOMN iin -×100% (4) mcokeN.coke MNO 式中：BS为烧结体固结强度，%；mo,.sinter为固结实 式中：y,为焦粉燃烧过程1时刻C元素的燃烧比 验后烧结体初始质量，g;m5为连续落下5次后+5mm 例，s;SNO SCo分别为燃烧全程NO、CO气体的 烧结体质量，g 排放总量，mg:为燃烧全程焦粉中N元素转化 2结果 为NO的比例，%；O:、c0、co分别为焦粉燃烧 2.1粗粒级固体燃料的燃烧行为变化规律 过程1时刻排放烟气中CO2、CO、NO气体的体积 图4显示的是不同赋存形态粗粒级焦粉的燃 分数，%；F为实验过程中空气流量，2Lmin; 烧行为变化规律.从图4中可以看出，对于裸露型 Lend为燃烧结束时间，s;mcoke为实验过程中焦粉的 焦粉、被覆型焦粉-氧化铝、裸露型焦粉+C℉而 质量，g:oc,coke为焦粉中C元素质量分数，%； 言，当温度高于1000℃时焦粉粗颗粒开始剧烈燃 ,coke为焦粉中N元素质量分数，%：Mc为C元 烧，表面温度显著升高，呈现亮白色.随着燃烧的 素的摩尔质量，12 gmol;M为N元素的摩尔质 进行，焦粉粗颗粒逐渐变小，且在恒温段第5min 量，14gmo;Mo为NO的摩尔质量，30 g mol; 中时基本燃烧尽.然而，就被覆型焦粉C℉而言， Mco为C0的摩尔质量，28gmol；'mo为273K 当温度高于1000℃时，其表面C℉细粉开始融化， 下标准摩尔体积，22.4Lmo 焦粉逐渐由被覆型转变为裸露型，且其燃烧速率 在实际烧结过程中，+5.0mm烧结矿主要表征 相比于前三种焦粉粗颗粒显著更快 着烧结矿的成品率，即烧结矿的粘结好坏程度，而 2.2 粗粒级固体燃料燃烧过程NO,排放规律 本论文选择的落下强度更贴近于烧结矿的成品 图5显示的是不同赋存形态粗粒级焦粉燃烧 1280℃ 1280℃ 800℃ 900℃ 1000℃ 1100℃ 1200℃ 1250℃ (开始) (结束) 裸露型 焦粉 被覆型焦 粉-氧化铝 裸露型焦 粉+CF球 被覆型 焦粉-CF 图4不同赋存形态粗粒级焦粉的燃烧行为 Fig.4 Combustion behavior of different existing states of coarse coke breeze 过程其NO排放体积分数和N元素转化率的变化 铝、裸露型焦粉+CF而言，其NO排放体积分数均 规律.从图5中可以看出，各赋存形态粗颗粒焦粉 呈现“倒V”字型增长，而被覆型焦粉C℉则呈现 的NO开始生成温度基本相同，均约为720℃，且 “倒W”型增长.就NO排放体积分数和N元素转 其排放体积分数达到峰值温度和排放结束时间均 化率而言，基本均呈现裸露型焦粉最高，被覆型焦 基本相同.对于裸露型焦粉、被覆型焦粉-氧化 粉-氧化铝和裸露型焦粉+C℉略微降低，被覆型焦
S NO = w tend 0 Fgc NO t MNO · 103 60Vmol dt （2） S CO = w tend 0 Fgc CO t MCO · 103 60Vmol dt （3） ηN = S NOMN mcokeωN,cokeMNO ×100% （4） c CO2 t c CO t c NO t 式中：νt 为焦粉燃烧过程 t 时刻 C 元素的燃烧比 例，s −1 ；SNO、SCO 分别为燃烧全程 NO、CO 气体的 排放总量，mg；ηN 为燃烧全程焦粉中 N 元素转化 为 NO 的比例，%； 、 、 分别为焦粉燃烧 过程 t 时刻排放烟气中 CO2、CO、NO 气体的体积 分数 ， %； Fg 为实验过程中空气流量 ， 2 L·min−1 ； tend 为燃烧结束时间，s；mcoke 为实验过程中焦粉的 质量 ， g； ωC, coke 为焦粉 中 C 元素质量分数 ， %； ωN, coke 为焦粉中 N 元素质量分数，%；MC 为 C 元 素的摩尔质量，12 g·mol−1 ；MN 为 N 元素的摩尔质 量 ，14 g·mol−1 ；MNO 为 NO 的摩尔质量，30 g·mol−1 ； MCO 为 CO 的摩尔质量 ， 28 g·mol−1 ； Vmol 为 273 K 下标准摩尔体积，22.4 L·mol−1 . 在实际烧结过程中，+5.0 mm 烧结矿主要表征 着烧结矿的成品率，即烧结矿的粘结好坏程度，而 本论文选择的落下强度更贴近于烧结矿的成品 率，故本研究选择从 2.0 m 高处，自由落下五次 后+5.0 mm 烧结体质量比作为表征烧结体固结强 度的指标，其计算公式如式（5）所示. BS= m5 m0,sinter ×100% （5） 式中：BS 为烧结体固结强度，%；m0, sinter 为固结实 验后烧结体初始质量，g；m5 为连续落下 5 次后+5 mm 烧结体质量，g. 2 结果 2.1 粗粒级固体燃料的燃烧行为变化规律 图 4 显示的是不同赋存形态粗粒级焦粉的燃 烧行为变化规律. 从图 4 中可以看出，对于裸露型 焦粉、被覆型焦粉−氧化铝、裸露型焦粉+CF 而 言，当温度高于 1000 ℃ 时焦粉粗颗粒开始剧烈燃 烧，表面温度显著升高，呈现亮白色. 随着燃烧的 进行，焦粉粗颗粒逐渐变小，且在恒温段第 5 min 中时基本燃烧尽. 然而，就被覆型焦粉−CF 而言， 当温度高于 1000 ℃ 时，其表面 CF 细粉开始融化， 焦粉逐渐由被覆型转变为裸露型，且其燃烧速率 相比于前三种焦粉粗颗粒显著更快. 2.2 粗粒级固体燃料燃烧过程 NOx 排放规律 图 5 显示的是不同赋存形态粗粒级焦粉燃烧 过程其 NO 排放体积分数和 N 元素转化率的变化 规律. 从图 5 中可以看出，各赋存形态粗颗粒焦粉 的 NO 开始生成温度基本相同，均约为 720 ℃，且 其排放体积分数达到峰值温度和排放结束时间均 基本相同. 对于裸露型焦粉、被覆型焦粉-氧化 铝、裸露型焦粉+CF 而言，其 NO 排放体积分数均 呈现“倒 V”字型增长，而被覆型焦粉−CF 则呈现 “倒 W”型增长. 就 NO 排放体积分数和 N 元素转 化率而言，基本均呈现裸露型焦粉最高，被覆型焦 粉-氧化铝和裸露型焦粉+CF 略微降低，被覆型焦 裸露型 焦粉 被覆型焦 粉-氧化铝 裸露型焦 粉+CF球 被覆型 焦粉-CF 800 ℃ 900 ℃ 1000 ℃ 1100 ℃ 1200 ℃ 1250 ℃ 1280 ℃ (开始) 1280 ℃ (结束) 图 4 不同赋存形态粗粒级焦粉的燃烧行为 Fig.4 Combustion behavior of different existing states of coarse coke breeze 阙志刚等： 基于优化粗粒级固体燃料赋存形态的铁矿烧结过程 NOx减排 · 167 ·