生物质替代焦粉铁矿石烧结过程中的碱金属迁移行为

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 生物质替代焦粉铁矿石烧结过程中的碱金属迁移行为 周昊邢裕健周明熙马鹏楠 Migration behavior of alkali metals in an iron ore sintering process with the substitution of biomass for coke breeze ZHOU Hao,XING Yu-jian,ZHOU Ming-xi,MA Peng-nan 引用本文： 周吴，邢裕健，周明熙，马鹏楠.生物质替代焦粉铁矿石烧结过程中的碱金属迁移行为工程科学学报，2021,43(3)：376- 384.doi:10.13374j.issn2095-9389.2020.01.20.002 ZHOU Hao,XING Yu-jian,ZHOU Ming-xi,MA Peng-nan.Migration behavior of alkali metals in an iron ore sintering process with the substitution of biomass for coke breeze[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(3):376-384.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.01.20.002 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.01.20.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 铁矿石烧结过程中不同类型准颗粒的燃烧特性 Combustion characteristics of different types of quasi-particles in iron ore sintering process 工程科学学报.2019,41(3：316htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.03.004 基于优化粗粒级固体燃料赋存形态的铁矿烧结过程、O,减排 To reduce NO emission based on optimizing the existing states of coarse coke breeze during iron ore sintering process 工程科学学报.2020,42(2：163htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.02.21.001 生物质松木锯末中低温还原高铁拜耳法赤泥 Medium-low temperature reduction of high-iron Bayer process red mud using biomass pine sawdust 工程科学学报.2017,399：1331 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.09.005 铁矿粉液相流动性的主要液相生成特征因素解析 Major melt formation characteristic factor analysis of iron ore liquid phase fluidity during the sintering process 工程科学学报.2018.40(3：321htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.03.008 除尘灰水洗对烟气颗粒物组成和二英的影响 Impact of water washing precipitator dust on the particulate composition and dioxins in sintering flue gas 工程科学学报.2018,40(10：1208htps:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.10.007 生物质多孔碳基复合相变材料制备及性能 Preparation and properties of biomass porous carbon composite phase change materials 工程科学学报.2020,42(1)：113htps:ldoi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.08.06.002

生物质替代焦粉铁矿石烧结过程中的碱金属迁移行为 周昊 邢裕健 周明熙 马鹏楠 Migration behavior of alkali metals in an iron ore sintering process with the substitution of biomass for coke breeze ZHOU Hao, XING Yu-jian, ZHOU Ming-xi, MA Peng-nan 引用本文: 周昊, 邢裕健, 周明熙, 马鹏楠. 生物质替代焦粉铁矿石烧结过程中的碱金属迁移行为[J]. 工程科学学报, 2021, 43(3): 376- 384. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.20.002 ZHOU Hao, XING Yu-jian, ZHOU Ming-xi, MA Peng-nan. Migration behavior of alkali metals in an iron ore sintering process with the substitution of biomass for coke breeze[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(3): 376-384. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.01.20.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.20.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 铁矿石烧结过程中不同类型准颗粒的燃烧特性 Combustion characteristics of different types of quasi-particles in iron ore sintering process 工程科学学报. 2019, 41(3): 316 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.004 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 To reduce NOx emission based on optimizing the existing states of coarse coke breeze during iron ore sintering process 工程科学学报. 2020, 42(2): 163 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.21.001 生物质松木锯末中低温还原高铁拜耳法赤泥 Medium-low temperature reduction of high-iron Bayer process red mud using biomass pine sawdust 工程科学学报. 2017, 39(9): 1331 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.005 铁矿粉液相流动性的主要液相生成特征因素解析 Major melt formation characteristic factor analysis of iron ore liquid phase fluidity during the sintering process 工程科学学报. 2018, 40(3): 321 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.008 除尘灰水洗对烟气颗粒物组成和二英的影响 Impact of water washing precipitator dust on the particulate composition and dioxins in sintering flue gas 工程科学学报. 2018, 40(10): 1208 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.007 生物质多孔碳基复合相变材料制备及性能 Preparation and properties of biomass porous carbon composite phase change materials 工程科学学报. 2020, 42(1): 113 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.06.002

工程科学学报.第43卷.第3期：376-384.2021年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.3:376-384,March 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.20.002;http://cje.ustb.edu.cn 生物质替代焦粉铁矿石烧结过程中的碱金属迁移行为 周吴区，邢裕健，周明熙，马鹏楠 浙江大学能源工程学院，杭州310027 ☒通信作者，E-mail:zhouhao@ju.edu.cn 摘要通过挥发-冷凝实验装置进行小型烧结实验，运用X射线荧光光谱(XRF)、扫描电镜-能谱仪(SEM-EDS)及电感耦 合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)等分析检测手段，结合Factsage热力学模拟，对比研究了以木炭和焦粉为燃料，配加含铁 粉尘的铁矿石烧结过程中，床层碱金属随烟气挥发迁移的规律、烧结前后的碱金属脱除率以及工艺措施对碱金属脱除的影 响.结果表明，K相对于Na更容易被脱除，挥发至烟气中的碱金属化合物主要是KCL,其次为NaC1.增加燃料配比促进了碱 金属元素的脱除：在燃料配比相同的条件下，木炭烧结的碱金属脱除效果不及焦粉烧结.烧结过程中，排入废气中的碱金属 化合物被下部混合料层大量捕获、吸附，下部床层内捕集的碱金属氯化物促进了碱金属的氯化脱除.添加CCl2后，以木炭 为燃料时K和Na的脱除率高于焦粉工况，且产物中K和Na的含量较低.配合氯化脱除工艺将生物质应用于铁矿石烧结是 烧结生产发展的可行方向. 关键词铁矿石烧结：生物质：碱金属：脱除：富集特性：赋存状态 分类号TF046.4 Migration behavior of alkali metals in an iron ore sintering process with the substitution of biomass for coke breeze ZHOU Hao,XING Yu-jian,ZHOU Ming-xi,MA Peng-nan College of Energy Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China Corresponding author,E-mail:zhouhao@zju.edu.cn ABSTRACT Iron ore sintering is a process in which iron ore powder,flux,iron-bearing dust,solid fuel (such as coke powder),and return fines are mixed in a certain proportion,granulated,and then processed into agglomerates by high-temperature generated by solid- fuel combustion,which is an important process prior to blast furnace ironmaking.The iron ore sintering process is an important emitter of atmospheric particles in which alkali metal elements in a sinter bed contribute to the formation of fine particles during combustion, aggravating particulate emissions.Using biomass materials such as charcoal to replace coke in the sintering process can significantly alleviate the emission of both greenhouse gases and pollutants.However,owing to the high content of alkali metals in biomass and their poor combustion characteristics,alkali-metal-related problems inevitably arise.In this study,a small sintering experiment was conducted in a volatilization condensation test facility and analyses were performed based on data obtained by X-ray fluorescence spectroscopy, scanning electron microscopy energy dispersive spectrometer,and inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry followed by thermodynamic simulation.The purpose of these analyses was to investigate the laws associated with alkali metal migration and enrichment,removal rate of alkali metal elements,and influence of technological measures on removal process in iron ore sintering using charcoal and coke as fuel with iron-bearing dust added.The results show that K is easier to remove than Na,and the alkali compounds volatilized into a flue gas mainly contain KCI with small amount of NaCl.With the same fuel mass fraction the removal rate of alkali 收稿日期：2020-01-20 基金项目：国家自然科学基金资助项目(52036008)

生物质替代焦粉铁矿石烧结过程中的碱金属迁移行为 周    昊苣，邢裕健，周明熙，马鹏楠 浙江大学能源工程学院，杭州 310027 苣通信作者，E-mail: zhouhao@zju.edu.cn 摘    要    通过挥发–冷凝实验装置进行小型烧结实验，运用 X 射线荧光光谱（XRF）、扫描电镜–能谱仪（SEM–EDS）及电感耦 合等离子体发射光谱仪（ICP–OES）等分析检测手段，结合 Factsage 热力学模拟，对比研究了以木炭和焦粉为燃料，配加含铁 粉尘的铁矿石烧结过程中，床层碱金属随烟气挥发迁移的规律、烧结前后的碱金属脱除率以及工艺措施对碱金属脱除的影 响. 结果表明，K 相对于 Na 更容易被脱除，挥发至烟气中的碱金属化合物主要是 KCl，其次为 NaCl. 增加燃料配比促进了碱 金属元素的脱除；在燃料配比相同的条件下，木炭烧结的碱金属脱除效果不及焦粉烧结. 烧结过程中，排入废气中的碱金属 化合物被下部混合料层大量捕获、吸附，下部床层内捕集的碱金属氯化物促进了碱金属的氯化脱除. 添加 CaCl2 后，以木炭 为燃料时 K 和 Na 的脱除率高于焦粉工况，且产物中 K 和 Na 的含量较低. 配合氯化脱除工艺将生物质应用于铁矿石烧结是 烧结生产发展的可行方向. 关键词    铁矿石烧结；生物质；碱金属；脱除；富集特性；赋存状态 分类号    TF046. 4 Migration behavior of alkali metals in an iron ore sintering process with the substitution of biomass for coke breeze ZHOU Hao苣 ，XING Yu-jian，ZHOU Ming-xi，MA Peng-nan College of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China 苣 Corresponding author, E-mail: zhouhao@zju.edu.cn ABSTRACT    Iron ore sintering is a process in which iron ore powder, flux, iron-bearing dust, solid fuel (such as coke powder), and return fines are mixed in a certain proportion, granulated, and then processed into agglomerates by high-temperature generated by solid￾fuel combustion, which is an important process prior to blast furnace ironmaking. The iron ore sintering process is an important emitter of atmospheric particles in which alkali metal elements in a sinter bed contribute to the formation of fine particles during combustion, aggravating particulate emissions. Using biomass materials such as charcoal to replace coke in the sintering process can significantly alleviate the emission of both greenhouse gases and pollutants. However, owing to the high content of alkali metals in biomass and their poor combustion characteristics, alkali-metal-related problems inevitably arise. In this study, a small sintering experiment was conducted in a volatilization condensation test facility and analyses were performed based on data obtained by X-ray fluorescence spectroscopy, scanning electron microscopy energy dispersive spectrometer, and inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry followed by  thermodynamic  simulation.  The  purpose  of  these  analyses  was  to  investigate  the  laws  associated  with  alkali  metal  migration  and enrichment, removal rate of alkali metal elements, and influence of technological measures on removal process in iron ore sintering using charcoal and coke as fuel with iron-bearing dust added. The results show that K is easier to remove than Na, and the alkali compounds volatilized into a flue gas mainly contain KCl with small amount of NaCl. With the same fuel mass fraction the removal rate of alkali 收稿日期: 2020−01−20 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（52036008） 工程科学学报，第 43 卷，第 3 期：376−384，2021 年 3 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 3: 376−384, March 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.20.002; http://cje.ustb.edu.cn

周吴等：生物质替代焦粉铁矿石烧结过程中的碱金属迁移行为 377· metal in the sintering process using charcoal as fuel is less than that using coke.As the alkali metal compounds in the downstream flue gas migrate,they collide with the raw material particles because of the inertial effect.In addition,owing to the low temperature of the raw materials in the low bed,alkali metal compounds tend to condense and deposit on the particles'surface.During the sintering process,a large number of alkali metal compounds discharged into the waste gas are trapped and absorbed by the low bed,and the alkali metal chloride accumulated in the low bed promotes the removal of chloride from the alkali metal.With the addition of CaCl2,the removal rate of K and Na when using charcoal as fuel is higher than that using coke.Accordingly,the content of K and Na in sintering products with charcoal as fuel is lower than that using coke.The use of biomass as fuel in iron ore sintering in combination with chlorine removal process is feasible and has good prospects. KEY WORDS iron ore sintering:biomass:alkali metal;removal:enrichment characteristics:occurrence state 钢铁行业是大气颗粒污染物如PM2.5(粒径小 化烧结工艺有助于K和Na的脱除，但氯化烧结会 于2.5m的气溶胶颗粒物)等的重要排放源-o1 降低烧结矿的冷强度，且K和Na进入烟气之后， 铁矿石烧结是将铁矿石粉、熔剂、返矿、固体燃料 凝结成细小颗粒附着于除尘灰，易堵塞和腐蚀 (如焦粉等)及含铁粉尘等含铁废料按一定比例混 设备12- 合制粒，通过固体燃料燃烧产生的高温将上述材 相比之下，关于煤和生物质燃烧及气化领域 料加工成块状烧结矿的过程，是高炉炼铁之前的 的碱金属的赋存形式及其在燃烧/气化过程中的迁 一项重要工艺-) 移规律相关研究较多42]Wang等通过管式炉及 铁矿石烧结过程中一直存在碱金属相关问 空冷探针研究生物质燃烧过程中K/C/S的迁移规 题，由于烧结原料，特别是含铁回收料中含有Pb、 律4均及煤燃烧中灰的沉积行为碱金属赋存 Zn、K、Na、CI等微量元素以及其他有机组分，烧 特性常用化学提取实验分析？-2，水溶阴离子通 结过程中容易形成微细颗粒物等微量化合物，在 过离子色谱分析9-四，并用Factsage软件模拟碱金 烟气颗粒物中富集-刀烧结原料中碱金属含量的 属的析出形式，2-四相关研究方法可以借鉴到 上升会加剧烧结过程中的颗粒污染物排放P-此 铁矿石烧结中碱金属问题的相关研究中 外，K和Na在烧结过程中经过复杂的氧化还原反 焦粉是铁矿烧结中的常规燃料，使用木炭等 应，除有一部分以蒸汽状态进人烧结烟气外，质量 生物质替代焦粉进行烧结可显著缓解温室气体和 分数超过80%的K和Na会随着烧结矿进入高炉 污染物的排放压力P3-2,但生物质中碱金属含量 并在炉内循环富集，导致高炉结瘤、炉衬被侵蚀， 高及燃烧特性不理想等缺点，势必会加剧烧结过 且K和Na沉积在炉料表面会加剧烧结矿低温还 程中的碱金属相关问题.目前关于以生物质为燃 原粉化和焦炭溶损，进一步影响高炉透气性和高 料的铁矿石烧结过程中的碱金属相关问题研究 炉运行川研究烧结过程中碱金属迁移转化过程 较少 对于控制烧结矿中的碱金属含量、缓解钢铁行业 本研究借鉴燃煤和生物质中碱金属的相关研 环境污染至关重要 究4-)，进行小型烧结实验，结合Factsage热力学 目前，铁矿石烧结碱金属问题的相关研究集 模拟，对比研究以木炭和焦粉作为燃料、配加含 中于碱金属对PM2.5形成和排放的影响以及 铁粉尘的烧结过程中，床层碱金属随烟气挥发迁 烧结前后碱金属元素的赋存状态和脱除行为0-1) 移的规律、烧结前后烧结原料的碱金属脱除率以 等方面，主要采用烧结杯实验及相关采样分析方 及工艺措施对碱金属脱除的影响，为生物质在铁 法.随着燃料配比和碱度提高，K和Na的脱除率 矿石烧结中的合理应用提供理论依据，同时为铁 增大，脱除过程主要发生在料层中下部0川.结合 矿石烧结中的碱金属问题的研究提供了一种新的 Factsage软件进一步研究碱金属化合物的反应热 方法. 力学行为，其主要分为三部分：受热挥发进入气 1 实验部分 相、生成硫酸盐并残留在烧结矿中、生成铝硅酸 盐并残留在烧结矿中49山K和Na脱除到烟气 1.1原料性质分析 后，参与PM25的形成，主要以氯化物的形态存在 实验原料均来自烧结现场，包括铁矿石粉（严 并呈现富集趋势6列原料中Pb、K和Na等有害 迪粉)、电除尘灰、焦粉、木炭、石灰石和白云石等 元素含量的增大加剧了PM2s的排放0采用氯 所有原料预先用分级筛筛分至粒径75~150m以

metal in the sintering process using charcoal as fuel is less than that using coke. As the alkali metal compounds in the downstream flue gas migrate, they collide with the raw material particles because of the inertial effect. In addition, owing to the low temperature of the raw  materials  in  the  low  bed,  alkali  metal  compounds  tend  to  condense  and  deposit  on  the  particles ’  surface.  During  the  sintering process, a large number of alkali metal compounds discharged into the waste gas are trapped and absorbed by the low bed, and the alkali metal  chloride  accumulated  in  the  low  bed  promotes  the  removal  of  chloride  from  the  alkali  metal.  With  the  addition  of  CaCl2 ,  the removal rate of K and Na when using charcoal as fuel is higher than that using coke. Accordingly, the content of K and Na in sintering products with charcoal as fuel is lower than that using coke. The use of biomass as fuel in iron ore sintering in combination with chlorine removal process is feasible and has good prospects. KEY WORDS    iron ore sintering；biomass；alkali metal；removal；enrichment characteristics；occurrence state 钢铁行业是大气颗粒污染物如 PM2.5（粒径小 于 2.5 μm 的气溶胶颗粒物）等的重要排放源[1−10] . 铁矿石烧结是将铁矿石粉、熔剂、返矿、固体燃料 （如焦粉等）及含铁粉尘等含铁废料按一定比例混 合制粒，通过固体燃料燃烧产生的高温将上述材 料加工成块状烧结矿的过程，是高炉炼铁之前的 一项重要工艺[1−13] . 铁矿石烧结过程中一直存在碱金属相关问 题，由于烧结原料，特别是含铁回收料中含有 Pb、 Zn、K、Na、Cl 等微量元素以及其他有机组分，烧 结过程中容易形成微细颗粒物等微量化合物，在 烟气颗粒物中富集[1−7] . 烧结原料中碱金属含量的 上升会加剧烧结过程中的颗粒污染物排放[2−4] . 此 外，K 和 Na 在烧结过程中经过复杂的氧化还原反 应，除有一部分以蒸汽状态进入烧结烟气外，质量 分数超过 80% 的 K 和 Na 会随着烧结矿进入高炉 并在炉内循环富集，导致高炉结瘤、炉衬被侵蚀， 且 K 和 Na 沉积在炉料表面会加剧烧结矿低温还 原粉化和焦炭溶损，进一步影响高炉透气性和高 炉运行[9−11] . 研究烧结过程中碱金属迁移转化过程 对于控制烧结矿中的碱金属含量、缓解钢铁行业 环境污染至关重要. 目前，铁矿石烧结碱金属问题的相关研究集 中于碱金属对 PM2.5 形成和排放的影响[1−9] ，以及 烧结前后碱金属元素的赋存状态和脱除行为[10−13] 等方面，主要采用烧结杯实验及相关采样分析方 法. 随着燃料配比和碱度提高，K 和 Na 的脱除率 增大，脱除过程主要发生在料层中下部[10−11] . 结合 Factsage 软件进一步研究碱金属化合物的反应热 力学行为，其主要分为三部分：受热挥发进入气 相、生成硫酸盐并残留在烧结矿中、生成铝硅酸 盐并残留在烧结矿中[4, 9, 11] . K 和 Na 脱除到烟气 后，参与 PM2.5 的形成，主要以氯化物的形态存在 并呈现富集趋势[1−6, 9] . 原料中 Pb、K 和 Na 等有害 元素含量的增大加剧了 PM2.5 的排放[4−10] . 采用氯 化烧结工艺有助于 K 和 Na 的脱除，但氯化烧结会 降低烧结矿的冷强度，且 K 和 Na 进入烟气之后， 凝结成细小颗粒附着于除尘灰，易堵塞和腐蚀 设备[12−13] . 相比之下，关于煤和生物质燃烧及气化领域 的碱金属的赋存形式及其在燃烧/气化过程中的迁 移规律相关研究较多[14−22] . Wang 等通过管式炉及 空冷探针研究生物质燃烧过程中 K/Cl/S 的迁移规 律[14−15] 及煤燃烧中灰的沉积行为[16] . 碱金属赋存 特性常用化学提取实验分析[17−21] ，水溶阴离子通 过离子色谱分析[19−22] ，并用 Factsage 软件模拟碱金 属的析出形式[19, 21−22] . 相关研究方法可以借鉴到 铁矿石烧结中碱金属问题的相关研究中. 焦粉是铁矿烧结中的常规燃料，使用木炭等 生物质替代焦粉进行烧结可显著缓解温室气体和 污染物的排放压力[23−26] ，但生物质中碱金属含量 高及燃烧特性不理想等缺点，势必会加剧烧结过 程中的碱金属相关问题. 目前关于以生物质为燃 料的铁矿石烧结过程中的碱金属相关问题研究 较少. 本研究借鉴燃煤和生物质中碱金属的相关研 究[14−22] ，进行小型烧结实验，结合 Factsage 热力学 模拟，对比研究以木炭和焦粉作为燃料、配加含 铁粉尘的烧结过程中，床层碱金属随烟气挥发迁 移的规律、烧结前后烧结原料的碱金属脱除率以 及工艺措施对碱金属脱除的影响，为生物质在铁 矿石烧结中的合理应用提供理论依据，同时为铁 矿石烧结中的碱金属问题的研究提供了一种新的 方法. 1    实验部分 1.1    原料性质分析 实验原料均来自烧结现场，包括铁矿石粉（严 迪粉）、电除尘灰、焦粉、木炭、石灰石和白云石等. 所有原料预先用分级筛筛分至粒径 75～150 μm 以 周    昊等： 生物质替代焦粉铁矿石烧结过程中的碱金属迁移行为 · 377 ·

378 工程科学学报，第43卷，第3期 下，在105℃烘箱中干燥24h;按烧结料配比混 析(XRF)得到，如表1所示.铁矿石粉、含铁粉 合，加入一定量的水并混合均匀，模拟湿混制粒后 尘、熔剂和燃料中均含有一定量的碱金属元素：含 的烧结原料. 铁粉尘和燃料是碱金属元素的主要来源.烧结原 烧结原料的化学成分通过X射线荧光光谱分 料中的碱金属含量通过上述测试结果计算获得 表1烧结原料的化学组成（质量分数） Table 1 Chemical composition of raw materials(mass fraction) % Raw material TFe CaO SiOz Al203 Mgo K20 Na,O CI LOI Yandi 58.07 0.08 5.09 1.26 0.07 0.02 0.005 0.008 10.20 Iron-bearing dust 41.59 10.28 4.90 2.07 2.68 2.80 0.32 1.19 19.94 Limestone 0.36 53.40 2.23 0.98 0.48 0.09 0 42.73 Dolomite 0.35 31.45 2.26 0.58 19.45 0.08 0.03 0.02 45.50 Coke 1.07 0.62 6.11 4.32 0.04 0.08 0.01 0 86.85 Charcoal 0.20 3.02 0.14 0.06 0.43 0.19 0.13 0.01 94.50 Note:TFe is total Fe,LOI is loss on ignition. 根据工业分析和元素分析结果（表2），与焦粉 流量来控制基片表面温度：基片靠近冷却空气一 相比，木炭的挥发分含量较高，固定碳的含量较 侧装有热电偶测点，便于监测基片的温度变化，原 低，H、O元素的含量均高于焦粉；扫描电镜照片 料烧结过程中挥发出的物质在基片上沉积.每个 显示，木炭表面分布有大量的微孔隙和褶皱，比表 工况结束后，更换收集基片进行下一工况的实验 面积更大（图1）.这意味着木炭比焦粉燃烧更迅 12 速，熔融温度维持时间更短23- 表2焦粉和木炭的工业分析与元素分析（质量分数） Table 2 Proximate analysis and ultimate analysis of coke and charcoal (mass fraction) % Proximate analysis Ultimate analysis Sample M A V FC C H N S O Coke0.3420.425.2074.0485.480.311.130.622.67 Charcoal8.944.3615.5371.1777.002.390.470.216.63 Note:M is moisture,A is ash,V is volatile matter,FC is fixed carbon 1-Thermocouple;2-Hand lift;3-Electric heating wire;4-Corundum porcelain boat;5-High temperature pad;6-Corundum crucible; (a) 7-Electric furnace control cabinet;8-Thermocouple;9-Collecting substrate;10-Flowmeter;11-Air compressor;12-Temperature displayer;13-Condensation collection system 图2碱金属挥发-冷凝试验台 Fig.2 Experimental system for evaporation and condensation of alkali 500m metal vapors 图1焦粉与木炭的微观形态.(a)焦粉：(b)木炭 设置升温程序并达到预定温度值后，将装有 Fig.1 Micro morphology of coke and charcoal:(a)coke (b)charcoal 5g左右烧结原料的刚玉瓷舟放入长坩埚内的挥 12挥发-冷凝实验装置及分析检测方法 发位置，固定好空冷探针并调节冷凝温度.由于铁 挥发-冷凝实验装置由升温挥发系统、冷凝收 矿石烧结过程中火焰锋面移动迅速，燃烧层温度 集系统、温度监测系统和压缩空气系统等组成 峰值的维持时间很短，故加热时间设为8min.加 (图2).升温挥发装置采用管式炉及刚玉长坩埚，内 热完毕后，迅速取出空冷探针，同时将刚玉瓷舟从 部装有耐火材料垫台.冷凝收集系统为空冷探针， 炉膛内取出 其端部装有可拆卸收集基片，通过控制冷却空气 通过扫描电镜-能谱仪(SEM-EDS)分析基片

下 ，在 105 ℃ 烘箱中干燥 24 h；按烧结料配比混 合，加入一定量的水并混合均匀，模拟湿混制粒后 的烧结原料. 烧结原料的化学成分通过 X 射线荧光光谱分 析 （XRF）得到，如表 1 所示. 铁矿石粉、含铁粉 尘、熔剂和燃料中均含有一定量的碱金属元素；含 铁粉尘和燃料是碱金属元素的主要来源. 烧结原 料中的碱金属含量通过上述测试结果计算获得. 表 1 烧结原料的化学组成（质量分数） Table 1   Chemical composition of raw materials (mass fraction) % Raw material TFe CaO SiO2 Al2O3 MgO K2O Na2O Cl LOI Yandi 58.07 0.08 5.09 1.26 0.07 0.02 0.005 0.008 10.20 Iron-bearing dust 41.59 10.28 4.90 2.07 2.68 2.80 0.32 1.19 19.94 Limestone 0.36 53.40 2.23 0.98 0.48 0.09 0 0 42.73 Dolomite 0.35 31.45 2.26 0.58 19.45 0.08 0.03 0.02 45.50 Coke 1.07 0.62 6.11 4.32 0.04 0.08 0.01 0 86.85 Charcoal 0.20 3.02 0.14 0.06 0.43 0.19 0.13 0.01 94.50 Note: TFe is total Fe, LOI is loss on ignition. 根据工业分析和元素分析结果（表 2），与焦粉 相比，木炭的挥发分含量较高，固定碳的含量较 低 ，H、O 元素的含量均高于焦粉；扫描电镜照片 显示，木炭表面分布有大量的微孔隙和褶皱，比表 面积更大（图 1）. 这意味着木炭比焦粉燃烧更迅 速，熔融温度维持时间更短[23−26] . 表 2 焦粉和木炭的工业分析与元素分析（质量分数） Table 2   Proximate analysis and ultimate analysis of coke and charcoal (mass fraction)                                                          % Sample Proximate analysis Ultimate analysis M A V FC C H N S O Coke 0.34 20.42 5.20 74.04 85.48 0.31 1.13 0.62 2.67 Charcoal 8.94 4.36 15.53 71.17 77.00 2.39 0.47 0.21 6.63 Note: M is moisture, A is ash, V is volatile matter, FC is fixed carbon. 500 μm 200 μm (a) S3700 20 kV 9.6 mm ×60 SE S3700 20 kV 11.1 mm ×200 SE (b) 图 1    焦粉与木炭的微观形态. （a）焦粉；（b）木炭 Fig.1    Micro morphology of coke and charcoal: (a) coke; (b) charcoal 1.2    挥发–冷凝实验装置及分析检测方法 挥发–冷凝实验装置由升温挥发系统、冷凝收 集系统、温度监测系统和压缩空气系统等组成 （图 2）. 升温挥发装置采用管式炉及刚玉长坩埚，内 部装有耐火材料垫台. 冷凝收集系统为空冷探针， 其端部装有可拆卸收集基片，通过控制冷却空气 流量来控制基片表面温度；基片靠近冷却空气一 侧装有热电偶测点，便于监测基片的温度变化，原 料烧结过程中挥发出的物质在基片上沉积. 每个 工况结束后，更换收集基片进行下一工况的实验. 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1—Thermocouple; 2—Hand lift; 3—Electric heating wire; 4—Corundum porcelain boat; 5—High temperature pad; 6—Corundum crucible; 7—Electric furnace control cabinet; 8—Thermocouple; 9—Collecting substrate; 10—Flowmeter; 11—Air compressor; 12—Temperature displayer; 13—Condensation collection system 图 2    碱金属挥发–冷凝试验台 Fig.2    Experimental system for evaporation and condensation of alkali metal vapors 设置升温程序并达到预定温度值后，将装有 5 g 左右烧结原料的刚玉瓷舟放入长坩埚内的挥 发位置，固定好空冷探针并调节冷凝温度. 由于铁 矿石烧结过程中火焰锋面移动迅速，燃烧层温度 峰值的维持时间很短，故加热时间设为 8 min. 加 热完毕后，迅速取出空冷探针，同时将刚玉瓷舟从 炉膛内取出. 通过扫描电镜–能谱仪（SEM–EDS）分析基片 · 378 · 工程科学学报，第 43 卷，第 3 期

周吴等：生物质替代焦粉铁矿石烧结过程中的碱金属迁移行为 379· 表面凝结颗粒物的形态及成分.烧结产物收集称 舟的烧结混合料的质量，g 重并通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES) 1.3实验工况 分析碱金属含量，从而获得烧结前后碱金属元素 以烧结中部床层为例，研究碱金属化合物的 的脱除率.碱金属元素的脱除率通过式(1)计算 挥发迁移行为，烧结床火焰锋面的传播过程如图3 (1-绕结产物Xm烧结产物)×10% (1) 所示.根据烧结杯实验获得的中部床层温度曲线7， W烧结原料Xm烧结原料 设置挥发温度为1300℃来模拟中部床层火焰前 其中，？为烧结过程中碱金属的脱除率，%；w烧结产物 锋温度，收集基片表面温度分别设置为250、300、 为元素在烧结产物中的质量分数，%；m烧结产物为烧 350和400℃来模拟火焰前锋下方相邻不同温度 结过程结束后瓷舟内产物的质量，g:Ψ烧结原料为元 的低温床层的温度，研究烟气中的碱金属在床层 素在烧结原料中的质量分数，%；m烧结原料为放入瓷 颗粒表面的凝结情况 Air Sintered bed Flame front Dry preheating layer Moisture condensation layer Raw sinter mix Hearth layer 0↓0 298 1373 Temperature/K Sintering flue gas 图3烧结床火焰锋面传播的一维示意图 Fig.3 One dimensional diagram of flame front propagation in sintering bed 分别以不同配比的焦粉和木炭为燃料，研究 床层内原有碱金属的挥发迁移行为的影响 燃料种类及配比对烧结过程碱金属脱除的影响规 在原料中掺入不同比例的CaCl,(方法同上)，研 律：采用等比例替代的方法，即一定的焦粉配比对 究氯化物的引入对碱金属脱除的影响，探讨氯化烧 应等量的木炭配比.实际烧结过程中多采用等热 结工艺在木炭替代焦粉进行铁矿石烧结中的应用. 值替代方法或等量固定碳替代方法进行木炭对焦 各工况烧结原料中含铁粉尘的质量分数为 粉的替代23-2 5%,水分质量分数为7.0%，烧结矿碱度R以及 湿混配料时，在水中掺入一定量的NaCI以研 SiO2和Mg0的质量分数分别控制在1.9,5.48%和 究烧结过程中富集在下部床层内的碱金属颗粒对 2.09%.各实验工况的相关参数汇总如表3所示 表3实验工况表 Table 3 Experimental conditions Mass fraction of fuel/ Mass fraction of iron- Mass fraction of Evaporation Collection Variable bearing dust/% additive/% temperature/℃ temperature/℃ Charcoal 4,4.5,5,5.5,6 5 一 1300 350 Coke 4,4.5,5,5.5,6 5 1300 350 Collection temperature J 1300 250,300,350,400 CaCl2 5 5 0.65,130 1300 350 NaCl 5 J 0.6 1300 350 2结果与讨论 木炭质量分数为4%时，基片表面凝结颗粒形 态和组成如图4所示，基片表面沉积颗粒较少且 2.1燃料种类及质量分数对碱金属脱除的影响 不规则；两处EDS点能谱显示(Na+K)/CI摩尔比 (1)碱金属元素随烟气在床层中的挥发迁移 分别为1.45和2.40，Na含量较多，与K含量接近

表面凝结颗粒物的形态及成分. 烧结产物收集称 重并通过电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP–OES） 分析碱金属含量，从而获得烧结前后碱金属元素 的脱除率. 碱金属元素的脱除率通过式（1）计算. η= (1− w烧结产物 ×m烧结产物 w烧结原料 ×m烧结原料 )×100% （1） 其中，η 为烧结过程中碱金属的脱除率, %；w烧结产物 为元素在烧结产物中的质量分数, %；m烧结产物为烧 结过程结束后瓷舟内产物的质量, g；w烧结原料为元 素在烧结原料中的质量分数, %；m烧结原料为放入瓷 舟的烧结混合料的质量, g. 1.3    实验工况 以烧结中部床层为例，研究碱金属化合物的 挥发迁移行为，烧结床火焰锋面的传播过程如图 3 所示. 根据烧结杯实验获得的中部床层温度曲线[27] ， 设置挥发温度为 1300 ℃ 来模拟中部床层火焰前 锋温度，收集基片表面温度分别设置为 250、300、 350 和 400 ℃ 来模拟火焰前锋下方相邻不同温度 的低温床层的温度，研究烟气中的碱金属在床层 颗粒表面的凝结情况. 298 1373 Height Temperature/K Air Sintering flue gas Raw sinter mix Flame front Sintered bed Hearth layer Moisture condensation layer Dry preheating layer 图 3    烧结床火焰锋面传播的一维示意图 Fig.3    One dimensional diagram of flame front propagation in sintering bed 分别以不同配比的焦粉和木炭为燃料，研究 燃料种类及配比对烧结过程碱金属脱除的影响规 律；采用等比例替代的方法，即一定的焦粉配比对 应等量的木炭配比. 实际烧结过程中多采用等热 值替代方法或等量固定碳替代方法进行木炭对焦 粉的替代[23−26] . 湿混配料时，在水中掺入一定量的 NaCl 以研 究烧结过程中富集在下部床层内的碱金属颗粒对 床层内原有碱金属的挥发迁移行为的影响. 在原料中掺入不同比例的 CaCl2（方法同上），研 究氯化物的引入对碱金属脱除的影响，探讨氯化烧 结工艺在木炭替代焦粉进行铁矿石烧结中的应用. 各工况烧结原料中含铁粉尘的质量分数为 5%，水分质量分数 为 7.0%，烧结矿碱 度 R 以 及 SiO2 和 MgO 的质量分数分别控制在 1.9，5.48% 和 2.09%. 各实验工况的相关参数汇总如表 3 所示. 表 3 实验工况表 Table 3   Experimental conditions Variable Mass fraction of fuel/% Mass fraction of iron￾bearing dust/% Mass fraction of additive/% Evaporation temperature/℃ Collection temperature/℃ Charcoal 4, 4.5, 5, 5.5, 6 5 — 1300 350 Coke 4, 4.5, 5, 5.5, 6 5 — 1300 350 Collection temperature 5 5 — 1300 250, 300, 350, 400 CaCl2 5 5 0.65, 1.30 1300 350 NaCl 5 5 0.6 1300 350 2    结果与讨论 2.1    燃料种类及质量分数对碱金属脱除的影响 （1）碱金属元素随烟气在床层中的挥发迁移. 木炭质量分数为 4% 时，基片表面凝结颗粒形 态和组成如图 4 所示，基片表面沉积颗粒较少且 不规则；两处 EDS 点能谱显示（Na+K）/Cl 摩尔比 分别为 1.45 和 2.40，Na 含量较多，与 K 含量接近. 周    昊等： 生物质替代焦粉铁矿石烧结过程中的碱金属迁移行为 · 379 ·