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胡长庆:​铁矿粉烧结燃烧行为与CO、NO排放特征

2023-07-31 16:44:42

来源:《钢铁》2023年第7期

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铁矿粉烧结燃烧行为与CO、NO排放特征

胡长庆,李超然,韩涛,师学峰
(华北理工大学冶金与能源学院, 河北 唐山 063210)

01

摘 要 



为了揭示铁矿粉烧结准颗粒燃烧特性和烟气排放规律,采用分析纯试剂替代烧结原料制备不同类型的准颗粒,通过热重法开展不同氧气体积分数、升温速率、气体流速等工艺参数下的准颗粒燃烧规律研究,并利用烟气分析仪研究了准颗粒结构和黏附粉成分对燃烧过程CO和NO排放规律。结果表明,氧气体积分数、升温速率、气体流速对不同类型准颗粒燃烧过程的影响规律是一致的,即提高氧体积分数、气体流速有利于增强O2分子内扩散能力,促进碳-氧间的燃烧反应,改善燃烧条件。受准颗粒内部的热滞后作用影响,燃烧特征参数随升温速率增大而升高,燃烧反应向高温区移动。但由于准颗粒结构的不同,上述工艺参数变化对燃烧反应的影响程度也不尽相同。准颗粒结构显著影响燃烧过程的传热、传质行为,S′型准颗粒燃烧生成的CO、NO峰值体积分数最高,而S型、C型、P型受黏附层阻碍影响,CO、NO向外扩散的阻力增大,有利于延长CO、NO在产物层内的滞留时间,促进CO还原NO反应的发生,降低CO、NO峰值体积分数。Fe2O3、CaO、MgO对焦粉燃烧以及CO-NO间的还原反应等都具有显著催化作用,且CaO催化能力最强,CO、NO峰值体积分数分别降低了48.7%和50.0%。


02

关 键 词 



铁矿粉烧结; 准颗粒; 燃烧特性; CO; NO; 排放特征

03

引 言 



钢铁工业作为中国国民经济发展的重要基础产业和支撑产业,中国粗钢产量已经占世界总产量的1/2以上,21世纪以来,粗钢产量由2000年的1.27亿t增长到2020年的10.65亿t。铁矿粉烧结作为钢铁生产重要的环节,约80%的高炉原料来源于烧结矿,各项技术经济指标直接影响整个钢铁企业效益。燃料燃烧为烧结过程提供能量并决定着烧结床层的温度分布,对烧结矿质量有着决定性的影响,并且燃料燃烧产生的CO2、CO、SO2和NOx等污染物对环境的危害越来越突出。
铁矿粉烧结燃料燃烧通常简化为单体燃料燃烧,随着研究深入,相关学者开始研究不同准颗粒结构燃料的燃烧行为。HIDA Y等根据焦炭在准颗粒中的存在状态,将准颗粒分为4种类型:S型(包裹细铁矿粉的单一粗焦炭颗粒)、P型(混合良好的细焦炭和细铁矿粉球团)、C型(包裹细焦炭和细铁矿粉的大铁矿石颗粒)、S′型(焦炭颗粒)。目前,准颗粒燃烧特性研究主要是氧气体积分数、黏附层、黏附比和焦粉粒度等因素的影响规律,准颗粒燃烧速率研究主要以未反应核模型为基础,而且准颗粒中碱性熔剂对燃料燃烧有催化和减排作用。燃料燃烧烟气排放,主要是温度、氧气体积分数、反应气氛和燃料赋存状态、燃料粒径、挥发分含量、氮含量和空气过量系数对烟气CO,特别是NO生成与排放的影响规律研究。
本文采用热重试验,研究了氧气体积分数、升温速率、气体流速、黏附粉类型对不同准颗粒燃料燃烧行为的影响,并采用烟气分析仪,测试分析不同燃料赋存状态和准颗粒结构的烟气CO和NO排放规律,为提高烧结燃料的利用率和烟气减排提供理论基础。

04

精 选 图 表 



    

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结  论



1)提高氧气体积分数、气体流速可显著改善O2分子在准颗粒内的扩散过程,有利于提高内扩散速率,促进碳-氧间的燃烧反应,tg、tb等燃烧特征参数降低。而增大升温速率影响了准颗粒内的传热过程,tg、tb等受焦粉颗粒内部升温热滞后影响开始向高温区运动。
2)准颗粒结构显著影响燃烧过程的传热、传质行为,由于S型、C型、P型准颗粒受黏附层影响,燃烧生成的CO、NO外扩散阻力相应增大,导致在焦粉颗粒周围形成的气相边界层内的停留时间延长,促进了CO还原NO反应的发生,有利于降低CO、NO的峰值体积分数。
3)Fe2O3、CaO、MgO对焦粉燃烧以及CO-NO间的还原反应等都具有显著催化作用,有利于降低焦粉颗粒的着火温度,燃烧反应活化能降低,燃烧性能明显改善,CaO催化能力最好。