基于熱分析動(dòng)力學(xué)的燒結(jié)用焦炭顆粒燃燒數(shù)值模擬

王淦，溫治, 2，樓國鋒，曹歡

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基于熱分析動(dòng)力學(xué)的燒結(jié)用焦炭顆粒燃燒數(shù)值模擬

王淦1，溫治1, 2，樓國鋒1，曹歡3

(1. 北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京，100083；2. 北京科技大學(xué)冶金工業(yè)節(jié)能減排北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；3. 中國石化工程建設(shè)有限公司，北京，100101)

基于煙氣循環(huán)燒結(jié)中氧體積分?jǐn)?shù)降低抑制了燃料燃燒，焦炭細(xì)化可顯著改善整體燃燒效率，是燒結(jié)工藝極具潛力的節(jié)能增產(chǎn)措施，采用縮核模型，模擬貧氧率和粒度對焦炭顆粒燃燒特性的影響。焦炭的著火溫度i、不完全燃燒系數(shù)、燃燒反應(yīng)焓Δ等燃燒特性參數(shù)采用熱重實(shí)驗(yàn)確定，焦炭燃燒的本征活化能和指前因子通過Flynn?Wall?Ozawa(FWO)法計(jì)算。研究結(jié)果表明：空氣氣氛中，焦炭顆粒的i約為550℃，為1.128~1.333，對應(yīng)的Δ則為28.810~31.640 MJ/kg，約為137.156 kJ/mol；i基本上不隨實(shí)驗(yàn)條件變化，隨著氧體積分?jǐn)?shù)的降低顯著增大，則略減??；焦炭顆粒的最高燃燒溫度約為1 560 K，燃燒速率隨著灰層厚度的增加逐漸降低；當(dāng)顆粒粒度增大或氧體積分?jǐn)?shù)降低時(shí)，燃燒效率顯著下降，且前者影響更大；考慮采用煙氣循環(huán)，當(dāng)焦炭細(xì)化效率達(dá)到1.33時(shí)，可保證整體燃燒效率不比傳統(tǒng)燒結(jié)的低。

燒結(jié)；焦炭；顆粒燃燒；數(shù)值模擬；縮核模型；熱重；動(dòng)力學(xué)；Flynn?Wall?Ozawa法

與現(xiàn)行傳統(tǒng)燒結(jié)工藝相比，燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)減小了末端治理的負(fù)擔(dān)，真正實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)過程節(jié)能減排。國內(nèi)自引進(jìn)該技術(shù)以來，環(huán)保壓力得到了有效緩解，然而，如何保證工藝產(chǎn)能成為一大新的難題。究其原因，主要是燒結(jié)用助燃?xì)庋躞w積分?jǐn)?shù)降低導(dǎo)致垂直燒結(jié)速度減小。燃料的粒度對燒結(jié)過程的燃燒特性具有重大影響，燃料細(xì)化工藝對于提高燃料燃燒效率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煙氣循環(huán)燒結(jié)工藝的節(jié)能增產(chǎn)具有重要意義，因此，必須開展針對煙氣循環(huán)背景下燒結(jié)用焦炭燃燒特性的研究。研究單顆粒煤/焦的燃燒過程有助于深入掌握燒結(jié)料層內(nèi)部的燃燒機(jī)理和特性?？s核模型[1]、隨機(jī)孔模型[2]、分形增長模型[3]、CBK模型[4]和DAEM模型[5]等是模擬煤/焦燃燒中比較成熟的理論模型，此外，變化的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)已被廣泛采納[6?8]。作為多學(xué)科的通用分析測試手段，在近幾十年來，熱重技術(shù)已成為煤/焦燃燒特性分析的重要實(shí)驗(yàn)研究方法[9?12]，普遍認(rèn)為煤粉顆粒的細(xì)化對改善燃燒特性有顯著作 用[9]，在燃燒過程中，灰層厚度達(dá)到顆粒半徑一半時(shí)灰層傳質(zhì)阻力最大[10]，煤灰中的內(nèi)在礦物質(zhì)及其顯微結(jié)構(gòu)能極大地抑制燃燒過程[11]。以熱重實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的熱分析動(dòng)力學(xué)常用來計(jì)算煤/焦的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，典型的有Freeman-Carroll法[13]、Flynn?Wall?Ozawa(FWO)法[14]、Friedman?Reich?Lewi法[15]和Kissinger-Akahira- Sunose法[15?16]等。根據(jù)微分或積分近似的不同，采用上述方法所得計(jì)算結(jié)果略有差異[15]。然而，前人對煤/焦燃燒主要集中在純理論研究，對與實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的研究較少。同時(shí)，關(guān)鍵參數(shù)如焦炭的著火溫度i、不完全燃燒系數(shù)、燃燒反應(yīng)焓Δ等多取自經(jīng)驗(yàn)值，隨意性和普適性嚴(yán)重。為此，本文作者對某燒結(jié)用焦炭進(jìn)行非等溫?zé)嶂貙?shí)驗(yàn),對比空氣氣氛與貧氧氣氛下的化學(xué)反應(yīng)特性差異，通過TG?DTG?DSC獲得了焦炭的著火溫度i，指前因子和燃燒反應(yīng)焓Δ等燃燒特性參數(shù)，并采用FWO法計(jì)算燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，將以上數(shù)據(jù)應(yīng)用于開發(fā)的單顆粒焦炭燃燒縮核模型，重點(diǎn)研究氧體積分?jǐn)?shù)和粒度對焦炭顆粒燃燒反應(yīng)的影響。

1 燒結(jié)用焦炭的熱重實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)所用的焦炭取自國內(nèi)某鋼鐵公司燒結(jié)廠現(xiàn)場，其原料為無煙煤。實(shí)驗(yàn)前，焦炭通過球磨和篩分，篩選粒度小于0.18 mm的細(xì)粉備用。在國家標(biāo)準(zhǔn)下完成焦炭的工業(yè)(GB/T 212—2001)和元素(GB/T 213—2003)分析，測試結(jié)果見表1。

表1 焦炭的工業(yè)分析及元素分析(干燥基，質(zhì)量分?jǐn)?shù))

注：M為水分；A為灰分；V為揮發(fā)分。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)采用法國SETARAM公司的LABSYS EVO ROBOT型同步熱分析儀，并選取TG?DTG?DSC曲線進(jìn)行分析。采用非等溫實(shí)驗(yàn)，起始溫度為室溫，終止溫度為1 400℃。升溫速率分別為5，10和20 K/min，加熱至終止溫度后保溫10 min，隨后冷卻。加熱和保溫階段的載氣為空氣或貧氧氣體，冷卻階段切換成N2，流量均為60 mL/min。鑒于煙氣循環(huán)燒結(jié)技術(shù)的最低氧體積分?jǐn)?shù)控制在15%，本實(shí)驗(yàn)中控制貧氧率(體積分?jǐn)?shù))分別為18%和15%，以N2為平衡氣。焦炭樣品質(zhì)量為(15±0.2) mg，在相同條件下的實(shí)驗(yàn)均重復(fù)1次，以保證實(shí)驗(yàn)的復(fù)現(xiàn)性。

1.3 熱重曲線分析

不同升溫速率下焦炭燃燒的TG?DTG曲線見圖1。由圖1可知：不同升溫速率下的TG曲線變化趨勢相似；由于焦炭樣品事先進(jìn)行干燥處理且揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，故低于500 ℃的初始階段TG曲線較平坦；進(jìn)入劇烈燃燒階段后，樣品質(zhì)量迅速下降；升溫速率越高，焦炭中易燃組分和難燃物質(zhì)的燃燒間隔越明顯，此時(shí)DTG曲線存在2個(gè)明顯的燃燒質(zhì)量損失峰；隨著升溫速率減小，質(zhì)量擴(kuò)散和熱量傳遞過程得到改善，焦炭的燃燒更加劇烈，易燃組分和難燃物質(zhì)之間的燃燒界限變得模糊直至消失，DTG曲線僅出現(xiàn)1個(gè)質(zhì)量損失峰。對比圖1(a)~(c)可知：貧氧氣氛下的TG曲線的劇烈燃燒階段向高溫區(qū)偏移；同時(shí)，DTG曲線的質(zhì)量損失峰呈“矮胖”趨勢發(fā)展，說明焦炭的燃盡時(shí)間延長，燃燒過程受到抑制。

(a) 空氣氣氛；(b) 體積分?jǐn)?shù)為18%的貧氧氣氛；(c) 體積分?jǐn)?shù)為15%的貧氧氣氛1—TG，升溫速率β為5 K/min；2—TG，升溫速率β為10 K/min；3—TG，升溫速率β為20 K/min；4—DTG，升溫速率β為5 K/min；5—DTG，升溫速率β為10 K/min；6—DTG，升溫速率β為20 K/min。

著火溫度i和燃盡溫度t是描述焦炭燃燒特性的重要參數(shù)。本文中分別以燃燒過程初始階段和結(jié)束階段樣品質(zhì)量損失速率達(dá)到1%/min時(shí)刻的溫度為i和b[19]，見表2。由表2可知：在不同升溫速率下，i略升高，載氣氣氛對i幾乎無影響；而b隨著升溫速率的增加或氧體積分?jǐn)?shù)的降低顯著升高。這是因?yàn)閕主要由樣品本身的特性決定，而與升溫速率及載氣氣氛無關(guān)；而熱滯后現(xiàn)象隨著升溫速率的增大顯著加劇，使樣品內(nèi)部溫度梯度增大，反應(yīng)更不充分，故對b造成重大影響；同時(shí)，氧體積分?jǐn)?shù)降低，O2向反應(yīng)界面的擴(kuò)散過程受到抑制，進(jìn)而影響燃燒速率，燃盡時(shí)間延長。

圖2所示為熱重實(shí)驗(yàn)對應(yīng)的DSC曲線。根據(jù)DSC放熱峰對時(shí)間積分可計(jì)算得焦炭燃燒的Δ及根據(jù)式(8)推導(dǎo)出，見表2。表2表明：氧體積分?jǐn)?shù)降低抑制了O2與焦炭之間擴(kuò)散，加劇了不完全燃燒現(xiàn)象，使Δ顯著降低；同時(shí)，升溫速率增大也將加劇不完全燃燒。

(a) 空氣氣氛；(b) 體積分?jǐn)?shù)為18%的貧氧氣氛升溫速率/(K·min?1)：1—5；2—10；3—20。

表2 不同氣氛及升溫速率下焦炭的燃燒特性參數(shù)

表3 Flynn?Wall?Ozawa法求得的焦炭燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)

1.4 燃燒動(dòng)力學(xué)分析

本文的燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)用FWO法求取，具體推導(dǎo)過程參考文獻(xiàn)[14]和[15]，其表達(dá)式為

式中：為升溫速率，K/min；為指前因子，s?1；為活化能，kJ/mol；為氣體摩爾常數(shù)，8.314 J/(mol?K)；()為積分形式的機(jī)理函數(shù)，采用球?qū)ΨQ收縮核模型，()=1?(1?)1/3；為熱力學(xué)溫度，K；為燃燒轉(zhuǎn)化率，通過=(0?)/(0?t) 計(jì)算；0，t和分別為樣品的原始質(zhì)量、反應(yīng)結(jié)束后殘?jiān)馁|(zhì)量和反應(yīng)中瞬時(shí)質(zhì)量，mg。

對于不同的，選擇相同的，則()是1個(gè)恒定值。通過ln對1/作圖擬合1條直線，從斜率可以求出隨不同反應(yīng)深度變化的系列值。鑒于在化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力區(qū)求得的動(dòng)力學(xué)參數(shù)才能準(zhǔn)確描述樣品的本征反應(yīng)特性[11]，本文僅計(jì)算焦炭燃燒反應(yīng)在轉(zhuǎn)化率為0.1~0.4時(shí)的和，如表3所示。

表3表明：FWO法計(jì)算的和具有很好的線性關(guān)系系數(shù)2基本在0.99以上，證明了結(jié)果的可靠性；同時(shí)，焦炭燃燒反應(yīng)的活化能隨反應(yīng)的深入逐漸降低。LIU[15]指出：隨著燃燒反應(yīng)進(jìn)行，焦炭表面炭灰逐漸加厚，空氣擴(kuò)散到焦炭表面的過程對整個(gè)焦炭燃燒的影響逐漸加劇，導(dǎo)致焦炭燃燒反應(yīng)的活化能出現(xiàn)逐漸降低的趨勢；同時(shí)，貧氧氣氛下的活化能比空氣氣氛下的略小，這也與MUNIR等[18]的研究成果具有相同的變化規(guī)律。

在較低的轉(zhuǎn)換率(=0.2)時(shí)，擴(kuò)散作用對燃燒過程基本無影響，此時(shí)，F(xiàn)WO法計(jì)算的活化能與文獻(xiàn)[22]中的基本一致[19]：對于無煙煤/焦，= 137.58~147.22 kJ/mol。HURT等[19]指出，目前普遍認(rèn)為全球的煤/焦燃燒活化能一般在105~180 kJ/mol之間，而多數(shù)在130~150 kJ/mol范圍內(nèi)。因此，本文中焦炭燃燒的本征活化能取137.156 kJ/mol(空氣氣氛)、131.499 kJ/mol(體積分?jǐn)?shù)為18%的貧氧氣氛) 以及125.609 kJ/mol(體積分?jǐn)?shù)為15%的貧氧氣氛)是可信的。

2 焦炭顆粒燃燒數(shù)值模型

2.1 物理模型

在抽風(fēng)燒結(jié)過程中，沿整個(gè)料層高度上將呈現(xiàn)性質(zhì)不同的5個(gè)區(qū)域，從上到下分別為燒結(jié)礦帶、燃燒帶、預(yù)熱帶、干燥帶和過濕帶。燃燒帶的厚度一般僅為20 mm，并以10~40 mm/min的速度往下遷移。焦炭顆粒在燃燒帶內(nèi)部的燃燒特性對整個(gè)燒結(jié)過程有重要影響。燒結(jié)用焦炭顆粒的粒度跨度較大，當(dāng)量粒度為1.5~2.0 mm，其燃燒過程必須考慮氣膜傳質(zhì)擴(kuò)散、灰層擴(kuò)散、界面化學(xué)反應(yīng)等因素的綜合影響。因此，在本文中將焦炭顆粒的燃燒反應(yīng)模型假設(shè)為廣泛采用的球?qū)ΨQ收縮核模型，其燃燒過程示意圖見圖3。

2.2 簡化假設(shè)

結(jié)合熱重實(shí)驗(yàn)條件，顆粒燃燒模型假設(shè)如下： 1) 焦炭顆粒處于無限大空間，環(huán)境溫度保持不變； 2) 顆粒內(nèi)部處于局部熱平衡狀態(tài)，忽略氣?固間的溫差；3) 顆粒內(nèi)部熱量傳遞以導(dǎo)熱為主，忽略擴(kuò)散和輻射；4) 氧氣擴(kuò)散到顆粒表面，并通過氣膜和孔隙深入到核內(nèi)部；5) 在反應(yīng)過程中顆粒粒度保持不變；6) 反應(yīng)在炭灰和焦核之間的界面上進(jìn)行；7) 反應(yīng)產(chǎn)生的炭灰不脫落，包圍在焦核的周圍。

圖3 焦炭顆粒燃燒過程示意圖

2.3 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)2.2節(jié)的假設(shè)條件，確定焦炭顆粒的傳熱方程為

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，焦炭顆粒質(zhì)量變化等于燃燒質(zhì)量消耗，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：為顆粒孔隙率，對焦炭，0=0.39，對炭灰，ash=0.54；為顆粒密度，對焦炭，0=980 kg/m3，對炭灰，ash=700 kg/m3；c為顆粒比熱容，對焦炭，p,0= 1 638.7 J/(kg?K)，對炭灰，p,ash=836.4 J/(kg?K)；為反應(yīng)時(shí)間，s；為顆粒半徑，m；eff為有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?K)，通過eff=2?計(jì)算；為顆粒熱導(dǎo)率，對焦炭，0=0.153 W/(m?K)，對炭灰，ash=0.116 W/(m?K)；m為焦炭摩爾質(zhì)量，c=0.012 kg/mol；C為顆粒的界面燃燒速率反應(yīng)速率，mol/s；Δ為化學(xué)反應(yīng)焓，為26 050~31 640 J/g；C為焦核半徑(當(dāng)前反應(yīng)半徑)，m。

2.3.2 定解條件

1) 初始條件：0= 298 K，f=1473 K，= 1100 kg/m3。

2) 邊界條件：

式中：0為初始時(shí)刻顆粒溫度，K；f為環(huán)境溫度，K；0為初始時(shí)刻顆粒半徑，m；為對流換熱系數(shù)，W/(m2?K)，通過=?g/p計(jì)算；g為氣體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?K)；p為焦炭顆粒當(dāng)量粒度，m，p= 20；為努塞爾數(shù)，通過=[2+(0.40.5+0.060.667)?0.4(μ/)0.25]計(jì)算；為雷諾數(shù)；為普朗特?cái)?shù)；μ和分別為環(huán)境中和顆粒表面氣體的動(dòng)力黏度，Pa?s；s為顆粒外表面溫度，K；m為黑度，m=0.8；為Stefan-Boltzmann常數(shù)，=5.67×10?8W/(m2?K4)。

3 內(nèi)熱源項(xiàng)Rc·ΔH的確定

在研究焦炭燃燒模型時(shí)，大多數(shù)學(xué)者將其視為完全燃燒模式。事實(shí)上，燒結(jié)過程中的燃燒過程為由多個(gè)基元反應(yīng)組成的混合反應(yīng)。文獻(xiàn)[1]提出了如下綜合反應(yīng)方程式：

C+O2=2(?1)CO+(2?)CO2(6)

式中：為不完全燃燒系數(shù)，=1.13~1.53。因而，燃燒反應(yīng)的總體反應(yīng)焓和燃燒速率可通過以下2式確定：

Δ=2(?1)?Δ1+(2?)?Δ2(7)

c=?m/O2?4πr2?C?O2(8)

式中：Δ1為C+O2=CO2的燃燒反應(yīng)焓，33 411 J/g；Δ2為C+0.5O2=CO的燃燒反應(yīng)焓，9 797 J/g；O2為氧氣摩爾質(zhì)量，0.032 kg/mol；C為綜合反應(yīng)速率常數(shù)，m/s，通過C=1/(1/m/eff?O2+1/c)計(jì)算；O2為環(huán)境氧濃度，mol/m3；m為氣膜傳質(zhì)系數(shù)，m/s，通過k=?CO2/p計(jì)算；為舍伍德數(shù)，通過=2+0.70.71/3計(jì)算；為炭灰層厚度，m，=0?r；eff為有效孔隙率，通過eff=0?e?0.006Bδ計(jì)算；O2和CO2分別為氧氣和二氧化碳的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s，分別通過O2=2.03×10?51.87和CO2=7.181×10?81.75計(jì)算；c為化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)，m/s，通過c=?0.5?e?E/(RT)計(jì)算。為反應(yīng)活發(fā)能，=125.61~137.16 kJ/mol；為指前因子，=(6.89~8.30)×105s?1。

4 焦炭顆粒燃燒模擬分析

4.1 燃燒轉(zhuǎn)化率和速率

圖4所示為焦炭顆粒的燃燒轉(zhuǎn)化率和燃燒速率隨量綱一反應(yīng)時(shí)間的變化曲線。從圖4可以看出：在燃燒初始階段，反應(yīng)發(fā)生在顆粒表面，反應(yīng)速率急劇增加，轉(zhuǎn)化率曲線變化較快；隨后，由于燃燒向顆粒內(nèi)部發(fā)展，顆粒燃燒速率下降，質(zhì)量消耗率降低，轉(zhuǎn)化率曲線變化逐漸趨于平緩。綜合而言，導(dǎo)致燃燒速率下降的原因主要有：1) 燃燒界面的氧濃度由于外層炭灰的阻擋逐漸降低；2) 燃燒導(dǎo)致顆粒溫度較高，與外界溫差顯著，對流換熱加強(qiáng)，導(dǎo)致顆粒溫度降低； 3) 燃燒界面逐漸向顆粒內(nèi)部遷移，有效反應(yīng)面積減小。

4.2 焦炭顆粒內(nèi)部溫度

圖5所示為燃燒過程中焦炭顆粒度向不同位置的溫度變化曲線，其中′為顆粒的量綱一半徑，′=0為顆粒中心位置，′=1則為顆粒外表面點(diǎn)。隨著時(shí)間變化，顆粒內(nèi)部溫度呈現(xiàn)不同的變化趨勢。在燃燒前的加熱階段(＜0.47)，顆粒內(nèi)部的溫度梯隊(duì)出現(xiàn)先增大后減小的過程；在初始階段(＜0.1)，顆粒外表面與環(huán)境溫差大，對流及輻射換熱強(qiáng)烈，升溫劇烈。同時(shí)，外表面向內(nèi)部導(dǎo)熱，而由于導(dǎo)熱作用遠(yuǎn)小于外表面與環(huán)境的熱量交換，顆粒內(nèi)部的溫差逐漸增大。當(dāng)顆粒外表面溫度繼續(xù)升高時(shí)(＞0.2)，外表面與環(huán)境的熱交換削弱，內(nèi)部導(dǎo)熱逐漸增強(qiáng)，升溫加快，內(nèi)外溫度梯度減小。達(dá)到著火溫度后，燃燒產(chǎn)生的熱量使得顆粒溫度在極短的時(shí)間內(nèi)(=0.47~0.50)急速升高，最終在≈0.65時(shí)達(dá)到最高溫度(約1 560 K)。此后，由于焦核逐漸縮小，燃燒速率逐漸降低，且反應(yīng)界面始終向內(nèi)外兩側(cè)傳遞熱量，導(dǎo)致顆粒溫度出現(xiàn)下降趨勢。由于煤焦的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)比炭灰的大，因而，焦核的溫度比較均勻，炭灰層的溫度梯度則較大。

1—轉(zhuǎn)化率；2—燃燒速率。

R′：1—0；2—0.2；3—0.4；4—0.6；5—0.8；6—1.0。

4.3 影響因素分析

在燒結(jié)過程中，操控參數(shù)對于燃燒帶有重要影響，不同的環(huán)境條件和焦炭品位直接決定了燃燒帶的溫度、燒結(jié)時(shí)間以及熱量供應(yīng)效率。通過研究單顆粒焦炭的燃燒情況，針對顆粒本身和環(huán)境條件的變化進(jìn)行模擬討論，有利于燒結(jié)過程的改進(jìn)。本文的模擬參數(shù)如表4所示，以粒度為2.0 mm、氧體積分?jǐn)?shù)為21%為參考工況。

表4 模擬參數(shù)取值

4.3.1 焦炭粒度的影響

顆粒粒度對燃燒過程的影響如圖6所示。從圖6可見：隨著粒度減小(氧體積分?jǐn)?shù)保持在21%)，燃燒界面的有效反應(yīng)面積顯著減小，因此，單顆粒的燃燒速率顯著降低；隨著顆粒當(dāng)量直徑從2 mm逐漸減小至1.0 mm，最大燃燒速率從1.99×10?4mol/s分別降低至1.66×10?4，1.34×10?4，1.03×10?4和0.75×10?4mol/s。但對于單位質(zhì)量的焦炭燃燒，若粒度從2 mm減小至1.0 mm，則整體燃燒速率反而升高了3倍；同時(shí)，當(dāng)粒度降低時(shí)，顆粒吸收熱量使整體達(dá)到燃燒溫度所需時(shí)間顯著降低，且在燃燒后期，顆粒外側(cè)炭灰對CO2和O2擴(kuò)散的影響逐漸消失，故焦炭的燃盡時(shí)間顯著縮短；當(dāng)顆粒粒度從2 mm降低至1 mm時(shí)，燃盡時(shí)間縮短66.67%(從1.35 s縮短至0.45 s)，這說明細(xì)化焦炭能極大地促進(jìn)了燒結(jié)料層中焦炭的燃燒過程。在實(shí)際燒結(jié)過程中，為了提高焦炭的燃燒效率，進(jìn)而改善燒結(jié)礦品質(zhì)，應(yīng)優(yōu)選平均粒度小的焦炭。

4.3.2 貧氧率的影響

不同貧氧率(粒度保持2 mm)下焦炭燃燒反應(yīng)速率如圖7所示。由圖7可知：氧體積分?jǐn)?shù)變化對焦炭著火點(diǎn)的影響可以忽略；環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)21%時(shí)，最大燃燒反應(yīng)速率為1.99×10?4mol/s，當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)降低至18%和15%時(shí)，最大燃燒速率分別降低至1.72× 10?4和1.44×10?4mol/s，即燃燒速率隨著氧體積分?jǐn)?shù)下降呈近似線性降低；同時(shí)，燃盡時(shí)間從1.35 s分別延長至1.58 s和1.91 s。當(dāng)周圍環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，通過炭灰層擴(kuò)散到燃燒界面的氧通量更多，給燃燒反應(yīng)提供了相對更充分的氧氣，提高了燃燒速率；而氧體積分?jǐn)?shù)越低，對焦炭燃燒的抑制作用越強(qiáng)。在引入煙氣循環(huán)燒結(jié)技術(shù)時(shí)，應(yīng)盡量控制循環(huán)煙氣的氧體積分?jǐn)?shù)與空氣中的接近。

(a) 燃燒速率；(b) 轉(zhuǎn)化率dp/mm：1—1.00；2—1.25；3—1.50；4—1.75；5—2.00。

O2體積分?jǐn)?shù)/%：1—15；2—16；3—17；4—18；5—19；6—20；7—21。

4.3.3 焦炭細(xì)化效率的確定

定義參考粒度與細(xì)化粒度的比值為焦炭細(xì)效率。采用煙氣循環(huán)技術(shù)時(shí)，助燃?xì)庋躞w積分?jǐn)?shù)降低是一個(gè)不可避免的問題。本文以單位質(zhì)量焦炭的燃盡時(shí)間和最大燃燒速率為指標(biāo)，以確定不同氧體積分?jǐn)?shù)時(shí)的。分析表5發(fā)現(xiàn)：相比于氧體積分?jǐn)?shù)，焦炭粒度的影響更顯著；當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)高于17%時(shí)，粒度細(xì)化至1.75 mm時(shí)即可保證整體燃燒效率不降低，此時(shí)，=1.14；當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)低于17%時(shí)，則需細(xì)化至1.5 mm，=1.33。當(dāng)然，細(xì)化粒度越小，越大，對焦炭燃燒的促進(jìn)越顯著。然而，考慮到控制生產(chǎn)成本，無法實(shí)現(xiàn)焦炭的超細(xì)化。目前，燒結(jié)用焦炭的當(dāng)量粒度控制在1.5~2.0 mm，因此，合理篩選小粒度的焦炭即可滿足實(shí)際煙氣循環(huán)工藝的需要。

表5 不同氧體積分?jǐn)?shù)與粒度下的單位質(zhì)量焦炭燃盡時(shí)間和速率關(guān)系

5 結(jié)論

1) 焦炭燃燒的i由樣品本身特性決定，約為 550℃。在熱重實(shí)驗(yàn)中，熱滯后性的存在使i隨著升溫速率的增加略有升高；隨著氧體積分?jǐn)?shù)降低，不完全燃燒程度增加，在1.128~1.333之間，對應(yīng)的Δ為28.810~31.640 J/g；空氣和貧氧氣氛下的分別為137.156，131.499 和125.609 kJ/mol。

2) 以熱重實(shí)驗(yàn)確定了數(shù)值模擬的關(guān)鍵參數(shù)。焦炭燃燒能達(dá)到的最高溫度為1 560 K；在燃燒前的加熱階段，顆粒內(nèi)部溫度梯度呈先增大后減小的趨勢；燃燒開始后，焦核內(nèi)溫度相對均勻，炭灰層內(nèi)則存在較大溫度梯度。

3) 焦炭單顆粒的燃燒速率和燃盡時(shí)間均隨粒度減小而顯著降低；若考慮單位質(zhì)量焦炭的燃燒，當(dāng)量直徑為1 mm的焦炭整體燃燒速率為2 mm時(shí)的3倍。同時(shí)，燃燒速率隨著環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)下降呈近似線性降低，燃盡時(shí)間相應(yīng)延長。粒度的影響比氧體積分?jǐn)?shù)的影響更顯著。在實(shí)際煙氣循環(huán)燒結(jié)過程中，當(dāng)焦炭細(xì)化效率達(dá)到1.33時(shí)，即可保證整體的燃燒效率與傳統(tǒng)燒結(jié)工藝相當(dāng)。

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(編輯 陳燦華)

Numerical simulation on combustion characteristics of sintering used coal char particle based on thermo-gravimetric kinetic analysis

WANG Gan1, WEN Zhi1, 2, LOU Guofeng1, CAO Huan3

(1. School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. Beijing Key Laboratory of Energy Saving and Emission Reduction for Metallurgical Industry,University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;3. SINOPEC Engineering Incorporation, Beijing 100101, China)

In flue gas recirculation sintering technology, the reduction of oxygen content in the recirculated flue gas significantly inhibits the combustion characteristics of the coal char, and refining coke can significantly accelerate coke combustion rate with the increase of the surface area, which can effectively save energy. The influence of oxygen contents (oxygen-lean) and particle sizes on combustion characteristics of the sintering used coal char particle was numerically simulated. The unreacted-core shrinking model was employed. The ignition temperaturet, incomplete combustion coefficientand reaction enthalpy Δof the coal char were determined by thermo-gravimetric technology, while the intrinsic activation energyand pre-exponential factorwere calculated in different heating rates with Flynn?Wall?Ozawa (FWO) method. The results show thatiof coal char is about 550℃ in air atmosphere;increases from 1.128 to 1.333 when heating rate increases, while Δdecreases from 28.810 kJ/kg to 31.640 MJ/kg, respectively,is about 137.156 kJ/mol.ihardly changes with the change of experimental conditions, whilesignificantly increases with the decrease of oxygen volume fraction, andshows the opposite trend. In the numerical simulation, the maximum temperature of char particle in combustion process is 1 560 K. During combustion, ash layer thickness gradually increases, resulting in decrease of the reaction rate of particle. The combustion efficiency decreases significantly when particle size increases or the oxygen content decreases, on which the effect of the former is more obvious. The refining efficiency of coal char is suggested to be 1.33,when flue gas recirculation sintering technology is applied, aiming at a consistent overall combustion efficiency compared to the conventional sintering process.

sintering; coal char; particle combustion; unreacted-core shrinking model; numerical simulation; thermo-gravimetric; kinetic analysis; Flynn?Wall?Ozawa method

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.10.005

TF526+.1

A

1672?7207(2016)10?3315?08

2015?11?20；

2016?01?22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50876011)(Projects(50876011) supported by the National Natural Science Foundation of China)

樓國鋒，副教授，從事燃燒、非平衡態(tài)等離子體性質(zhì)及利用研究；E-mail：lgf@ustb.edu.cn