焦粉粒徑對(duì)燒結(jié)床中燃燒帶分布的影響

劉子豪, 周 昊, 周明熙, 程 明, 劉瑞鵬, 岑可法

(浙江大學(xué) 能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027)

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焦粉粒徑對(duì)燒結(jié)床中燃燒帶分布的影響

劉子豪, 周 昊, 周明熙, 程 明, 劉瑞鵬, 岑可法

(浙江大學(xué) 能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027)

在燒結(jié)杯臺(tái)架上采用石英砂和焦粉混合模擬鐵礦石燒結(jié)過(guò)程,研究焦粉粒徑對(duì)燒結(jié)燃燒過(guò)程的影響.隨著焦粉粒徑的增加,燒結(jié)生料床的透氣性改善,燃燒過(guò)程中的火焰前鋒速度增加.焦粉粒徑對(duì)燃燒帶寬度有重要影響,保持總的焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變,在1.0～1.4 mm焦粉基礎(chǔ)上,增加0.71～1.0 mm焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù),燃燒帶寬度先增加,當(dāng)增加至30%時(shí),床層溫度分布出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象,燃燒帶寬度減少.提高焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù),有利于提高燃燒帶溫度和增加燃燒帶持續(xù)時(shí)間,減緩甚至消除燃燒帶溫度分布出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象.燃燒帶中的溫度分布出現(xiàn)雙峰主要是由于焦粉粒徑分布不均或是燃燒帶中由于氧量較低造成了焦粉在主燃區(qū)內(nèi)未能燃盡,隨著燃燒帶的下移,氧氣體積分?jǐn)?shù)增加,未燃盡焦粉燃燒加速,燃燒熱釋放速率增加,床層溫度上升.

焦粉粒徑；燃燒帶；燒結(jié)；雙峰

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國(guó)鋼鐵工業(yè)取得了巨大的發(fā)展,粗鋼產(chǎn)量由2000年的1.29億t增加至2014年的8.22億t[1].在我國(guó),燒結(jié)礦作為高爐原料的重要來(lái)源,2009年燒結(jié)礦的產(chǎn)量為6.22億t,2013年燒結(jié)礦產(chǎn)量為8.86億t[2].

鐵礦石燒結(jié)是將含鐵原料利用燃料和熔劑進(jìn)行燒結(jié),獲得冷態(tài)強(qiáng)度和冶金性能良好、有害雜質(zhì)少的高爐爐料.燒結(jié)過(guò)程中的主要反應(yīng)均發(fā)生燃燒帶中,燃燒帶阻力是燒結(jié)床阻力的主要影響因素[3-4],因此研究燃燒帶分布對(duì)于了解燒結(jié)過(guò)程具有重要意義.目前,歐大明等[5-8]著重研究燃料用量及反應(yīng)性對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量和產(chǎn)率的影響.歐大明等[5-6]研究焦粉粒度對(duì)燒結(jié)過(guò)程、燒結(jié)礦質(zhì)量及冶金性能的影響.Loo等[7-8]研究焦粉制粒后的分布狀態(tài),小于0.25 mm焦粉制粒后分散在大顆粒附著層內(nèi),0.25～1.0 mm焦粉制粒后分散在附著層外層,容易脫落,大于1 mm焦粉大多以自由態(tài)的形式存在；細(xì)焦粉對(duì)燒結(jié)產(chǎn)率不利,對(duì)燃燒效率未有明顯影響；改變制粒方式,使焦炭位于附著層的外層,能夠增加燒結(jié)產(chǎn)率.對(duì)于燒結(jié)過(guò)程中燃燒帶的燃燒狀態(tài),由于存在高溫、液相等復(fù)雜燃燒狀況,雖有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究,但是焦粉粒徑對(duì)于燃燒帶參數(shù)以及燃燒帶分布的研究不足.傅菊英等[9]指出隨著焦粉粒徑的增加,燃燒比降低,燃燒效率增加,然而焦粉粒徑對(duì)床層溫度分布未有相關(guān)論述.周取定[10]研究燃料粒徑對(duì)燃燒帶厚度的影響,發(fā)現(xiàn)隨著焦粉粒徑的增加,燃燒帶的厚度增加,但試驗(yàn)過(guò)程中焦粉粒徑分布相對(duì)寬,焦粉粒徑對(duì)燃燒帶影響的細(xì)節(jié)尚不十分清楚.Yang等[11]采用數(shù)值模擬的方法研究焦粉用量以及負(fù)壓對(duì)燃燒帶厚度的影響,指出焦粉用量增加,燃燒帶厚度增加,而隨著負(fù)壓的降低,燃燒帶厚度增加；但對(duì)焦粉粒徑分布對(duì)燃燒帶分布影響機(jī)理的分析不足.

本文采用石英砂和焦粉建立模擬燒結(jié)床,研究燃料粒徑、燃料用量對(duì)燃燒帶溫度、持續(xù)時(shí)間以及燃燒帶分布的影響,從而用來(lái)指導(dǎo)實(shí)際的鐵礦石燒結(jié)過(guò)程.

1 燒結(jié)過(guò)程中傳熱機(jī)理及燃燒理論

圖1 燒結(jié)過(guò)程中燃燒帶及傳熱示意圖[12]Fig.1 Schematic diagrams of combustion zone and heat transfer in iron ore sintering[12]

Voice等[16-17]與傅菊英等[9]提出燃燒前沿與傳熱前沿兩個(gè)概念,用來(lái)闡述燒結(jié)過(guò)程的傳熱與燃燒過(guò)程.在沒(méi)有內(nèi)部熱源時(shí),定義料層溫度開(kāi)始均勻上升時(shí),傳熱前沿達(dá)到,以100 ℃等溫線為準(zhǔn)；當(dāng)配有燃料加熱時(shí),定義料層溫度開(kāi)始迅速上升時(shí),燃燒前沿到達(dá),一般以600 ℃等溫線或者1 000 ℃等溫線為準(zhǔn)[9,16-17].Ball等[9,16-17]將燒結(jié)看作無(wú)限個(gè)傳熱前沿的疊加,認(rèn)為只有當(dāng)燃燒前沿與傳熱前沿速度相匹配時(shí),才能夠獲得狹長(zhǎng)的溫度曲線,溫度才能達(dá)到最大值.在燃燒過(guò)程中氧量增加,將加快燃燒前沿的傳播,此時(shí)燃燒帶的傳播速度由傳熱速度決定；當(dāng)配碳量較高時(shí),由于燃燒前沿氧量偏低,燃料即使被加熱到燃點(diǎn)也不能進(jìn)行燃燒,此時(shí)燃燒帶的傳播速度由燃燒前沿決定[9].Loo[13]認(rèn)為燃燒前沿的燃料只有在被加熱至著火點(diǎn)以上時(shí)才能夠發(fā)生燃燒,因此傳熱前沿移動(dòng)速度不可能落后于燃燒前沿移動(dòng)速度.Loo[13]提出新的燒結(jié)燃燒概念,如圖1(a)所示,Loo認(rèn)為對(duì)于具有一定厚度的燃燒帶,焦炭顆粒在燃燒帶前緣開(kāi)始著火燃燒,在燃燒帶尾緣燃盡,而在燃燒帶的前緣料層的溫度十分接近焦炭的著火溫度,進(jìn)一步增加料層的溫度將使焦炭開(kāi)始著火燃燒,成為燃燒帶前緣.當(dāng)燃料反應(yīng)性或者氧量降低時(shí),燃燒尾緣向后拓展,使燃燒帶寬度增加,燃燒帶溫度降低.燃燒帶的溫度取決于燃料的反應(yīng)性、氧量及燒結(jié)過(guò)程的傳熱,當(dāng)燃料反應(yīng)性降低或是對(duì)流傳熱增加,燃燒區(qū)域熱量釋放速率降低或者是被帶走的熱量增加時(shí),這將降低燃燒帶的溫度.同時(shí),燃燒的燃燒效率對(duì)燃燒帶溫度有重要的影響.由于主要考察焦粉粒徑對(duì)燃燒帶分布的影響,采用Loo[13]提出的燒結(jié)燃燒概念,燃燒帶中焦粉顆粒在前緣開(kāi)始燃燒,結(jié)束于尾緣.下文中提到的燃燒帶概念統(tǒng)一采用前緣和尾緣來(lái)表述.

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)臺(tái)架

燒結(jié)杯試驗(yàn)系統(tǒng)廣泛用于鐵礦石燒結(jié)過(guò)程的研究,能夠較好地模擬鐵礦燒結(jié)過(guò)程[3-8,10]和燒結(jié)杯試驗(yàn)系統(tǒng),如圖2所示.燒結(jié)杯內(nèi)徑為335 mm,高度為600 mm.石英砂與焦粉經(jīng)過(guò)1 min的干混后進(jìn)入內(nèi)徑為1.1 m,轉(zhuǎn)速為10.8 轉(zhuǎn)/min的制粒轉(zhuǎn)鼓中制粒10 min,然后被填入燒結(jié)杯中,每次試驗(yàn)填料約70 kg.在試驗(yàn)過(guò)程中,采用天然氣進(jìn)行點(diǎn)火,點(diǎn)火溫度約為1 200 ℃,點(diǎn)火時(shí)間為1.5 min.在試驗(yàn)過(guò)程中,燒結(jié)負(fù)壓通過(guò)調(diào)節(jié)旁通閥門開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)燒結(jié)負(fù)壓,如圖2所示.在試驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)PID控制閥門開(kāi)度,并維持燒結(jié)過(guò)程中負(fù)壓為定值.在燒結(jié)過(guò)程中,負(fù)壓和風(fēng)量對(duì)燒結(jié)過(guò)程有重要影響,綜合考慮負(fù)壓和風(fēng)量的試驗(yàn)結(jié)果,點(diǎn)火負(fù)壓和燒結(jié)負(fù)壓均為6 kPa,燒結(jié)風(fēng)量接近實(shí)際燒結(jié)過(guò)程約為100～150 m3/h.在燒結(jié)過(guò)程中,燒結(jié)杯入口風(fēng)量采用美國(guó)TSI熱線風(fēng)速儀進(jìn)行測(cè)量,燒結(jié)部分煙氣被抽出,采用Testo350煙氣分析儀測(cè)量煙氣成分.在試驗(yàn)過(guò)程中,采用S型熱電偶測(cè)量床層溫度.圖2中燒結(jié)杯床層由上至下分別布置了3根熱電偶,距離燒結(jié)杯頂部分別為100、300、500 mm.燒結(jié)風(fēng)箱溫度采用K型熱電偶記錄煙氣溫度.

2.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為石英砂以及焦粉,試驗(yàn)過(guò)程中采用的焦粉粒徑分布如表1所示.表中,d為粒徑,ds為篩徑,dm為平均粒徑.共測(cè)試5種焦粉粒徑對(duì)溫度分布的影響,通過(guò)不斷縮小焦粉粒徑及其分布的范圍,研究焦粉粒徑對(duì)燃燒帶的影響.詳細(xì)工況如表2所示,從試驗(yàn)1至試驗(yàn)5,焦粉粒徑逐漸縮?。辉囼?yàn)6與試驗(yàn)5的焦粉粒徑分布一致,但焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至4.60%.

圖2 燒結(jié)杯試驗(yàn)裝置Fig.2 Sinter pot test equipment

%

表2 焦粉粒徑對(duì)燃燒帶分布影響的試驗(yàn)工況表

Tab.2 Case condition for influence of coke size on combustion zone distribution

試驗(yàn)編號(hào)w(焦粉)/%dm/mm14．851．1824．851．1134．851．0544．850．9354．850．6064．600．60

2.3 焦粉燃燒特性及燃燒帶的定義

圖3 空氣氣氛下焦粉TG與DTG曲線Fig.3 TG and DTG curves of coke at air atmosphere

焦粉著火溫度的確定方法較多, 綜合各種方法的優(yōu)劣,采用TG切線法確定焦粉的燃燒特征溫度[18].過(guò)DTG曲線的峰值速率點(diǎn)作垂直曲線與TG相交,然后在交點(diǎn)上作TG曲線的切線,切線與失重開(kāi)始的平行線的交點(diǎn)為焦粉的著火溫度.在熱重試驗(yàn)過(guò)程中,焦粉樣品質(zhì)量為20 mg,在空氣的氣氛下以10 K/min的升溫速率從室溫升至1 100 ℃.通過(guò)TG曲線法得到焦粉的著火溫度為640 ℃,如圖3所示.圖中，θe為熱重試驗(yàn)溫度.

燃燒帶為焦粉燃燒區(qū)域,從焦粉開(kāi)始燃燒的前緣至焦粉燃盡的尾緣這一區(qū)域稱為燃燒區(qū)域.在實(shí)際過(guò)程中,根據(jù)理論定義來(lái)劃分燃燒帶厚度有著非常大的困難,一般根據(jù)溫度來(lái)劃分,定義焦粉著火點(diǎn)溫度至最高溫度點(diǎn)這一段為燃燒帶[19].在實(shí)際過(guò)程中,當(dāng)溫度達(dá)到最高點(diǎn)以后,焦炭有可能繼續(xù)燃燒,但由于燃燒釋放熱量小于氣流帶走的熱量,導(dǎo)致溫度降低,因此將溫度達(dá)到最高點(diǎn)作為焦炭燃燒的終點(diǎn)不嚴(yán)謹(jǐn).對(duì)于實(shí)際燒結(jié)過(guò)程中由于床層溫度較高,焦炭在溫度上升段基本燃盡,在溫度下降段燃燒較弱,因此在燒結(jié)過(guò)程中用該方法作為燃燒帶的判據(jù)誤差相對(duì)較小.由于石英砂與鐵礦石的蓄熱能力不同,床層溫度較實(shí)際燒結(jié)床溫度略低,放大了燃燒帶,因此以溫度最高點(diǎn)作為燃燒帶終點(diǎn)的判據(jù)誤差較大,提出主燃燒區(qū)域以及燃燒帶2個(gè)概念.主燃燒區(qū)域定義為從焦炭著火溫度迅速升至最高點(diǎn)溫度的區(qū)域,該區(qū)域燃燒速率快,燃燒強(qiáng)度大.燃燒帶定義為溫度高于焦炭著火點(diǎn)的溫度區(qū)域.

之后，盡管還經(jīng)過(guò)了一些大小波折，但在以血緣親情為紐帶、緊密團(tuán)結(jié)一致的各組、戶社員的堅(jiān)持下，山科村分田包干到戶、組的既成事實(shí)最后得到了公社的默認(rèn)。幾個(gè)月后，山科村二季稻實(shí)現(xiàn)大增收，木工單干戶官慢生光賣征購(gòu)糧就收入400多元，其他作業(yè)組戶均收入也都翻了一番。在現(xiàn)實(shí)利益的激勵(lì)之下，到1979年年終，山科村7個(gè)作業(yè)組幾乎都更進(jìn)一步“包產(chǎn)到戶”了。

3 結(jié)果與討論

3.1 焦粉粒徑對(duì)燃燒帶參數(shù)的影響

表3中，tMCZDT、tCZDT分別為主燃燒區(qū)和燃燒帶持續(xù)時(shí)間，θmax為燃燒帶最高溫度,v為火焰前鋒速度，qV1為燒結(jié)風(fēng)體積流量.表3數(shù)據(jù)表明,隨著0.71～1.00 mm粒徑范圍內(nèi)的焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,300與500 mm處的燃燒帶持續(xù)時(shí)間先增加而后減少.在燒結(jié)過(guò)程中,粗焦粉在燃燒帶尾緣燃燒,細(xì)焦粉在燃燒帶前緣燃燒.混合料中的細(xì)焦粉比例增加,能夠使燃燒前緣得到拓展,燃燒帶厚度及持續(xù)時(shí)間增加.當(dāng)細(xì)焦粉所占比重過(guò)高時(shí),由于燃燒效率低[9],床層溫度偏低,如圖5所示,使得燃燒帶持續(xù)時(shí)間減少.表3顯示了0.71～1.00 mm焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,100 mm處的燃燒帶持續(xù)時(shí)間減少.這主要與上層的傳熱相關(guān),上層容易受到點(diǎn)火的影響,100 mm處床層溫度上升階段,此時(shí)點(diǎn)火輸入的能量分布在較窄的料層中,進(jìn)入燃燒帶的空氣能夠被預(yù)熱到較高溫度,焦粉燃燒床層溫度迅速上升,且最高溫度較高,隨著焦粉的燃盡,燃燒帶下移,進(jìn)入燃燒帶尾緣的空氣預(yù)熱程度較低,使燃燒帶尾緣溫度急劇降低,床層中大顆粒焦粉燃盡程度低,燃燒帶尾緣被縮短,此時(shí)即使焦粉粒徑分布更寬,燃燒帶持續(xù)時(shí)間減少.隨著燃燒帶的不斷下移,整個(gè)床層中的蓄熱增加,空氣預(yù)熱度增加,燃燒帶燃燒溫度高,隨著焦粉粒徑分布變寬,燃燒帶持續(xù)時(shí)間增加.隨著0.71～1.00 mm焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,主燃燒區(qū)持續(xù)時(shí)間減少.主要是由于細(xì)焦粉比例增加,燃燒加快,燃盡時(shí)間縮短,熱釋放速率和料層溫度升溫速率增加,主燃燒區(qū)域持續(xù)時(shí)間縮短,甚至整個(gè)燃燒帶的持續(xù)時(shí)間減少.

表3 燃料粒徑對(duì)燃燒帶參數(shù)的影響

注：1)該處取床層溫度升溫速率最高段為主燃區(qū)；2)燒結(jié)風(fēng)量為點(diǎn)火后至燒結(jié)風(fēng)箱溫度開(kāi)始上升時(shí)期的平均風(fēng)量[3],計(jì)算時(shí)去除該段前、后10%的不穩(wěn)定時(shí)期段風(fēng)量.

如表1所示,工況4的焦粉平均粒徑較小,為0.93 mm,但300與500 mm處的燃燒帶持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng).這主要是由于焦粉粒徑分布較寬,燃燒帶的前緣和尾緣得到拓展,從而燃燒帶持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng).工況5的焦粉粒徑為0.50～0.71 mm,與工況1的粒徑分布相似,焦粉粒徑分布均很窄,但工況5中300 mm處焦粉發(fā)生嚴(yán)重的二次燃燒,根據(jù)定義計(jì)算得到的燃燒帶持續(xù)時(shí)間大幅縮短；500 mm處焦粉能夠持續(xù)燃燒,未發(fā)生二次燃燒現(xiàn)象,可能主要是由于下層蓄熱作用較明顯,空氣預(yù)熱程度較高,使燃燒能夠維持.隨著焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,燃燒帶持續(xù)時(shí)間呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),主要是由于燃燒帶溫度略有上升,導(dǎo)致燃燒帶前緣拓展,同時(shí)由于焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,燃燒帶內(nèi)氧量會(huì)降低,這對(duì)燃燒持續(xù)時(shí)間有影響.焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,使得燃燒帶阻力增加,從而使火焰前鋒速度(FFS)下降.

圖4 焦粉粒徑對(duì)于生料床氣流量及火焰前鋒速度的影響(除工況6外)Fig.4 Relationship between coke size and green bed or sintering bed permeability

焦粉粒徑對(duì)火焰前鋒速度有重要影響.一方面,焦粉粒徑能夠影響生料的透氣性,圖4顯示了隨著焦粉粒徑的減少,生料床的孔隙率降低,生料床的空氣流量減少,床層透氣性下降.圖4中，qV2為生料床氣體積流量，火焰前鋒速度根據(jù)500 mm熱電偶測(cè)定時(shí)間計(jì)算.另一方面,焦粉粒徑能夠影響燃燒帶的厚度及燃燒溫度,焦粉粒徑減少,反應(yīng)速率加快,燃盡時(shí)間減少,這有助于減少燃燒帶厚度,從而增加火焰前鋒移動(dòng)速度.由上述討論可知,焦粉粒徑變細(xì),燃燒帶厚度并非成線性減少,主要是由于細(xì)焦粉粒徑改變了燃燒帶的燃燒狀態(tài)及氧量分布,導(dǎo)致燃燒帶發(fā)生變化.圖4和表3表明,隨著焦粉粒徑的縮小,燒結(jié)風(fēng)量和火焰前鋒速度呈下降趨勢(shì).這說(shuō)明雖然焦粉粒徑變小,有利于使燃燒帶厚度減少,床層阻力降低,但是由于燒結(jié)料粒徑較細(xì),生料床透氣性惡化比較嚴(yán)重,整體上使得燒結(jié)風(fēng)量下降,火焰前鋒速度下降.這與Loo等[7-8]發(fā)現(xiàn)增加小顆粒焦粉對(duì)燒結(jié)產(chǎn)率不利的結(jié)果一致.

從表3可以看出,工況3焦粉粒徑較工況1和2焦粉粒徑小,但風(fēng)量高.這主要是由于工況2中發(fā)生了嚴(yán)重的二次燃燒現(xiàn)象,使得燃燒帶迅速減少,燒結(jié)過(guò)程阻力下降.

在燒結(jié)過(guò)程中,焦粉粒徑通過(guò)影響燃燒帶阻力及生料床透氣性來(lái)影響燒結(jié)床層透氣性,從而影響燒結(jié)風(fēng)量.在燒結(jié)過(guò)程中,風(fēng)量能夠影響燃燒帶參數(shù).增加燒結(jié)風(fēng)量有利于增加燒結(jié)過(guò)程中傳熱及燃燒帶前緣的氧量,從而使得燃燒帶前緣料層著火速度增加,燃燒帶移動(dòng)速度加快.對(duì)于燃燒帶中焦粉的燃燒,燒結(jié)風(fēng)量有兩方面影響：一方面能夠增加燃燒過(guò)程中氧量,促進(jìn)燃燒；另一方面將帶走更多的燃燒熱.這兩方面共同作用,從而影響燃燒帶溫度.

3.2 焦粉粒徑對(duì)于溫度分布的影響

圖5顯示焦粉粒徑對(duì)燒結(jié)床層溫度分布有很大的影響.圖中，θw為風(fēng)箱溫度.隨著焦粉粒徑的不同,溫度曲線分布可能會(huì)更寬,也有可能變窄,甚至出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象.如圖6所示為燒結(jié)床層一個(gè)典型的雙峰溫度曲線,床層溫度在燃燒帶前緣到達(dá)時(shí)迅速上升至最高點(diǎn),之后下降至某一值,而后床層溫度維持在某一個(gè)溫度或者緩慢升高,然后逐步下降至室溫.溫度曲線出現(xiàn)雙峰,說(shuō)明焦粉在主燃區(qū)未有燃盡,出現(xiàn)二次加速燃燒的現(xiàn)象.圖6中主燃燒區(qū)(區(qū)域1)溫度迅速上升至最高溫度,這主要是由于此時(shí)焦粉燃燒開(kāi)始,釋放熱量和床層積蓄的熱量增加,使得溫度升高.當(dāng)溫度達(dá)到峰值時(shí),此時(shí)燃燒熱釋放速率降低,同時(shí)由于床溫較高,燃燒帶散熱損失增加,床層溫度開(kāi)始下降.當(dāng)溫度降低至某一值時(shí),燃燒開(kāi)始加速,使得床層溫度能夠維持在該值或者溫度緩慢上升.隨著焦粉的耗盡,溫度逐步下降至室溫.

圖5 床層和風(fēng)箱溫度分布曲線Fig.5 Curves of bed and windbox temperature distribution

圖6 雙峰溫度曲線分布Fig.6 Temperature distribution with double peak

圖5(a)～(c)顯示,隨著細(xì)焦粉比例的增加,燒結(jié)床溫度分布曲線開(kāi)始變寬.當(dāng)0.71～1.00 mm焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí),出現(xiàn)嚴(yán)重的雙峰現(xiàn)象,這說(shuō)明料層中焦粉發(fā)生了二次燃燒現(xiàn)象,在燃燒帶之后有不少的焦粉在緩慢燃燒.產(chǎn)生該現(xiàn)象可能有以下2種原因.1)0.71～1.00 mm焦粉燃燒速率快,大部分在圖6中的區(qū)域1中燃燒,0.71～1.00 mm焦粉比例增加,將導(dǎo)致區(qū)域1氧量較低,造成1.0～1.4 mm焦粉及表面積灰的焦粉燃燒較緩慢.當(dāng)細(xì)焦粉燃盡時(shí),床層溫度開(kāi)始下降,當(dāng)溫度降至一定程度以后,由于燃燒帶中氧量回升,粗焦粉顆粒開(kāi)始加速燃燒,床層溫度上升.2)由于大顆粒焦粉需要的加熱時(shí)間增加,導(dǎo)致焦粉著火延后,粗焦粉在細(xì)焦粉燃盡后才能開(kāi)始燃燒.圖5(b)中中部床層溫度經(jīng)過(guò)最高溫度以后,在短暫時(shí)間內(nèi)溫度降低較迅速,而后緩慢降低,主要是由于區(qū)域1中細(xì)焦粉較少的緣故.

比較工況1、5可知,兩者焦粉粒徑范圍均較窄,1.0～1.4 mm的焦粉燃燒較理想,采用0.50～0.71 mm焦粉的床層中層發(fā)生嚴(yán)重的二次燃燒現(xiàn)象,并且二次燃燒區(qū)域的燃燒強(qiáng)度較高.由于焦粉分布范圍很窄,可以排除大顆粒焦粉需要更長(zhǎng)加熱時(shí)間導(dǎo)致雙峰現(xiàn)象的發(fā)生.此時(shí)發(fā)生雙峰的主要原因?yàn)榧?xì)焦粉在主燃區(qū)內(nèi)迅速燃燒,氧量迅速降低,被灰覆蓋的焦粉燃燒緩慢,從而導(dǎo)致焦粉在主燃區(qū)內(nèi)未能燃盡.隨著燃燒帶的下移,氧量增加,燃燒加速,從而溫度升高.工況5下層未出現(xiàn)雙峰,主要是由于下段蓄熱作用增加,主燃區(qū)內(nèi)溫度較高,即使氧量較低,被灰覆蓋的焦粉也能夠保持較高的燃燒速率,從而維持了床溫.

當(dāng)粒徑為0.5～0.71 mm,焦炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.60%時(shí),發(fā)生了最嚴(yán)重的雙峰現(xiàn)象,同時(shí)發(fā)生的雙峰溫度拐點(diǎn)更低,下層的溫度拐點(diǎn)高于中層,說(shuō)明由于燃燒帶熱釋放量不夠,導(dǎo)致了雙峰溫度的出現(xiàn).圖5(f)中,溫度曲線下降段發(fā)生溫度再次升高的位置低于圖5(e)中的溫度點(diǎn),這說(shuō)明該階段燃料釋放的熱量更少,溫度下降更快,這與焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低相關(guān).

在工況4與工況3中,兩者的焦粉粒徑相近,但工況3中溫度分布出現(xiàn)了嚴(yán)重的雙峰現(xiàn)象,焦粉粒徑分布較寬的工況4溫度分布較理想,未出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象.主要是由于工況4中焦粉粒徑分布較均勻,燃燒帶中燃燒均勻,未發(fā)生劇烈的燃燒波動(dòng),燃燒沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重的斷層現(xiàn)象.

4 結(jié) 論

(1)研究石英砂模擬燒結(jié)過(guò)程中焦粉粒徑對(duì)燃燒帶參數(shù)及溫度分布的影響發(fā)現(xiàn),焦粉粒徑對(duì)火焰前鋒速度有重要的影響.隨著焦粉粒徑的減少,雖然燃燒帶參數(shù)可能發(fā)生變化,但是由于生料透氣性降低,總體上火焰前鋒速度減少.

(2)焦粉粒徑能夠顯著地影響燒結(jié)過(guò)程中燃燒帶的分布,在一定范圍內(nèi)增加燒結(jié)料中細(xì)焦粉粒徑比例,能夠拓展燃燒帶前緣,增加燃燒帶厚度及持續(xù)時(shí)間.若細(xì)焦粉過(guò)多,則可能引起燃燒帶熱釋放速率發(fā)生劇烈的斷層,從而出現(xiàn)雙峰溫度曲線.提高燃燒帶溫度能夠有效地避免燃燒帶雙峰現(xiàn)象.

(3)焦粉粒徑減少,燃燒帶的主燃區(qū)內(nèi)燃燒速率增加,熱釋放速率提高,但是由于此時(shí)燃燒帶中氧量偏低,阻礙了焦粉的進(jìn)一步燃燒.

(4)均勻的焦粉粒徑分布對(duì)燃燒帶的意義重大.良好的焦粉粒徑分布,能夠較好地維持燃燒帶的持續(xù)燃燒及焦粉的燃盡.

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Influence of coke size on combustion zone distribution in sintering bed

LIU Zi-hao, ZHOU Hao, ZHOU Ming-xi, CHENG Ming, LIU Rui-peng, CEN Ke-fa

(StateKeyLaboratoryofCleanEnergyUtilization,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

The mix of quartz sand and coke was used to simulate iron ore sintering in order to investigate the influence of coke size on combustion process in iron ore sintering. When coke size increased, green bed permeability improved and flame front speed increased during the combustion process. Coke size had important influence on the width of combustion zone. If the total coke mass fraction kept constant, the width of combustion zone increased at first when the mass fraction of plus 0.71 minus 1.0 mm coke increased on the basis of plus 1.0 minus 1.4 mm coke. When the mass ratio of plus 0.71 minus 1.0 mm coke increased to 30%, bed temperature distribution appeared the phenomenon of double peak and the width of combustion zone decreased. The increase of coke mass fraction can increase bed temperature and the duration time of combustion zone, retard or remove the double peak phenomenon of combustion zone temperature distribution. The main reasons of the double peak phenomenon of combustion zone temperature distribution are the uneven coke size distribution or low oxygen content in the combustion zone, which results in the failure of coke burn-out in primary combustion zone. Oxygen volume fraction increased with combustion zone descending down. Unburned coke accelerated combustion, the rate of heat release increased, and bed temperature rises.

coke size; combustion zone; sintering; double peak

2015-02-04. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.journals.zju.edu.cn/eng

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51476137).

劉子豪(1988—), 男,博士生,從事多孔介質(zhì)燃燒及NOx控制的研究.ORCID: 0000-0003-3580-7798. E-mail: 13867172653@163.com 通信聯(lián)系人：周昊,男,教授,博導(dǎo). ORCID: 0000-0001-9779-7703. E-mail: zhouhao@cmee.zju.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.04.013

TK 222

A

1008-973X(2016)04-0691-07