文摘

实现绿色生产的铁矿石烧结,替代生物炭具有重要意义,它是一个清洁和可再生能源,化石燃料。在本文中,公司之间的气化反应₂生物炭是调查。结果显示的初始温度和最终温度气化反应生物炭和公司之间₂较低,最大失重速率和最大的热吸收值远高于可口可乐的微风,这表明生物炭和公司之间的气化反应吗₂迅速发生在较低的温度。生物炭的气化活化能是131.10焦每摩尔,低于可口可乐的微风的56.26焦每摩尔。因此,生物炭有更高的反应性和容易与CO的反应₂生成CO。因此,生物炭替代焦炭粉时等于热量条件在烧结过程中,燃料燃烧效率下降,缺点铁矿的成矿温度高。与替代比例的增加,烧结矿产量、翻滚的力量,生产力下降。生物炭的比例取代可乐微风不应高于40%。通过减少热量替代率的生物炭,烧结矿的产量和质量得到了改善。

1。介绍

铁矿石烧结过程的能耗一般约占10%的钢铁企业,75% ~ 80%的化石燃料消耗以固体的形式像可口可乐微风或无烟煤1,2]。燃料成本占40%或更多的烧结处理成本(3]。以前的研究也发现,固体化石燃料的燃烧担任公司的主要来源₂袜,在这个过程中氮氧化物等(4,5]。为了解决这些问题,用广泛分布,可再生,清洁化石燃料的生物炭在烧结过程中被认为是一个有前途的战略来减少CO的排放₂袜,氮氧化物等(6- - - - - -10]。

在澳大利亚CSIRO炭的应用上进行了一项研究铁矿石烧结过程。结果表明,木炭生产的红桉树的灰分含量低,燃烧后的残余杂质很少。当应用于烧结过程,生物炭可以替代焦炭的微风的一部分,但降低烧结矿的强度的产品。尤其是暴跌强度显著降低了生物炭用量高时(11,12]。哥鲁氏的英国和荷兰学者技术和发展研究中心共同进行了一系列的烧结测试使用葵花籽壳代替可乐微风的一部分。结果表明,它是可行的使用葵花籽壳代替碎焦炭10%铁矿石烧结。烧结特性类似于当使用可口可乐的微风,而烧结时间缩短和生产率提高了6.4%。然而,当替换比率为20%或更高,烧结生产和质量指标严重恶化[13,14]。巴西研究机构使用生物炭粉粒度的5 - 10毫米取代6%和12%碎焦炭对烧结生产,发现烧结产品大的比表面积和良好的冶金性能,产品可以满足高炉的要求虽然下跌强度降低(15]。CSIRO的陆李明发现,相比之下,烧结发射与可口可乐的微风中,混合物的烧结≤50%焦炭粉取代木炭略弱的烧结矿产量、翻滚的力量,和减少解体(16,17]。我们组也做了很多的工作影响烧结过程的生物炭替代焦炭的微风。研究表明,它可以减少氮氧化物的排放,袜等等应用碳化秸秆产品时,树,molded-sawdust [18- - - - - -21]。

有很多不同生物炭和传统燃料的化学成分、物理性质、近似分析,等等。生物炭替代焦炭的微风会带来一系列变化烧结过程中燃料的行为。因此,在本文中生物炭的区别和碎焦炭反应性进行了研究,以及生物炭反应的动力学特征与有限公司₂。此外,生物炭替代焦炭的微风是如何影响机制研究了烧结矿的产量和质量的影响生物炭在燃烧效率。

2。材料和方法

2.1。原材料

铁矿石混合固体燃料,通量(白云石、石灰石和生石灰),并返回罚款是利用生产烧结。原材料的化学成分如表所示1。几种铁矿石混合满足烧结矿成分的要求,与TFe(总铁含量)为57.5%,SiO₂在烧结的4.8%。通量的常规成分,及其在混合百分比计算,以满足碱度(曹/ SiO₂2.0),分别以2.0%。

两种类型的固体燃料应用于实验。一个是可口可乐的微风,来自工业烧结厂,另一个是生物炭碳化在700°C的30分钟从acutissima氮气。最终和近似分析燃料表2。火山灰在燃料的化学成分在图所示1。可以看出,生物炭N和S含量较低,这是有利于减少袜和氮氧化物的生成。与可口可乐的微风相比,生物炭在灰分含量低,但高于固定碳,挥发性和热值。

与光学显微镜的帮助下,得到了可口可乐的微风和生物炭的微观结构,如图2。显然,更多的小孢子均匀分布在生物炭和大多数的显微镜。生物炭孔隙度和可口可乐微风由光学显微镜测量,当特定的表面区域测试Quantachrome Quadra赢。本文中使用的生物炭是没有激活,所以氮作为吸附物和选择方法被用来计算比表面积。生物炭的孔隙度是58.22%,高于可口可乐的微风中12.47%。生物炭的比表面积是54.76²/ g,这是可口可乐的微风的9.13倍。

2.2。方法

2.2.1。方法来研究气化反应的行为

生物炭的反应在非等温条件下,研究了利用同步热分析仪(NETZSCH STA 449 c,德国)。5.0毫克样品放入₂O₃坩埚热天平的支架和加热控制计算机的过程。气体流速控制,0.5 m / s,温度增加的速度是15°C /分钟。气化反应的TG-DTG曲线和DSC曲线之间的生物炭和有限公司₂分析了获得气化反应的特征参数,包括反应起始温度(),最终温度(),最大失重速率(max),最大热释放(max)。

生物炭的反应在竖炉在等温条件下进行了研究。用熔融石英管Φ38×550毫米反应池,有杯放置样品,收取25克干燃料颗粒组的3毫米。重量由电子天平和计算机测量和记录,分别,系统读取数据每20年代。在开始测试之前,氮气作为保护气体流量的传递到管5 L / min,直到温度达到预设温度。然后,反应槽重,氮气被切断了,然后进口有限公司₂10 L /分钟的流量,直到减肥达到一个恒定值。因此,气化反应转化率()和瞬时速度在特定的时间计算根据每次减肥的价值。公式如下: 在哪里转化率,%;是反应速率,% /分钟;初始质量、g;的质量是反应的时间 ,g;是减肥的速度反应时间吗 ,克/分钟。

气化反应的速率是使用瞬时率评估在50%的燃料转换。

2.2.2。烧结试验

烧结过程是模拟烧结锅的直径180毫米×700毫米深。过程涉及矿石配比、混合、造粒,点火,烧结,冷却。原材料颗粒在滚筒的直径为600毫米×1400毫米深4分钟,然后冲进烧结锅里。一个炉层大约20毫米厚被用来保护格栅从热侵蚀。充电后,表层的燃料点燃1150±50°C由点火罩1分钟。燃烧前向下移动的支持下吸系统的负压10 kpa。在烧结过程中,红外分析仪是用于检测有限公司,有限公司₂内容在废气和燃烧效率有限公司₂/ (CO +有限公司₂)计算评估燃烧的燃料。烧结蛋糕卸货后,删除测试(2 m×3次),筛选和下跌的力量进行了评估烧结的体力。产品烧结矿产量的比例扣除炉层材料和罚款−5毫米。生产力被定义为产品的烧结生产的单位面积的重量/时间。下跌力量的测试是在鼓的进行的1000×500毫米,7.5公斤产品烧结暴跌200 r,然后暴跌烧结在6.3毫米上映,+ 6.3毫米的比例被视为下跌力量。烧结速度是烧结床的高度之间的比例和总烧结时间。

在烧结锅测试,生物炭的质量计算的基础上更换比例生物炭取代可乐和替代率的热量 在哪里生物炭的质量,公斤;是可口可乐的质量基本情况,公斤;生物炭的比例是取代可口可乐,这意味着减少比例的可口可乐相比,生物炭替代焦炭的基本情况;是可口可乐的热值,乔丹·公斤吗⁻¹;是生物炭的热值,乔丹·公斤吗⁻¹;是热替代率,这意味着1 kj释放热量通过生物炭可以取代由可口可乐的热量释放;作为 ,这意味着生物炭燃烧的热量相当于可口可乐的微风中代替。

3所示。结果与讨论

3.1。生物炭的热化学行为

3.1.1。气化特征参数

非等温的气化燃料的TG-DSC曲线如图所示3。生物炭在加热有限公司₂大气中经历了四个阶段,干燥、预热、挥发物解吸,分别和碳的气化反应。波动开始析出温度达到一定值时,与可口可乐的微风相比,生物炭的减肥的过程中更加明显,波动减肥比通常可以达到8%以上。解吸后的不稳定,固定碳的气化,燃料和减肥比显著加快。生物炭的壳体和DSC曲线显示了尖锐的峰值,表明反应更强烈而可口可乐的微风。

TG-DTG和DSC曲线分析了燃料的气化得到特征参数。这表明生物炭开始气化温度低,反应起始温度()和最终温度()都低于可口可乐的微风中,而最大失重速率(max)和最大热吸收值(max)都高于可口可乐的微风。它体现生物炭反应性高于可口可乐的微风,容易与CO的反应₂生成CO。

3.1.2。气化动力学

生物炭的反应速率和可口可乐和有限公司₂研究了等温热重量分析和转化率如图4。为比较燃料和公司之间的气化过程₂气化反应的速率是评价由瞬时速度(当转化率为50%。这是已知的从图3在相同的温度下,生物碳的气化反应速率为3.85% /分钟,这是速度比可口可乐的微风在1050°C(0.57% /分钟)。随着气温上升,燃料气化反应速度快,缩短了时间在此期间燃料转化率达到50%。当温度范围从950°C到1100°C,气化反应速率(生物炭的)从1.50%上升4.35% /分钟/分钟,和从34.33分钟减少到11.52分钟。

在本文中,一个典型的萎缩核心反应模型被用来研究固体燃料的气化反应动力学。反应可以分为三个地区:化学反应动力学区,内扩散区和外扩散区。化学反应动力学,反应速率的控制因素是可口可乐的化学反应和有限公司₂。外扩散区,控制因素是公司的影响₂可口可乐表面扩散,而内部扩散区是受化学反应和扩散的影响。曾和埃德加22]分析了可口可乐的不同反应区。化学反应动力学,焦炭气化反应的动力学常数是由以下公式表示:

焦炭气化的内部扩散速率常数描述的内部扩散区以下公式:

外扩散区,焦炭气化的外部扩散速率常数是由以下公式:

的公式,气化速率常数;是内部扩散速率常数;外扩散速率常数;可口可乐转化率;转化率达到50%时的反应时间;是比表面积在任何时候在气化过程;氧气分压;是内在的反应顺序;明显的反应顺序;是可口可乐的初始粒子半径;的扩散系数 ; 灰比;是每摩尔的碳消耗的数量吗 ; 气体常数。

反应速率常数阿伦尼乌斯公式可以用吗

结合上面的方程,下面的公式(7)可以得到:

活化能气化可以得到的斜率和 。的变化曲线生物炭与可口可乐的风的变化 被显示在图5,活化能和转变温度见表3。

这是显示在表3气化反应时的外扩散和内扩散控制,生物炭的活化能气化略小于可口可乐的微风,同时,在化学反应的控制区域,生物炭的气化的活化能明显低于可口可乐的微风。生物炭的活化能的气化是131.10焦每摩尔,低于可口可乐的微风的56.26焦每摩尔。生物炭的气化从化学反应控制转移到内部扩散控制在900°C,而从内部扩散控制转移到外部扩散在1000°C。显然,转变温度低于可口可乐的微风。

3.2。生物炭对烧结的影响

比例的生物炭的影响取代可口可乐在同等热量替代烧结过程进行了研究。生物炭的影响取代可乐微风CO的排放₂和在烧结是图所示6。与替代比例的增加,公司的内容₂和公司在烟气上升。单位时间内更多的燃料燃烧由于使用生物炭在烧结时增加燃烧的速度。当替代比例从0%上升到100%,公司的平均浓度₂和公司在烟气从10.32%和1.43%增加到12.27%和2.14%,分别。

燃烧效率是指完全燃烧比整个燃烧。公司的比例₂/ (CO +有限公司₂)可以反映了燃烧效率。C是在高温燃烧时,表面反应C C和公司之间的气化反应₂,生产公司向外扩散和反应₂向内扩散产生有限公司₂。因此,燃烧效率是影响公司₂+ C = 2 .反应碳粒子的表面。生物炭取代可乐风对燃烧效率的影响见图7。显然,燃烧效率降低了生物炭的增加比率,当他们20%,40%,60%,和100%,平均燃烧效率从87.83%下降到87.82%,86.92%,86.04%,和85.15%,分别,这表明,不完全燃烧了烧结过程中生物炭的增加比率。碳的燃烧所释放的热量仅为29.25%时其总热值的燃烧不完全,这意味着高热量损失部分的70.75%。因此,生物炭替代焦炭的微风会降低热利用的效率。

从上面的,众所周知,生物炭具有更高的反应活性比可口可乐的微风和反应有限公司₂迅速。因此,更多的公司是生物炭表面生成的。此外,随着生物炭燃烧迅速,越来越多的O₂是单位时间消耗和O的浓度₂烟气中相对较低,这限制了二次燃烧反应的CO和终于燃烧效率下降,最终烧结的生产和质量指数下降。

生物炭的影响取代可乐微风在同等热量替代烧结矿的产量和品质是表所示4。随着替代比例的增加,烧结速度加快,而烧结矿产量、翻滚的力量,和生产力下降。生物炭的替代比例相对较低时,下降程度不显著。然而,替代比例超过一定值时,烧结矿产量和质量指标大大恶化。因此,生物炭的比例取代可乐风有一个适当的值。替代比例超过40%时,烧结矿产量和质量指数迅速下降,表明适当的替代比例为40%。

烧结产量和下跌强度下降的主要原因是,生物炭烧得太快,导致恶化的燃烧效率和降低床层温度。因此,减少生物炭的热量替代率提高床层的温度可以提高烧结矿的产量和下跌的力量。热烧结索引上的替代率的影响见表5。生物炭释放热量的比值时替换的可口可乐从1.00减少到0.75,烧结矿的产量从65.30%上升到69.63%,下跌的力量从63.27%上升到64.18%。因此,减少生物炭的热量替代率可以提高烧结矿的产量和品质。

4所示。结论

(1)的初始温度和最终温度气化反应生物炭和公司之间₂低,速度快,最大失重速率和热吸收都高于可口可乐的微风。动态参数表明,生物炭的气化活化能是56.26焦每摩尔,低于可口可乐的微风,表明生物炭的最好反应活动。(2)由于生物炭的高反应活性,在烧结过程中不完全燃烧的程度增加,热效率降低,不利于高温成矿过程。因此,烧结矿产量、翻滚的力量,和生产力下降增加了生物炭的替代比例。因此,生物炭的比例替代焦炭的微风在同等热量置换应控制不超过40%。减少热量替代率的生物炭可以改善烧结床的温度,改善烧结矿的产量和下跌的力量。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是国家重点支持的财务计划中国国家自然科学基金(没有。U1660206),在中国湖南省自然科学基金(没有。2015 jj3164),湖南省Co-Innovation中心战略金属矿产资源清洁高效利用和创新驱动的中南大学(没有计划。2015 cx005),湖南省研究生创新基础(CX2016B054)和开放式基金的价值和精密仪器中南大学(CSUZC201703)。