高比例大直径生物炭烧结过程中选择性甲烷/氧气注入的数值模拟

《Process Safety and Environmental Protection》：Numerical Simulation of Selective Methane/Oxygen Injection in High Proportion and Large Diameter Biochar Sintering Processes

　　

摘要：在中低品位生物质炭部分或完全替代焦粉用于铁矿烧结过程中，可能无法获得理想的烧结性能。增大生物质炭粒径可以部分抑制其高反应活性，从而改善烧结质量。为进一步解决大粒径生物质炭高比例配比下烧结床近入口区域熔化不足和燃烧不完全的问题，本文提出了一种选择性联合喷射策略作为新型工艺。基于所建立的多相多组分模型，对选择性甲烷喷射、选择性富氧及选择性甲烷/富氧联合喷射工艺进行了数值模拟研究。计算结果表明，在粗化粒径范围内，当粒径为4.0 mm时产量达到最大值46.88%。对于4.8 mm生物质炭烧结，燃烧不完全区域约占料床的三分之一。选择性喷射超贫甲烷（体积分数0.0-0.8%）释放的热量不足以改善烧结床近入口区域的熔化比例。在选择性富氧条件下，大粒径生物质炭的燃尽度得到增强，固体燃烧区变薄。选择性甲烷/富氧喷射结合浓度分层可以增强近入口区域熔化区的产热，同时促进固体燃料的完全燃烧并影响气体二次燃烧区的动力学行为。选择性甲烷/富氧喷射与分层耦合的平均热过程指标达到全焦粉工艺水平，产量接近70%。

引言：钢铁生产是能耗和碳排放最密集的工业之一，约占年工业能源消耗的20%，贡献了全球5%~7%的CO2排放量。化石燃料、煤炭和焦炭是钢铁行业能源和排放的主要来源。在寻找减轻钢铁行业环境负担的途径中，基于生物质的还原剂被认为是绿色钢铁生产的一项有前景的机会（Mousa等，2016；Brown等，2012）。铁矿烧结是钢铁制造行业最重要的工序之一。烧结矿约占现代高炉装入铁质原料的70%~80%（Bhagat等，2006）。在实际烧结操作中，以最低成本和环境影响获得最佳能源效率一直是终极目标。作为可再生能源，生物质具有来源广泛、环境友好和碳中性的特点。将其作为固体燃料应用于烧结生产，可以充分发挥其节能和减排的作用。根据Mathieson等人的工作（Mathieson等，2011；Mathieson等，2012），在烧结中利用木炭可使钢铁厂的净CO2排放减少5%~15%，这归因于生物质的碳中性特征。Gan等（2015；Gan等，2012）证实，当生物质燃料比例为40%时，SO2和NO的排放分别可减少40%和28%。因此，生物质能是铁矿烧结过程中替代焦粉的高质量替代燃料之一。

尽管生物质燃料具有许多积极属性和优势，但原始生物质存在热值低、密度低、可磨性低、能量密度低、燃烧效率低、含水量高、挥发分含量高、体积庞大等问题，此外还存在来源和储存方面的一些棘手问题（Pimchuai等，2010）。这影响着烧结过程并最终影响烧结产品质量。大量文献研究了在烧结过程中用不同生物燃料替代部分焦粉的影响以及烧结矿质量。普遍的结论是，中低品位生物质燃料由于其更高的反应活性，会削弱烧结强度和热态。因此，生物燃料替代焦粉的比例必须保持在较低水平，通常在0~40%之间，以确保烧结质量（Mousa等，2015）。预处理和升级加工过程对于提高生物质在燃烧和烧结应用中的质量和效率是必要的（Matsumura等，2008）。通过预成型可以降低孔隙率和比表面积，使焦炭生物质团聚体的燃烧特性更接近焦粉（Fan等，2015）。然而，将原始生物质升级为具有所需力学、物理和化学性质的高品质高价生物质炭的经济高效升级技术并不具备经济优势。较粗的粒径和对木炭进行包覆处理可以减少反应面积，使O2向木炭颗粒内部孔道扩散更加困难（Cheng等，2016；Liu等，2020）。材料改性方法可以在一定程度上实现污染物减排和改善烧结质量，但同时也增加了额外工序和成本。高比例替代（超过50%）仍然困难。

过去，烧结厂开发了多种可持续和节能技术，包括气体燃料喷射（Oyama等，2011；Tsioutsios等，2020；Acharyulu等，2021）、富氧（Kang等，2011；Fan等，2013）、烟气循环烧结（FRGS）（Ahn等，2013a；Ahn等，2013b；Zhang等，2012；Fan等，2014）、燃料分层分布烧结（FLDS）（Zhao等，2016；Cheng等，2021）等，以缓解温室气体排放压力、提高能源效率并改善烧结床热量分布不均的问题。在这些技术中，富氢喷射已逐渐被证明具有强化烧结的作用，新建和改造的烧结生产线基本配备了相应的工艺设备。Gao等（Gao等，2022）建立了数学模型来模拟烧结过程中的天然气（NG）喷射。结果表明，该技术可以减少CO2排放。当15%的固体燃料被天然气替代时，CO2减排量为11.75 kg/t烧结矿。Wang等（2023）尝试使用电解产生的清洁能源——褐煤气来辅助铁矿烧结。实验结果表明，褐煤气喷射可以减少焦炭消耗和碳排放。基于2%的褐煤气喷射，焦炭消耗可减少11.1%，烧结过程中的碳排放可减少11.1%。Wu等（Wu等，2023）基于中试烧结试验讨论了均匀/分段气体喷射对烧结指标的影响，并从热分布和矿物结构方面揭示了该工艺中气体浓度的限制因素。结果表明，当焦粉从5.6 wt%降至5.3 wt%时，上层在5~12分钟内的冷却速率因0.8 vol%天然气喷射而下降，这对提高总体指标至关重要，而由于热损失，下层指标有所下降。总体而言，以富氢喷射为代表的可持续节能技术主要应用于以焦粉为燃料的铁矿烧结工艺中。目前，富氢气体对固体燃料的替代率停滞在约15%，仍无法实现高比例焦炭替代。

为促进生物质能在烧结中的应用，de Castro等（de Castro等，2018）使用数值模型预测了生物质/焦粉与气体燃料联合使用下某些情况的热态。结果表明，对于气体燃料喷射工况，烧结区扩大且固体燃料消耗减少。约20%的固体化石燃料可被生物质的固体残留物（加工成小颗粒）替代。Cheng等（Cheng等，2017a；Cheng等，2017b）通过实验研究了在高木炭比例下，采用气体燃料喷射方法改善严重恶化的热态和烧结强度。讨论了甲烷浓度对气体燃料与固体燃料燃烧区耦合的影响。Cai等（2024a；Cai等，2024b）改进了烧结过程模型以适应焦炭替代生物质燃料的工艺，并对气体燃料与生物质炭联合用于铁矿烧结技术进行了数值模拟。结果表明，在额外甲烷方法的0~0.8%浓度模拟范围内，热指标和产量持续增长。在浓度为0.8%时，60%生物质炭烧结过程高温区的峰值温度（PT）、持续时间（DTMZ）和包围面积（MQI）分别为1442.094 K、165.6 s和15923.72 K·s，达到全焦粉工艺水平。Gan等（2014a）发现，在循环40%烟气的条件下，生物质燃料烧结得到强化，生物质燃料替代40%焦粉的烧结指标与全焦粉使用相当。

上述研究表明，各种清洁工艺及其组合（尤其是富氢喷射）可能是改善受损热态、提高烧结质量和提高铁矿烧结过程中生物质炭比例的有效途径。然而，使用烧结杯实验方法来测试这些工艺组合极其昂贵，在操作、设备配置和机理分析方面也面临挑战。因此，关于生物质炭与其他清洁工艺联合运行模式的研究很少。另一方面，数学建模提供了一种经济、现实且更快捷的方式，以获取工业级烧结机中燃烧特性和烧结性能的详细信息。了解各种清洁工艺及其组合中涉及的强化机制，可用于指示高比例生物质炭烧结的新可能性，并提供实验数据无法提供的宝贵信息。到目前为止，关于生物质炭与其他可持续节能工艺联合烧结过程的数学建模工作非常少。

在此背景下，本文提出了一种选择性联合喷射策略作为新型工艺。将针对特定区域选择性甲烷喷射、选择性富氧及选择性氢/富氧联合喷射工艺进行测试和模拟。通过建立和应用多相多组分烧结过程的综合数学模型，分析了生物质炭粒径粗化与选择性甲烷/富氧喷射组合的性能特征和增强机理，以进一步解决大比例大粒径生物质炭烧结床近入口区域熔化不足和燃烧不完全的问题。首先，针对生物质炭烧结与选择性甲烷/富氧喷射耦合的数学模型进行了构建。统一了干生物质燃料和焦炭的燃烧过程模型，包括热解和挥发分析出、碳燃烧和气化、均相燃烧。该模型还包含了NO生成和排放的完整机理，特别考虑到源自生物质燃料的NO可能来自挥发分和焦炭燃烧的两种途径，其中大部分排放与前者的关联更大。然后，基于九个典型热过程指标（如火焰锋面FFS和燃烧区厚度CZT等）的选择和定义，建立了用于工艺优化的更综合评价机制。讨论了高比例（60%）大粒径（4.8 mm）生物质炭烧结的优势和潜在问题。接着，确定熔化比例小于0.2或燃尽度小于1.0的烧结床深度范围为选择性喷射区域。基于所提出的多相多组分模型，对选择性甲烷喷射、选择性富氧、浓度分层及其组合进行了数值模拟研究。比较分析了各种工艺对燃烧特性和烧结性能影响的差异，并验证了选择性甲烷/富氧喷射的叠加优势。此外，还解释了联合选择性喷射工艺对高比例生物质炭烧结的强化机理和污染物排放。

分节摘要：

烧结过程概述

铁精矿粉、固体燃料、熔剂和水的粒化烧结混合物被加载到移动的台车上形成烧结床，如图1所示。焦炭在烧结床顶层的点火区域开始燃烧，烧结或团聚在高于1373.15 K时发生。

燃料燃烧过程还伴随着许多物理变化和化学反应同步发生。改变进口气体条件（此处仅指甲烷注入和氧气富集）是

**定量参数定义**

本文所用指标的定义如图5和表6所示。

**焦炉模型验证**

如图6(a)和表7所示，床层温度曲线的模拟结果与实验数据高度一致，曲线轮廓相似。在y=0.11 m、0.3 m和0.49 m位置的峰值温度误差分别为9.98%、9.84%和8.20%，达到峰值温度的时间点也极为接近。温度曲线结果表明：

**结论**

本研究针对高比例、大直径生物炭烧结过程中近进口区域熔融率不足和烧损率不高的问题，利用选择性甲烷注入、选择性氧气富集及其组合等工艺进行了数值模拟，比较了各工艺的优缺点。研究结果如下：

（1）增大生物炭粒径可以在一定程度上抑制其高反应活性，

**符号说明**

Aisa,j 燃料j颗粒的内表面积，m2
Asisa,j 燃料j颗粒的比内表面积，m2/kg
Aas 颗粒比表面积，m2/m3
Acon 常数4.0
cp,g, cp,s 气相或固相比热容，J/kg·K
C 气相组分的摩尔浓度，mol/m3
dp 颗粒直径，m
dp,ini, dp,fin 初始或最终颗粒直径，m
Db 二元扩散系数，m2/s
Dk 克努森扩散系数，m2/s
Di,eff 有效扩散系数，m2/s
f 中间计算量（依赖于CRediT作者贡献声明）

**作者贡献声明（CRediT）**

邓祥伟：资源。赵亮：监督、项目管理、数据管理。程刘：可视化。孔灵忠：资源。于明珠：验证、调查。孔祥伟：监督、资源。蔡瑾：写作——审阅与编辑、写作——初稿、可视化、验证、监督、资源、项目管理、方法学、调查、资金获取、形式分析、数据管理、概念化。

**利益冲突声明**

作者声明，他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

蔡瑾 | 孔祥伟 | 于明珠 | 程刘 | 赵亮 | 邓祥伟 | 孔灵忠