《Energy》：A particle size control strategy for biochar in iron ore sintering enabled by fuel migration and granules combustion kinetics
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生物质炭粒度对烧结过程的影响及控制策略研究。通过不同粒度生物质炭的烧结实验，发现其迁移行为与燃烧动力学特性显著影响烧结透气性和强度。3-5mm生物质炭优先富集于同类颗粒，而<1mm颗粒均匀分布，导致燃烧速率差异和温度分布不均。优化控制策略为：3-5mm（20%）、1-3mm（30%）、0.5-1mm（20%）、<0.5mm（30%）的配比可使烧结产量提升2.96%，粒度指数提高6.34%。
吴玉峰|黄康|甘敏|纪志云|范晓辉|刘林成|郑浩翔|王小龙|李金华|吕浩
中南大学矿物加工与生物工程学院，中国湖南省长沙市南麓山路932号，410083
摘要
生物质作为一种零碳燃料，是铁矿石烧结过程中替代固体化石燃料的理想选择，但关于其合适的粒径组成存在多种观点。因此，本文系统研究了不同粒径生物炭对烧结过程的影响机制。通过烧结罐实验发现，生物炭的含水量和粒径共同调节了颗粒的组成，从而影响床层的透气性和烧结速度。利用水筛法揭示了生物炭在造粒过程中的迁移行为：3-5毫米的生物炭倾向于进入相同粒径的颗粒中，而粒径小于1毫米的生物炭则均匀分布在各种粒径的颗粒中。进一步的颗粒燃烧动力学实验表明，生物炭的粒径显著影响颗粒的表观活化能和燃烧速率。粗粒生物炭集中在特定的粒径范围内，导致燃烧速率和热量释放不均匀。细粒生物炭有助于平衡不同粒径颗粒的燃烧速率，但会降低烧结体的强度。基于此，提出了一种有效的生物炭粒径控制策略，当3-5毫米、1-3毫米、0.5-1毫米和0-0.5毫米生物炭的比例分别为20%、30%、20%和30%时，产量和翻滚指数分别提高了2.96%和6.34%，为生物炭在大规模烧结过程中的应用提供了粒径优化的方法。
引言
钢铁工业在人类社会发展过程中起着关键作用，涉及建筑、交通、生活等多个领域[1]。据统计，2023年全球钢铁产量为18.82亿吨，其中中国的粗钢产量为10.19亿吨，占54.14%[2]。目前，粗钢主要通过高炉-转炉（BF-BOF）长流程生产[3]，[4]，每生产1吨粗钢会排放1800公斤二氧化碳（CO2）以及大量有毒有害气体，如一氧化碳（CO）、氮氧化物（NO）和二氧化硫（SO2）[5]，[6]。作为第一个高温过程，烧结过程中的二氧化碳排放量占比超过15%[7]。随着人们对环境问题的关注，烧结、高炉等工艺的低碳研究日益受到重视[8]，[9]，[10]，[11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]。其中，生物质能源作为一种零碳燃料被认为是替代焦炭等固体化石燃料的最佳选择[17]。
Ooi等人首次将葵花籽壳作为铁矿石烧结过程中的燃料，研究表明10%的替代比例不会影响烧结指标和有机化合物的排放[18]。Zandi等人发现，当替代比例为25%时，0.6-0.8毫米葵花籽壳颗粒的热曲线与全焦炭相当，并建议烧结用生物炭的粒径应小于1毫米[19]。然而，Cheng等人认为增加生物质燃料的粒径可以降低燃烧速率并提高烧结指标[20]。生物质的高反应性会加速烧结层中的热传递前沿，从而降低最高温度和高温区的停留时间[21]。因此，需要优化生物炭的粒径和造粒含水量，虽然碳材料的 calorific value 和 Total.C 在烧结混合物中的含量并不重要，但固定碳含量和游离碳含量对床层温度至关重要[22]。Zhao等人通过建立烧结燃料燃烧模型得出结论，改善气体到达焦炭颗粒的路径和减小焦炭粒径相当于使用更活泼的燃料[23]。Murakami等人的研究发现，碳材料的碳结构和挥发分含量对低温区域的燃烧速率有显著影响。在高温区域，燃烧速率几乎不受碳材料类型的影响[24]，且烧结相与温度的关系比燃料类型更为密切[25]。预造粒过程可以增加生物炭的粘附层厚度并抑制其燃烧速率，这适用于粗粒生物炭的应用[26]，[27]，因为在高温下以及对于反应性燃料，粘附层会对燃烧速率产生显著影响[28]。Zhao等人的研究表明，不同燃料具有相似烧结性能的条件是：(a) 点火温度和总燃烧速率相似；(b) 不同温度下的燃烧速率相似。仅匹配整体燃烧速率并不一定能得到相似的烧结性能[29]。Gan等人的研究表明，循环烟气中较低的氧浓度有利于抑制生物炭的燃烧，从而获得更好的生产指标[30]。Murakami等人研究了氧浓度和粒径对碳材料燃烧速率的影响，结果表明PKS炭的表观活化能为110-120 kJ/mol，与氧浓度和粒径无关，即使在低氧浓度下PKS炭的燃烧速率也很高[31]。Ji等人的研究表明，木炭可以在短时间内产生更高的温度，而焦炭则需要相对较长的时间[32]。
根据这些文献，在生物质应用于烧结过程中需要考虑许多问题：1. 造粒过程，包括含水量、颗粒粒径组成和粘附层；2. 燃料燃烧性能，包括燃料粒径、燃烧温度、固定碳含量、燃烧气氛和气流速度。这些因素相互影响，使问题变得更加复杂。目前大多数研究尚未探讨不同粒径生物炭对烧结过程（如造粒过程、烧结指标或烟气排放）的影响。不同粒径生物炭的造粒过程不同，这会影响烧结指标。为了全面评估生物质碳粒径的影响，必须在相同的测试条件下进行实验，例如相同的固定碳含量和相同的造粒含水量，否则无法得出科学结论。
因此，本文旨在研究不同粒径生物炭对造粒过程和烧结指标的影响，分析了适合烧结过程的生物炭粒径和造粒含水量。此外，通过分析不同粒径生物炭的迁移行为和颗粒的燃烧特性，提出了一种有效的生物炭粒径控制策略，为生物炭在钢铁生产中的应用提供了参考。
原材料性质
原材料包括混合铁矿石、熔剂（白云石和生石灰）、返料细粉、焦炭粉和生物炭，具体见表1。混合铁矿石的TFe含量为61.24%。熔剂用于调整烧结料的碱度（CaO/SiO2质量比）和MgO含量，分别为2.05和1.40%。实验中使用的固体化石燃料为焦炭粉和生物炭，其 calorific value 分别为26.17 MJ/Kg和25.85 MJ/Kg。焦炭粉的近似分析结果显示，其挥发分、灰分和固定碳含量如下
生物炭替代比例
研究了不同生物炭替代比例下的颗粒情况，如图3所示。随着生物炭替代比例从0%增加到40%，颗粒的平均粒径从4.62毫米减小到3.50毫米，此时混合物的含水量为7.50%，这与近期研究结果一致[33]，[40]。生物炭具有很强的吸水性，当添加大量生物炭时，生物炭在造粒过程中会吸收水分，导致
结论
在造粒过程中，不同粒径生物炭的迁移行为存在显著差异：3-5毫米的生物炭倾向于进入3-5毫米的颗粒并降低其表观活化能，而1-3毫米的生物炭倾向于进入1-3毫米的颗粒并降低其表观活化能。然而，0.5-1毫米和0-0.5毫米的生物炭会均匀分布在各种粒径的颗粒中并降低其表观活化能，从而导致差异
作者贡献声明
李金华：资源准备。范晓辉：概念构思。纪志云：方法设计。甘敏：资金获取。黄康：写作 – 审稿与编辑。吴玉峰：初稿撰写，数据分析。吕浩：数据整理。郑浩翔：调查研究。刘林成：资源协调
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
数据可用性
数据可应要求提供。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2023YFC3707001）、国家自然科学基金（项目编号52274344）、湖南省自然科学基金（项目编号2022JJ30723）、湖南省科技创新计划（2023RC3042）以及中国宝武低碳冶金创新基金会-BWLCF202118的支持。
