《Fuel》：Effects of oxygen enrichment in iron ore sintering: combustion characteristics & CO emissions
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富氧烧结过程中预热区和燃烧区分别贡献了约55%和45%的CO排放，氧富集虽提升燃烧区反应速率却加剧预热区CO生成，过量氧导致燃烧区扩大恶化烧结质量。协同策略结合Lime Coating Coke与初始氧富集有效调控燃烧速率和热分布，同步提升烧结产率和降低CO排放。
作者：李思达|刘正健|张建良|王耀祖|胡一琦|王玉彤|王宇成
北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083，中国
摘要
在保持烧结质量的同时减少一氧化碳（CO）排放是钢铁行业面临的一个关键挑战。富氧技术提供了一个潜在的解决方案，但其对特定燃烧区域的影响仍十分复杂。本研究通过结合动力学建模、区域实验室模拟和烧结罐实验，探讨了富氧条件下的燃料燃烧特性和CO生成机制。结果表明，预热区和燃烧区是一氧化碳的主要来源，分别贡献了约55%和45%的总排放量。虽然富氧显著提高了高温燃烧区的反应速率，但由于二次燃烧的动力学限制，它反而加剧了预热区的一氧化碳生成。此外，过量氧气会导致“燃烧区扩大”，从而降低烧结质量，并使平均CO排放强度从7,481.4 mg/Nm3增加到7,739.2 mg/Nm3。为了解决这些权衡问题，本文提出了一种新的协同策略，即结合使用石灰涂层焦（LCC）和初始阶段的富氧技术。这种方法有效调节了燃烧速率和热分布，同时提高了烧结产量并减少了CO排放，为高效、低碳的烧结过程提供了一条经过验证的技术途径。
引言
铁矿石烧结仍然是高炉炼铁的主要造块工艺。然而，它也是空气污染物的主要来源，尤其是二氧化碳（CO），这对环境和能源效率构成了严重挑战[1]、[2]、[3]、[4]。在全球追求“碳峰值”和“碳中和”战略目标的背景下，开发先进的燃烧控制技术以减少CO排放同时保持烧结生产率变得至关重要[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。
许多研究表明，调节进口气体中的氧浓度是提高燃烧效率的有效方法[10]、[11]、[12]、[13]。Kenta等人[14]和Rajak等人[15]通过实验验证，适度的富氧可以显著提高垂直烧结速度和生产效率，并促进钙铁矿结合相的形成和发展。同样，Li等人[8]和高等人[12]的数值模拟表明，提高氧势可以显著提升燃烧前沿温度并加快火焰前沿速度，从而提高烧结体的机械强度和生产效率[16]。值得注意的是，当氧浓度低于12体积%的临界阈值时，烧结质量和生产指标会显著下降[17]。
然而，关于富氧对CO排放行为的影响机制，现有研究结论存在明显的矛盾和不确定性[18]。一些研究认为，增加氧浓度可以通过抑制Boudouard气化反应（C + CO? → 2CO）来减少CO排放[19]。相反，更多的实验观察显示了相反的趋势。例如，Gan等人[17]发现，在富氧条件下，燃烧区内CO浓度显著增加，而Zhang等人[20]和Li等人[21]分别报告了CO浓度的“激增”和“反弹”。这些相互矛盾的发现表明，仅仅增加总体氧浓度远远不足以解决问题；其通过改变温度场分布、燃烧区结构和气体停留时间等间接效应，在控制CO排放行为中可能起着更为关键的作用[18]。目前，仍缺乏系统的、深入的理论解释，来说明富氧条件如何具体影响烧结床不同温度区域（特别是预热区和燃烧区）内CO的生成动力学和转化途径，以及这种影响与床层热状态之间的内在联系。
与以往主要关注总体排放因素或烧结生产中孤立富氧操作的研究不同，本研究首次系统地揭示了在富氧条件下不同烧结温度下CO生成和转化的机制。通过结合动力学分析、实验室模拟和烧结罐验证，我们阐明了CO的生成和转化途径，并揭示了它们在温度场演变、燃烧区形态和烧结质量中的作用。在此基础上，本研究提出了一种创新的协同策略，即结合使用石灰涂层焦（LCC）和初始阶段的富氧技术。这种方法为同时优化CO排放减少和质量提升提供了理论基础和经过验证的技术途径。
原材料和样品制备
动力学实验中使用的主要原材料是焦炭样品和氧化铝球。焦炭的近似分析显示，其固定碳含量为85.16 wt%，灰分含量为11.13 wt%，挥发分含量为3.71 wt%。实验中使用了直径为5 mm的球形氧化铝球来模拟烧结混合物。为了减轻燃料颗粒大小分布对实验结果的潜在影响，所有动力学测试均采用相同的颗粒尺寸进行。
基线动力学
为了建立评估富氧效果的动力学基准，首先分析了在标准参考条件（21 vol% O?，模拟空气气氛）下获得的实验数据。基于拟合结果，在Y轴上绘制ln(1/k)，在X轴上绘制1/T，并进行线性拟合，得到以下方程：
