(中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長沙，410083)

排放含SO2的煙氣是形成酸雨的主要原因之一，而酸雨是環(huán)境工程目前面臨的眾多難題之一，給人類健康及生存的環(huán)境帶來了極大的影響和危害[1]。鋼鐵工業(yè)是能耗大戶，也是污染大戶，鋼鐵工業(yè)能耗占社會總能耗的10%以上，水耗占工業(yè)用水消耗的10%以上。我國鋼鐵工業(yè)至今仍是高污染工業(yè)，外排SO2廢氣約占全國的7.5%，排在工業(yè)的第3位[2?3]。燒結(jié)生產(chǎn)工藝作為鋼鐵工業(yè)中一個物流量巨大環(huán)節(jié)，不僅能耗占鋼鐵工業(yè)總能耗的10%～15%[3]，而且也是一個高污染排放系數(shù)的環(huán)節(jié)，鋼鐵生產(chǎn)系統(tǒng)排放的 SO240%～60%來自燒結(jié)廠[4?7]，因此，對于如此巨大的污染源，不得不從技術(shù)和經(jīng)濟角度上尋找適宜的解決辦法，減少SO2的總量排放，達到清潔生產(chǎn)及環(huán)境保護的多重目的。目前，對燒結(jié)煙氣SO2排放控制的方法有低硫原料配入法、高煙囪稀釋排放及煙氣脫硫法[7?8]。這3種方法中煙氣脫硫法是終極的和最有效的SO2減排技術(shù)。但燒結(jié)過程煙氣具有如下特點：燒結(jié)機頭煙氣流量大，一般成品燒結(jié)礦為 1 500～2 500 m3/t[9]或350 000～1 600 000 m3/h[10]，煙氣含塵高，煙氣溫度高(150 ℃左右)，煙氣中SO2和NOx濃度低(寶鋼機頭煙氣中SO2體積分數(shù)低于0.05%，NOx體積分數(shù)低于0.002%)[5?6]。從技術(shù)角度講，可以采用煙氣脫硫技術(shù)(FGD)凈化燒結(jié)煙氣，但由于燒結(jié)煙氣流量大及煙氣中SO2濃度低這2個主要問題，導(dǎo)致燒結(jié)煙氣凈化處理的經(jīng)濟性較差，成為燒結(jié)脫硫技術(shù)發(fā)展的主要障礙。在目前國內(nèi)經(jīng)濟條件下，僅除了幾個小型燒結(jié)機安裝了脫硫設(shè)施或進行了工業(yè)試驗外，其余燒結(jié)機均采用高煙囪排放。因此，減少燒結(jié)煙氣脫硫時需處理的煙氣量和提高煙氣中 SO2的濃度是促進燒結(jié)脫硫技術(shù)發(fā)展的兩大關(guān)鍵。而從燒結(jié)工藝本身來研究燒結(jié)過程煙氣中SO2的排放規(guī)律是尋求問題解決的突破點。

1 實驗

1.1 原料性能

本研究所用原料化學(xué)成分見表 1，含鐵原料為粉礦(A，B，C和D)以及鐵精粉(E和F)，除C礦鐵品位較低(為57.61%)，SiO2含量為5.06%外，其他都是典型的高鐵低硅原料，總鐵(TFe)含量在62%以上，SiO2含量小于4.0%。含鐵原料中粉礦A，B，C和D以及鐵精粉E的S含量均在0.05%以下，屬于低硫原料；而鐵精粉F中S含量為0.85%，主要以硫化物形式存在，屬于高硫原料，所以，礦石中硫的釋放是燒結(jié)煙氣中SO2的重要來源。所用熔劑包括蛇紋石、白云石、石灰石和生石灰，其中石灰石和生石灰含硫量高于0.05%。燒結(jié)用固體燃料為焦粉，焦粉含硫量為0.32%，因此，燒結(jié)過程中焦粉中硫含量的釋放是煙氣中SO2的主要來源之一。

表1 原料化學(xué)成分分析(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical compositions analysis of raw material %

1.2 研究方法

根據(jù)試驗要求，按燒結(jié)礦TFe含量為58.8%，SiO2含量為4.4%，MgO含量為1.5%，堿度為1.8～2.2，混合料S含量為0.05%～0.20%的目標成分進行配料，混合料水分控制在7.0%～10.0%，人工配料混勻后，再用圓筒混合機制粒3 min，然后布在小型燒結(jié)杯(直徑×高度為100 mm×500 mm)上進行燒結(jié)。燒結(jié)制度為：點火溫度(1 150±50) ℃，時間1.5 min，負壓5 kPa；燒結(jié)負壓10 kPa，冷卻負壓5 kPa，冷卻5 min。用KM9106綜合煙氣分析儀對燒結(jié)點火及燒結(jié)全過程SO2氣體排放及其他煙氣成分的排放進行在線測定。

采用剖析燒結(jié)的方法[11]，在不同條件下進行燒結(jié)，當(dāng)點火燒結(jié)8 min后停止抽風(fēng)，通氮氣保護燒結(jié)料層各帶，然后對燒結(jié)混合料、燒結(jié)過程樣及燒結(jié)礦取樣化驗S含量，根據(jù)下式計算燒結(jié)過程脫硫率及燒結(jié)料層各帶脫硫率：

式中：w(S)為燒結(jié)過程脫硫率，%；w0(S)為燒結(jié)原始混合料含硫量，%；w1(S)為燒結(jié)過程或燒結(jié)后試樣中含硫量，%。

燒結(jié)各料層中殘留的S越少，脫硫率越高，脫硫反應(yīng)進行越好，進入燒結(jié)煙氣中SO2更多，反之則脫硫反應(yīng)進行不充分，燒結(jié)煙氣中排放的SO2減少。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 燒結(jié)工藝參數(shù)對燒結(jié)煙氣中SO2排放的影響

燒結(jié)過程脫硫基本上是一個氧化反應(yīng)，是硫化物的氧化和分解及SO2進行脫附擴散的過程[12]，因此，燒結(jié)過程煙氣中SO2排放主要受到燃料用量、混合料水分、燒結(jié)礦堿度及混合料含硫量等燒結(jié)工藝參數(shù)的影響。

2.1.1 焦粉配比的影響

在燒結(jié)混合料硫含量0.10%，燒結(jié)水分8.5%，燒結(jié)礦堿度1.8和燒結(jié)煙氣流量35 m3/h時，焦粉配比(焦粉占燒結(jié)混合料的質(zhì)量分數(shù))對燒結(jié)煙氣中 SO2排放及燒結(jié)過程脫硫率的影響分別見圖1和表2。

由圖1可見：不同焦粉配比下，燒結(jié)煙氣中SO2的排放均呈現(xiàn)2個峰值特征，第1個SO2濃度峰值出現(xiàn)在點火階段，第2個SO2濃度峰值出現(xiàn)在燒結(jié)終點之前，第1個SO2峰值由點火煤氣中的硫化物氧化形成，第2個SO2質(zhì)量峰值則由燒結(jié)混合料中帶入的硫釋放形成；同時還可見：隨著焦粉配比由4.0%提高到6.0%，第2個SO2質(zhì)量濃度峰值的最高水平反而降低，由1.900 g/m3左右降低到0.741 g/m3左右。

圖1 焦粉配比對燒結(jié)煙氣中SO2排放的影響Fig.1 Effect of coke ratio on emission of SO2 in sintering flue gas

表2 焦粉配比對燒結(jié)w(S)的影響Table 2 Effect of coke ration on rate of desulfurizationduring sintering

綜合圖1和表2可知：隨著焦粉配比的增加，由燒結(jié)煙氣中排放的SO2總量減少，燒結(jié)過程脫硫率下降，脫硫率由 95.54%下降到 86.27%，而燒結(jié)礦中殘硫量由 0.005%增加到 0.016%。由此表明：焦粉的配比嚴重影響燒結(jié)過程硫的脫除和燒結(jié)煙氣中SO2的排放濃度。

在一定的燒結(jié)風(fēng)量條件下，焦粉配比直接影響到燒結(jié)料層中的最高溫度水平和燒結(jié)氣氛。隨著焦粉用量增加，通過燒結(jié)料層的空氣中氧主要為焦粉燃燒所消耗，另外料層溫度高，還原氣氛增強，液相增多，均不利于硫化物的氧化和脫除。但燃料用量增加所產(chǎn)生的高溫和還原性氣氛又有利于硫酸鹽的熱分解[13]，因此，燃料的用量對硫化物和硫酸鹽中硫的脫除是相互矛盾的。如果同一燒結(jié)料中既有硫化物又有硫酸鹽存在時，就應(yīng)該考慮含硫礦物以哪種為主，合理調(diào)節(jié)燃料用量，在滿足燒結(jié)所需燃料用量前提下，保證有較高的燒結(jié)脫硫率。

2.1.2 混合料水分的影響

試驗考察了燒結(jié)混合料硫含量為 0.10%，燒結(jié)礦堿度為 1.8，焦粉配比為 4.5%和燒結(jié)煙氣流量為 35 m3/h時，燒結(jié)混合料水分對燒結(jié)煙氣中SO2排放的影響及對燒結(jié)各料層脫硫率的影響，分別如圖2和圖3所示。

圖2 混合料水分對燒結(jié)煙氣中SO2質(zhì)量濃度的影響Fig.2 Effect of sintering moisture on emission of SO2 in sintering flue gas

由圖2可見：燒結(jié)混合料水分為7.0%時，整個燒結(jié)過程煙氣中SO2質(zhì)量濃度在0.2～0.4 g/m3范圍波動，第 2個濃度峰值點煙氣中 SO2質(zhì)量濃度也只有 0.7 g/m3；燒結(jié)混合料水分為8.5%和10.0%時，第2個濃度峰值點煙氣中SO2質(zhì)量濃度高達1.6 g/m3左右，而2個SO2濃度峰值之間的煙氣中SO2質(zhì)量濃度則均低于0.2 g/m3。因此，隨著燒結(jié)混合料水分的提高，第2個SO2濃度峰值特征更明顯，而介于2個SO2濃度峰值之間燒結(jié)時間段的SO2濃度值更低。

圖3 混合料水分對燒結(jié)料層各層中脫硫率的影響Fig.3 Effect of sintering moisture on rate of desulfurization for sinter bed

由圖3可見：隨燒結(jié)料層高度變化，各料層的脫硫率有明顯的差異，在距燒結(jié)料面200～400 mm高度的燒結(jié)料層脫硫率為負值，即該料層中燒結(jié)混合料含S量比原始燒結(jié)混合料含S還要高。而且隨著燒結(jié)混合料水分含量的提高，在該料層高度的燒結(jié)料層中含S量也隨之提高，甚至高于原始燒結(jié)混合料含S量的2倍；隨著燒結(jié)混合料水分的提高，第2個SO2濃度峰值特征更明顯，燒結(jié)料層中脫硫率存在負值的這種現(xiàn)象，是因為礦粉和燃料在燃燒帶和燒結(jié)帶形成的SO2氣體有一部分溶于水蒸氣和水分中，在隨煙氣或隨水分遷移通過燒結(jié)料層的干燥帶和過濕帶時，SO2被吸附在礦石的表面或與Ca(OH)2形成亞硫酸鈣固定在料層中。隨著燒結(jié)不斷進行，干燥帶和過濕帶的向下遷移，SO2被吸附的過程循環(huán)累積，當(dāng)過濕帶和干燥帶消失時，被吸附的SO2又以氣體形式全部排出，出現(xiàn)1個SO2濃度峰值。而且隨著燒結(jié)混合料水分含量提高，SO2溶于水蒸氣和水分且被干燥帶和過濕帶吸附的概率越大，因此，燒結(jié)煙氣中SO2質(zhì)量濃度表現(xiàn)出更明顯的峰值特征和初始階段的平緩波谷帶。

2.1.3 堿度的影響

燒結(jié)混合料硫含量為0.10%，水分為8.5%，焦粉配比為4.5%，燒結(jié)煙氣流量為35 m3/h時，堿度對燒結(jié)煙氣中SO2排放及燒結(jié)過程脫硫率的影響分別見圖4和表 3。由圖 4可見：隨著燒結(jié)礦堿度提高，第 2個SO2濃度峰值特征更明顯，而介于2個SO2濃度峰值之間燒結(jié)時間段的SO2質(zhì)量濃度更低，與燒結(jié)混合料水分對燒結(jié)煙氣中SO2排放的影響有相似規(guī)律，但出現(xiàn)第2個SO2濃度峰值的時間滯后。這是因為堿度提高，料層中消石灰對廢氣中SO2和SO3吸附能力強，形成亞硫酸鈣或硫酸鈣的概率增大，而形成的這些物質(zhì)相對吸附在礦石表面的SO2水液更難脫附，因此，第2個SO2濃度峰值滯后且高濃度時間段有所減小。

圖4 堿度對燒結(jié)煙氣中SO2濃度的影響Fig.4 Effect of coke ratio on emission of SO2 in sintering flue gas

表3 燒結(jié)礦堿度對燒結(jié)w(S)的影響Table 3 Effect of sinter basicity on rate of desulfurization during sintering

由表3可見：隨著燒結(jié)礦堿度由1.8提高到2.2，燒結(jié)脫硫率降低了7%～10%；使用生石灰和石灰石分別調(diào)整燒結(jié)礦堿度對燒結(jié)脫硫率有明顯差異，石灰石由于在預(yù)熱帶分解釋放出 CO2，妨礙料層對煙氣中SO2的吸附，對燒結(jié)脫硫有利[14]；因此，在不同燒結(jié)礦堿度條件下其脫硫率要比使用生石灰調(diào)堿度時高。燒結(jié)礦的堿度及使用的熔劑性質(zhì)都對燒結(jié)煙氣中 SO2排放及燒結(jié)過程脫硫率存在影響，需要根據(jù)實際情況選擇合適的燒結(jié)礦堿度和熔劑種類。

2.1.4 混合料含硫量的影響

燒結(jié)混合料水分為8.5%，堿度為1.8，焦粉配比為4.5%，燒結(jié)煙氣流量為35 m3/h時，混合料含S量對燒結(jié)煙氣中SO2排放影響見圖5。由圖5可見：隨著含S量增加，第2個SO2質(zhì)量濃度峰值隨之提高；當(dāng)混合料含S量為0.05%時，第2個SO2質(zhì)量濃度峰值點為0.6 g/m3，混合料含S量為0.20%時，第2個SO2濃度峰值點則為2.4 g/m3左右；在相同煙氣量的情況下，隨著混合料含S量成倍增加，燒結(jié)煙氣中SO2峰值濃度也呈倍數(shù)提高，因此，在條件允許的情況下，要減少燒結(jié)煙氣中的SO2排放的最直接和最有效的辦法是采用低硫原料，從源頭減少帶入的含S量。

2.2 燒結(jié)煙氣中SO2排放規(guī)律及機理分析

圖6所示為現(xiàn)場生產(chǎn)過程沿?zé)Y(jié)機長度方向風(fēng)箱中燒結(jié)煙氣SO2排放質(zhì)量濃度及煙氣溫度曲線。

圖5 混合料含硫量對燒結(jié)煙氣中SO2質(zhì)量濃度的影響Fig.5 Effect of sulphur content on emission of SO2 in sintering flue gas

圖6 沿?zé)Y(jié)機長度方向燒結(jié)煙氣中SO2排放質(zhì)量濃度及煙氣溫度曲線Fig.6 Emission profile of SO2 in waste gas and temperature curve along sinter strand

由圖6可見：沿?zé)Y(jié)機長度長度方向，點火階段的SO2濃度峰值區(qū)間消失，只存在燒結(jié)過程的SO2質(zhì)量濃度峰值區(qū)間，該質(zhì)量濃度峰值區(qū)間約占燒結(jié)機有效抽風(fēng)長度的30%左右。另外，在廢氣溫度開始迅速上升之前，即過濕帶完全消失之前，燒結(jié)煙氣中 SO2排放質(zhì)量濃度較低而且比較穩(wěn)定；當(dāng)廢氣溫度迅速上升時，即干燥帶已經(jīng)接近燒結(jié)料底層時，由于混合料料層對燒結(jié)過程生成的SO2吸附作用削弱，這時燒結(jié)煙氣中SO2排放質(zhì)量濃度迅速升高；當(dāng)燃燒帶接近燒結(jié)料底層和達到燒結(jié)終點之前，混合料吸附SO2后形成的硫酸鈣及混合料中其他形式存在的含硫物質(zhì)集中釋放出SO2，形成燒結(jié)過程第2個SO2排放質(zhì)量濃度峰值，即燒結(jié)過程的SO2排放與燒結(jié)廢氣溫度(燒結(jié)料層水分變化)有相似的對應(yīng)關(guān)系，但出現(xiàn)第 2個 SO2排放質(zhì)量濃度峰值的時間比出現(xiàn)燒結(jié)廢氣溫度最高點提前，即煙氣中SO2濃度峰值點先于燒結(jié)終點出現(xiàn)。

將現(xiàn)場燒結(jié)煙氣中SO2排放曲線與燒結(jié)杯試驗中不同工藝參數(shù)條件下煙氣中SO2排放相比較，發(fā)現(xiàn)鐵礦燒結(jié)過程煙氣中SO2的排放具有明顯的特征：即隨著燒結(jié)的進行，燒結(jié)煙氣中SO2在靠近燒結(jié)終點附近存在一個排放質(zhì)量濃度峰值區(qū)間，而其他區(qū)間煙氣SO2質(zhì)量濃度很低，SO2排放行為不受燒結(jié)工藝參數(shù)及原料含硫變化的影響，作者稱之為燒結(jié)煙氣SO2排放的自持性。

燒結(jié)過程由固體燃料燃燒產(chǎn)生的CO2和CO質(zhì)量濃度始終維持在一定濃度水平波動，并不存在明顯的濃度峰值區(qū)間和濃度很低區(qū)間[15]。因此與燒結(jié)過程CO2和 CO排放特征相比，SO2濃度具有一個明顯的濃度峰值區(qū)間和濃度很低的區(qū)間，存在明顯的差異。因此可認為燒結(jié)料層對燒結(jié)過程形成的SO2具有吸附作用并導(dǎo)致SO2在燒結(jié)料層中產(chǎn)生遷移富集。而在燒結(jié)煙氣中COx的質(zhì)量濃度分布較為均勻，表明CO和CO2不會在燒結(jié)過程產(chǎn)生富集。比較燒結(jié)煙氣中 SO2及COx的排放規(guī)律可知：燒結(jié)煙氣中SO2排放的自持性特征是燒結(jié)料層對煙氣中SO2具有選擇性吸附作用所導(dǎo)致。在燒結(jié)過程中，SO2氣體的形成和排放與燒結(jié)過程中五帶及燒結(jié)料層中水分遷移規(guī)律有著密切關(guān)系，與此同時，燒結(jié)煙氣中 SO2按照熱解生成—吸附—再分解—解吸的遷移及富集排放模型循環(huán)進行，直至接近燒結(jié)終點前SO2以濃度峰值形式從燒結(jié)料層中擴散排放，其遷移及富集排放將遵從如圖7所示的途徑進行。

圖7 燒結(jié)過程SO2的熱解生成—吸附—熱解—解吸的遷移及富集排放模型Fig.7 Enrichment emission model of pyrogenation formation?adsorption?decomposition?desorption reactions of SO2 during sintering

3 結(jié)論

(1) 減少燒結(jié)煙氣脫硫時需處理的煙氣量和提高煙氣中SO2的質(zhì)量濃度是促進燒結(jié)脫硫技術(shù)發(fā)展的兩大關(guān)鍵，而從燒結(jié)工藝本身來研究燒結(jié)過程煙氣中SO2的排放規(guī)律是尋求問題解決的突破點。

(2) 燒結(jié)煙氣中 SO2的排放具有自持性，即在接近燒結(jié)終點前，燒結(jié)煙氣中SO2質(zhì)量濃度都具有明顯的峰值特征，煙氣中SO2質(zhì)量濃度隨燒結(jié)時間變化的曲線形狀不受原料性質(zhì)、燒結(jié)工藝參數(shù)變化的影響。其機理主要受硫在燒結(jié)料層的遷移規(guī)律所控制，即硫化物、硫酸鹽熱分解生成 SO2—燒結(jié)料層吸附 SO2—再分解—SO2解吸過程不斷循環(huán)，直至燒結(jié)過程接近燒結(jié)終點。

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