燒結(jié)煙氣中SO2濃度分布影響因素的模擬研究

張 碩， 郝曉倩

（北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)學(xué)院， 北京 100083）

燒結(jié)過程是鐵礦粉溶劑及燃料在高溫下加熱使其中的低熔點(diǎn)物質(zhì)融化，并隨著溫度的下降液體凝結(jié)進(jìn)而完成造塊的過程[1]。整個(gè)燒結(jié)過程包括燃料的燃燒、石灰石分解、水分的蒸發(fā)與冷凝、氮和硫等雜質(zhì)的反應(yīng)與脫除、低熔點(diǎn)物質(zhì)的融化與凝結(jié)以及流體與固體之間的傳熱、固體內(nèi)部的傳熱、流體內(nèi)部之間的傳熱等一系列錯(cuò)綜復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)。燒結(jié)煙氣中SO2的排放與脫除是燒結(jié)生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，進(jìn)年來隨者煙氣循環(huán)燒結(jié)工藝的不斷推廣，入口氣體從原來的常溫空氣變?yōu)榱藷Y(jié)循環(huán)煙氣，氣體組份有了明顯的變化，因此針對(duì)燒結(jié)入口氣體成分對(duì)煙氣中SO2含量分布影響的研究也就變得必要起來。

1 燒結(jié)模型的建立

1.1 Fuent軟件簡介

Fluent是目前為止諸多流體力學(xué)計(jì)算軟件中應(yīng)用最多，功能最強(qiáng)大的軟件。Fluent軟件本身就擁有著豐富的物理模型，如湍流模型、離散模型、對(duì)流傳熱模型、融化凝固模型、多相流模型、多孔介質(zhì)模型等。在已有模型的基礎(chǔ)上Fluent軟件還為具有特殊要求的用戶加入了UDF功能，使Fluent軟件的功能更加完善。

1.2 建立模型

本文對(duì)于流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)模型的求解，均是基于Fluent計(jì)算平臺(tái)。在Fluent軟件中設(shè)置基本模型及算法，選擇Realizable k-e雙方程模型計(jì)算燒結(jié)過程中的氣流湍流流動(dòng)，選擇SIMPLE算法計(jì)算壓力、速度的耦合，采用二階迎風(fēng)格式對(duì)湍流耗散率、湍動(dòng)能等參數(shù)進(jìn)行離散，對(duì)于容積反應(yīng)條件下的化學(xué)反應(yīng)與湍流相互作用，采用有限速率/渦耗散模型。燒結(jié)過程的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型公式如下所示：

1.2.1 炭燃燒反應(yīng)模型[2-3]

式中：dC為燃料顆粒粒徑；CO2為氧氣濃度；NC為單位體積內(nèi)C顆粒數(shù)；kC為反應(yīng)速率常數(shù)，kC=6.53×

CO的氧化反應(yīng)在有水的情況下進(jìn)行很快，反應(yīng)速率如下所示：

式中：RCO為反應(yīng)速度；CCO、CO2、CH2O分別為 CO、O2、H2O的摩爾濃度，kmol/m3；kCO為反應(yīng)速率常數(shù)，3.25×107m3/（kmol·s）；E為反應(yīng)活化能，15 098 J/mol。

1.2.2 水分的蒸發(fā)與凝結(jié)

假設(shè)水分在某一溫度下開始蒸發(fā)，并在高于此溫度以后進(jìn)行蒸發(fā)反應(yīng)。根據(jù)水分蒸發(fā)的公式算出水分蒸發(fā)速率與冷凝速率R。R＞0的時(shí)候進(jìn)行蒸發(fā)，R＜0的時(shí)候進(jìn)行水蒸氣冷凝[4]，公式如下：

式中：kf為H2O的傳質(zhì)系數(shù)；ab為料層比表面積；psat為顆粒表面飽和蒸氣壓；pH2O為水蒸氣分壓；xm為氣相與固相表面水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的對(duì)數(shù)平均值。

1.2.3 石灰石反應(yīng)模型

該反應(yīng)于720℃開始反應(yīng)，880℃達(dá)到化學(xué)沸騰。石灰石分解反應(yīng)燒結(jié)情況下熱擴(kuò)散較快，氣氛擴(kuò)散較快。所以在氣固核反應(yīng)模型中擴(kuò)散環(huán)節(jié)不是限制環(huán)節(jié)，限制環(huán)節(jié)主要是化學(xué)反應(yīng)環(huán)節(jié)限速[2]。

式中：al為石灰石顆粒比表面積；Tl為分解開始溫度；Ul為分解度相關(guān)系數(shù)。

1.2.4 SO2生成模型

SO2生成在燒結(jié)過程中主要來自于兩個(gè)部分：

一部分來自于鐵礦石中主要來自于黃鐵礦主要成分 FeS，F(xiàn)eS+2/5O2=SO2+Fe2O3。

另一部分部分來自于原料中，該部分來自于原料中的硫這一部分大多以有機(jī)硫形式存在。但有機(jī)硫的反應(yīng)機(jī)理過于復(fù)雜目前為止燒結(jié)模擬大多用單質(zhì)硫的反應(yīng)代替復(fù)雜的有機(jī)硫反應(yīng)，S+O2=SO2。

1.2.5 SO2在水中的溶解模型

1.2.6 Fe2O3還原模型[5]

式中：Ki為反應(yīng)速度系數(shù)；W3為三界面反應(yīng)系數(shù)；Dp為顆粒粒徑。

2 燒結(jié)模擬實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)原料配比如表1所示，表2為燒結(jié)過程中各個(gè)階段進(jìn)入料層氣體的主要成分與含量。根據(jù)表1、2中的參數(shù)設(shè)定模擬計(jì)算的初始值。其中點(diǎn)火時(shí)間為90 s，保溫時(shí)間60 s。根據(jù)燒結(jié)反應(yīng)的物理化學(xué)特性可知，入口氣體中O2、H2O含量對(duì)燒結(jié)煙氣中SO2含量分布的影響極大，所以模擬實(shí)驗(yàn)使用改變單一變量的方法（見表3，表4），調(diào)整入口氣體中O2、H2O的含量，觀察煙氣中SO2含量分布的變化，從而找到入口氣體中H2O、O2含量與煙氣中SO2含量分布之間的關(guān)系。

表1 燒結(jié)礦原料組成 %

表2 各階段入口氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表3 抽風(fēng)燒結(jié)入口氣體中H2O含量配比方案

表4 抽風(fēng)燒結(jié)入口氣體中O2含量配比方案

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下頁圖1、2所示。由圖1可得三種條件下煙氣中SO2濃度均在前期較低，在燒結(jié)進(jìn)行到1 000 s之后煙氣中SO2含量迅速上升，達(dá)到峰值后又迅速下降。比較三個(gè)方案可得：隨著入口氣體成分中的H2O量增加，煙氣中SO2濃度的最大值變大，SO2的高濃度區(qū)域更加集中。SO2極易溶于水，在隨著煙氣向下流動(dòng)的時(shí)候被水吸收，入口氣體中的H2O會(huì)在料層中冷凝，增加了下部料層的含水量，從而加強(qiáng)了對(duì)SO2的吸收，鄰近燒結(jié)結(jié)束時(shí)，過濕帶消失，被吸收的SO2再次釋放出來，SO2含量峰值增大。

圖1 入口氣體中H2O含量與煙氣中SO2含量之間的關(guān)系

圖2 入口氣體中O2含量與煙氣中SO2含量之間的關(guān)系

圖2為在入口氣體中O2含量不同的情況下SO2的分布情況，由圖2可以看出，隨著入口氣體中O2含量降低，煙氣中SO2含量峰值隨之降低。氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)由21%降至15%，SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值相應(yīng)由1 400×10－6降至 1 000×10－6，當(dāng)含量為 18%時(shí)，煙氣中SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 200×10－6左右。入口氣體中的O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，燃料燃燒不充分，燒結(jié)料層溫度降低，這就導(dǎo)致了S的析出量降低，從而煙氣中SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的峰值降低。

3 結(jié)論

1）煙氣中的SO2含量隨著入口氣體中的O2含量增加而減小，若氧氣含量過少S元素過多保留在燒結(jié)礦層內(nèi)，會(huì)嚴(yán)重影響燒結(jié)礦質(zhì)量，因此循環(huán)煙氣中的O2含量應(yīng)保持在合理范圍內(nèi)。

2）隨著入口氣體中H2O含量的增加煙氣中的SO2分布向波峰集中，煙氣中SO2含量最大值增加，SO2的排除更加集中。燒結(jié)煙氣中SO2含量相對(duì)較低，煙氣排量較大，因此SO2在波峰處的富集可以方便SO2的集中脫除。在使用燒結(jié)循環(huán)工藝燒結(jié)的情況下應(yīng)合理調(diào)整煙氣中的水含量以便更好的使SO2富集具有著重要意義。

3）煙氣中SO2集中分布在燒結(jié)過程結(jié)束前的一段時(shí)間內(nèi)，其余部分燒結(jié)煙氣中的SO2濃度很低。這給將給燒結(jié)裝置帶來較大負(fù)擔(dān)，煙氣循環(huán)燒結(jié)工藝可以很好的將燒結(jié)兩段SO2含量較小的煙氣中的SO2循環(huán)富集，減小了燒結(jié)煙氣脫硫設(shè)備的負(fù)擔(dān)，因此煙氣循環(huán)燒結(jié)應(yīng)被廣泛采用。

[1]宋存義，陳凱華.鐵礦石燒結(jié)過程中二氧化硫的分布特征及生成機(jī)理[C]//燒結(jié)工序節(jié)能減排技術(shù)研討會(huì)，2009：163-168.

[2]唐賢容，王篤陽，張清岑.燒結(jié)理論與工藝[M].長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1992：16-21．

[3]Tan P，Neuschutz D.CFD Modelling of sintering phenomena during iron ore sintering[J].Multiphase phenomena and CFD modelling and simulation in materials processes symposium，2004（1）：451-459.

[4]張玉柱，艾立群.鋼鐵冶金過程的數(shù)學(xué)解析與模擬[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1997：96-99．