張 碩， 郝曉倩

（北京科技大學冶金與生態(tài)學院， 北京 100083）

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

1 燒結模型的建立

1.1 Fuent軟件簡介

Fluent是目前為止諸多流體力學計算軟件中應用最多，功能最強大的軟件。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、對流傳熱模型、融化凝固模型、多相流模型、多孔介質模型等。在已有模型的基礎上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

本文對于流動、傳熱、傳質模型的求解，均是基于Fluent計算平臺。在Fluent軟件中設置基本模型及算法，選擇Realizable k-e雙方程模型計算燒結過程中的氣流湍流流動，選擇SIMPLE算法計算壓力、速度的耦合，采用二階迎風格式對湍流耗散率、湍動能等參數(shù)進行離散，對于容積反應條件下的化學反應與湍流相互作用，采用有限速率/渦耗散模型。燒結過程的反應動力學模型公式如下所示：

1.2.1 炭燃燒反應模型[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C顆粒數(shù)；kC為反應速率常數(shù)，kC=6.53×

CO的氧化反應在有水的情況下進行很快，反應速率如下所示：

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

1.2.2 水分的蒸發(fā)與凝結

假設水分在某一溫度下開始蒸發(fā)，并在高于此溫度以后進行蒸發(fā)反應。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的時候進行蒸發(fā)，R＜0的時候進行水蒸氣冷凝[4]，公式如下：

式中：kf為H2O的傳質系數(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數(shù)的對數(shù)平均值。

1.2.3 石灰石反應模型

該反應于720℃開始反應，880℃達到化學沸騰。石灰石分解反應燒結情況下熱擴散較快，氣氛擴散較快。所以在氣固核反應模型中擴散環(huán)節(jié)不是限制環(huán)節(jié)，限制環(huán)節(jié)主要是化學反應環(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為分解度相關系數(shù)。

1.2.4 SO2生成模型

SO2生成在燒結過程中主要來自于兩個部分：

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硫形式存在。但有機硫的反應機理過于復雜目前為止燒結模擬大多用單質硫的反應代替復雜的有機硫反應，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為反應速度系數(shù)；W3為三界面反應系數(shù)；Dp為顆粒粒徑。

2 燒結模擬實驗與結果分析

2.1 實驗方案

實驗原料配比如表1所示，表2為燒結過程中各個階段進入料層氣體的主要成分與含量。根據(jù)表1、2中的參數(shù)設定模擬計算的初始值。其中點火時間為90 s，保溫時間60 s。根據(jù)燒結反應的物理化學特性可知，入口氣體中O2、H2O含量對燒結煙氣中SO2含量分布的影響極大，所以模擬實驗使用改變單一變量的方法（見表3，表4），調整入口氣體中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含量分布之間的關系。

表1 燒結礦原料組成 %

表2 各階段入口氣體的質量分數(shù) %

表3 抽風燒結入口氣體中H2O含量配比方案

表4 抽風燒結入口氣體中O2含量配比方案

2.2 計算結果與分析

模擬實驗結果如下頁圖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，在燒結進行到1 000 s之后煙氣中SO2含量迅速上升，達到峰值后又迅速下降。比較三個方案可得：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的時候被水吸收，入口氣體中的H2O會在料層中冷凝，增加了下部料層的含水量，從而加強了對SO2的吸收，鄰近燒結結束時，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含量之間的關系

圖2 入口氣體中O2含量與煙氣中SO2含量之間的關系

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。氧氣質量分數(shù)由21%降至15%，SO2質量分數(shù)峰值相應由1 400×10－6降至 1 000×10－6，當含量為 18%時，煙氣中SO2質量分數(shù)為1 200×10－6左右。入口氣體中的O2質量分數(shù)降低，燃料燃燒不充分，燒結料層溫度降低，這就導致了S的析出量降低，從而煙氣中SO2質量分數(shù)的峰值降低。

3 結論

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礦層內，會嚴重影響燒結礦質量，因此循環(huán)煙氣中的O2含量應保持在合理范圍內。

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。燒結煙氣中SO2含量相對較低，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。在使用燒結循環(huán)工藝燒結的情況下應合理調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集中分布在燒結過程結束前的一段時間內，其余部分燒結煙氣中的SO2濃度很低。這給將給燒結裝置帶來較大負擔，煙氣循環(huán)燒結工藝可以很好的將燒結兩段SO2含量較小的煙氣中的SO2循環(huán)富集，減小了燒結煙氣脫硫設備的負擔，因此煙氣循環(huán)燒結應被廣泛采用。

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

[2]唐賢容，王篤陽，張清岑.燒結理論與工藝[M].長沙：中南工業(yè)大學出版社，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)學解析與模擬[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1997：96-99．