烧结烟气中SO2浓度分布影响因素的模拟研究

张 硕， 郝晓倩

（北京科技大学冶金与生态学院， 北京 100083）

烧结过程是铁矿粉溶剂及燃料在高温下加热使其中的低熔点物质融化，并随着温度的下降液体凝结进而完成造块的过程[1]。整个烧结过程包括燃料的燃烧、石灰石分解、水分的蒸发与冷凝、氮和硫等杂质的反应与脱除、低熔点物质的融化与凝结以及流体与固体之间的传热、固体内部的传热、流体内部之间的传热等一系列错综复杂的物理化学反应。烧结烟气中SO2的排放与脱除是烧结生产过程中的一个重要环节，进年来随者烟气循环烧结工艺的不断推广，入口气体从原来的常温空气变为了烧结循环烟气，气体组份有了明显的变化，因此针对烧结入口气体成分对烟气中SO2含量分布影响的研究也就变得必要起来。

1 烧结模型的建立

1.1 Fuent软件简介

Fluent是目前为止诸多流体力学计算软件中应用最多，功能最强大的软件。Fluent软件本身就拥有着丰富的物理模型，如湍流模型、离散模型、对流传热模型、融化凝固模型、多相流模型、多孔介质模型等。在已有模型的基础上Fluent软件还为具有特殊要求的用户加入了UDF功能，使Fluent软件的功能更加完善。

1.2 建立模型

本文对于流动、传热、传质模型的求解，均是基于Fluent计算平台。在Fluent软件中设置基本模型及算法，选择Realizable k-e双方程模型计算烧结过程中的气流湍流流动，选择SIMPLE算法计算压力、速度的耦合，采用二阶迎风格式对湍流耗散率、湍动能等参数进行离散，对于容积反应条件下的化学反应与湍流相互作用，采用有限速率/涡耗散模型。烧结过程的反应动力学模型公式如下所示：

1.2.1 炭燃烧反应模型[2-3]

式中：dC为燃料颗粒粒径；CO2为氧气浓度；NC为单位体积内C颗粒数；kC为反应速率常数，kC=6.53×

CO的氧化反应在有水的情况下进行很快，反应速率如下所示：

式中：RCO为反应速度；CCO、CO2、CH2O分别为 CO、O2、H2O的摩尔浓度，kmol/m3；kCO为反应速率常数，3.25×107m3/（kmol·s）；E为反应活化能，15 098 J/mol。

1.2.2 水分的蒸发与凝结

假设水分在某一温度下开始蒸发，并在高于此温度以后进行蒸发反应。根据水分蒸发的公式算出水分蒸发速率与冷凝速率R。R＞0的时候进行蒸发，R＜0的时候进行水蒸气冷凝[4]，公式如下：

式中：kf为H2O的传质系数；ab为料层比表面积；psat为颗粒表面饱和蒸气压；pH2O为水蒸气分压；xm为气相与固相表面水蒸气体积分数的对数平均值。

1.2.3 石灰石反应模型

该反应于720℃开始反应，880℃达到化学沸腾。石灰石分解反应烧结情况下热扩散较快，气氛扩散较快。所以在气固核反应模型中扩散环节不是限制环节，限制环节主要是化学反应环节限速[2]。

式中：al为石灰石颗粒比表面积；Tl为分解开始温度；Ul为分解度相关系数。

1.2.4 SO2生成模型

SO2生成在烧结过程中主要来自于两个部分：

一部分来自于铁矿石中主要来自于黄铁矿主要成分 FeS，FeS+2/5O2=SO2+Fe2O3。

另一部分部分来自于原料中，该部分来自于原料中的硫这一部分大多以有机硫形式存在。但有机硫的反应机理过于复杂目前为止烧结模拟大多用单质硫的反应代替复杂的有机硫反应，S+O2=SO2。

1.2.5 SO2在水中的溶解模型

1.2.6 Fe2O3还原模型[5]

式中：Ki为反应速度系数；W3为三界面反应系数；Dp为颗粒粒径。

2 烧结模拟实验与结果分析

2.1 实验方案

实验原料配比如表1所示，表2为烧结过程中各个阶段进入料层气体的主要成分与含量。根据表1、2中的参数设定模拟计算的初始值。其中点火时间为90 s，保温时间60 s。根据烧结反应的物理化学特性可知，入口气体中O2、H2O含量对烧结烟气中SO2含量分布的影响极大，所以模拟实验使用改变单一变量的方法（见表3，表4），调整入口气体中O2、H2O的含量，观察烟气中SO2含量分布的变化，从而找到入口气体中H2O、O2含量与烟气中SO2含量分布之间的关系。

表1 烧结矿原料组成 %

表2 各阶段入口气体的质量分数 %

表3 抽风烧结入口气体中H2O含量配比方案

表4 抽风烧结入口气体中O2含量配比方案

2.2 计算结果与分析

模拟实验结果如下页图1、2所示。由图1可得三种条件下烟气中SO2浓度均在前期较低，在烧结进行到1 000 s之后烟气中SO2含量迅速上升，达到峰值后又迅速下降。比较三个方案可得：随着入口气体成分中的H2O量增加，烟气中SO2浓度的最大值变大，SO2的高浓度区域更加集中。SO2极易溶于水，在随着烟气向下流动的时候被水吸收，入口气体中的H2O会在料层中冷凝，增加了下部料层的含水量，从而加强了对SO2的吸收，邻近烧结结束时，过湿带消失，被吸收的SO2再次释放出来，SO2含量峰值增大。

图1 入口气体中H2O含量与烟气中SO2含量之间的关系

图2 入口气体中O2含量与烟气中SO2含量之间的关系

图2为在入口气体中O2含量不同的情况下SO2的分布情况，由图2可以看出，随着入口气体中O2含量降低，烟气中SO2含量峰值随之降低。氧气质量分数由21%降至15%，SO2质量分数峰值相应由1 400×10－6降至 1 000×10－6，当含量为 18%时，烟气中SO2质量分数为1 200×10－6左右。入口气体中的O2质量分数降低，燃料燃烧不充分，烧结料层温度降低，这就导致了S的析出量降低，从而烟气中SO2质量分数的峰值降低。

3 结论

1）烟气中的SO2含量随着入口气体中的O2含量增加而减小，若氧气含量过少S元素过多保留在烧结矿层内，会严重影响烧结矿质量，因此循环烟气中的O2含量应保持在合理范围内。

2）随着入口气体中H2O含量的增加烟气中的SO2分布向波峰集中，烟气中SO2含量最大值增加，SO2的排除更加集中。烧结烟气中SO2含量相对较低，烟气排量较大，因此SO2在波峰处的富集可以方便SO2的集中脱除。在使用烧结循环工艺烧结的情况下应合理调整烟气中的水含量以便更好的使SO2富集具有着重要意义。

3）烟气中SO2集中分布在烧结过程结束前的一段时间内，其余部分烧结烟气中的SO2浓度很低。这给将给烧结装置带来较大负担，烟气循环烧结工艺可以很好的将烧结两段SO2含量较小的烟气中的SO2循环富集，减小了烧结烟气脱硫设备的负担，因此烟气循环烧结应被广泛采用。

[1]宋存义，陈凯华.铁矿石烧结过程中二氧化硫的分布特征及生成机理[C]//烧结工序节能减排技术研讨会，2009：163-168.

[2]唐贤容，王笃阳，张清岑.烧结理论与工艺[M].长沙：中南工业大学出版社，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]张玉柱，艾立群.钢铁冶金过程的数学解析与模拟[M].北京：冶金工业出版社，1997：96-99．