煙氣循環燒結的數值仿真

張小輝，張家元，田萬一, ，鄭敏，周孑民，王華

(1. 昆明理工大學 冶金與能源工程學院，冶金節能減排教育部工程研究中心，云南 昆明，650093；2. 中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙，410083；3. 中冶長天國際工程有限公司，湖南 長沙，410007)

在我國鋼鐵行業內，鐵礦石燒結過程的能源消耗僅次于煉鐵和軋鋼，居第三位[1]，SO2排放量占排放總量的40%～60%[2]。對于鐵礦石燒結過程產生的煙氣，常規的處理方法是將所有煙氣匯合于大煙道進入脫硫系統然后排出。從整體上來看，燒結煙氣具有平均溫度相對較低、煙氣量大、SO2含量低的特點；而從排放過程來看，煙氣溫度、組成及含量隨燒結進程不斷變化。因此，針對燒結過程煙氣產生的特點，對各部分煙氣在綜合分析的基礎上加以循環利用，對鐵礦石燒結和鋼鐵行業的節能減排具有重要的意義。Ikehara等[3]通過對新日鐵戶佃3 號燒結機煙氣循環燒結的改造，對比改造前后煙氣排放溫度、成分的變化、操作過程變化以及燒結成品礦的質量變化，發現在煙氣循環量為25%時，成品礦質量、產量差異較小，煙氣循環使用降低了煙氣排放量和脫硫處理量。Jiang 等[4]以SO2的富集和減量排放為目標，通過人工配氣的方式模擬了煙氣循環燒結工藝，對煙氣循環燒結工藝的原理及技術參數進行了研究；李光輝等[5]在實驗室條件下，通過模擬煙氣循環燒結，對燒結礦產、質量指標及煙氣中SO2排放規律進行了研究，結果表明煙氣循環燒結工藝相對于常規工藝降低了煙氣排放量，實現了SO2的富集。以上學者對煙氣循環燒結的研究主要基于實驗室條件下的人工配氣來實現，配氣的溫度與實際煙氣溫度有差距，且實際燒結過程中產生的煙氣組成及含量不固定，一些氣體如O2等的含量達不到燒結所必須的含量要求。因此，掌握燒結過程煙氣溫度和成分含量的變化情況，結合燒結過程余熱利用和減量排放的目的進行有針對性的改進燒結工藝，是燒結工藝改進的主要途徑。本文作者通過對燒結過程熱質傳輸機理的研究，建立燒結過程三維仿真模型；利用CFD 軟件FLUENT 對某鋼鐵企業燒結機常規燒結過程進行數值模擬，根據煙氣余熱利用和減量排放側重點的不同提出相應的循環燒結方案，通過對燒結過程的影響和節能減排的對比來探討和研究煙氣循環燒結工藝對常規燒結工藝的改善作用。

1 模型的建立

燒結過程中的熱質傳輸以流動為基礎，同時又相互耦合。

1.1 動量方程的修正

將燒結料層視為均勻的多孔介質[6]，在此條件下，動量方程需要增加一個源項來描述氣體流動過程中的黏性和慣性損失，該源項為

其中：D 和C 為給定矩陣；vmag為速度絕對值。

將式(1)與Ergun 方程[7]相結合，可得到黏性阻力系數和慣性阻力系數的計算式：

1.2 能量方程

鐵礦燒結過程氣體、料層溫度不等，處于局部非熱力學平衡狀態，始終存在著氣、固傳熱過程，因此，需要對氣、固分別建立能量方程，將固相骨架和氣體視為2 種不同的連續介質，在任意坐標以及相應的單元格內，定義2 個體平均溫度：固相Ts和流體相Tf，分別表征同一特征單元格內每相的熱狀態，相應的能量方程[8-9]如下。

固相：

氣相：

其中：φ 為料層孔隙率；q 為內熱源所產生的單位體積熱量；Sr為反應熱；hv為氣、固間體傳熱系數，采用Achenbach 準則關系式計算[10]。

其中：dp為混合料顆粒當量直徑。

1.3 組分傳輸過程

采用基于容積的通用有限速率模型計算鐵礦燒結的組分傳輸過程。燒結過程的物理、化學反應較多，機理較復雜，對于反應速率的計算，以化學反應動力學方程為基礎，采用有限速率/渦耗散的湍流-化學反應相互作用模型以及運用FLUENT 的UDF(用戶自定義函數)功能定義組分輸運方程源項相結合的方法。

鐵礦燒結過程所發生的主要物理化學反應有：水分的蒸發和冷凝，硫化物的氧化，碳的燃燒，碳酸鹽分解，鐵氧化物的還原、氧化，鐵礦石的融化及凝固等。

1.3.1 水分傳輸過程

以氣體邊界層質量傳輸速率rR來判斷水分的運輸狀態(蒸發或冷凝)[11]。

其中：kw為H2O(g)傳質系數；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。

當rR＜0 時，水蒸氣冷凝，冷凝速率rH2O=rR；

當rR＞0 時，水分蒸發，利用二階段模型[12]求解。

第一階段，恒速蒸發，蒸發速率rH2O=rR；第二階段，達到臨界含水量Wc之后，減速蒸發，蒸發速率[13]為

其中：Mw為H2O 的相對分子質量；ΔH1為水的汽化潛熱；W 為料層中含水量。

1.3.2 燃料燃燒過程

燒結過程中燃料的燃燒主要考慮以下反應[14]：

反應(9)和(10)的速率[8]分別為：

其中：dc為燃料顆粒平均粒徑；φ(O2)為O2體積分數；Nc為單位體積內燃料顆粒數； φc為燃料顆粒形狀系數；φ(CO2)為CO2體積分數；Ef2為反應有效系數；kc*和kc2為反應速率常數。

1.3.3 碳酸鹽分解過程

原料中碳酸鹽以CaCO3為主，分解反應及速率[11]分別為：

其中：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。

1.3.4 鐵氧化物還原

某鋼鐵企業燒結廠所用原料的含鐵氧化物主要為為Fe2O3和FeO，燒結過程中鐵氧化物還原發生的反應主要[8]為：

利用三界面反應模型[11]來計算以上反應的化學反應速率：

鋼筋本構可采用理想彈塑性模型，雙線性(二折線)模型和三折線模型。理想彈塑性模型比較簡單，只考慮彈性階段和屈服階段，不考慮屈服后的強化階段。而三折線模型同時考慮了屈服平臺和強化階段的情況，模型相對比較復雜。而二折線模型在鋼筋屈服后的曲線比較平緩且呈現一階線性，本文采用的是二折線模型。如圖2所示。模型關鍵參數由材性試驗獲得，鋼筋的材性試驗結果見表1。

其中：Ki為反應速度系數；W3為三界面反應系數；Dp為顆粒粒徑。

1.3.5 SO2的生成、吸附和脫附

燒結煙氣中SO2主要來源是FeS2、FeS 以及燃料中的單質S，而由燃料中的S 生成的SO2比率可達85%～95%[2]。為簡化計算，對SO2的生成來源主要考慮FeS2和S。根據FeS2在在燒結過程中易分解的特點，假定FeS2先分解生成FeS 和S，其后FeS 和S 分別與O2反應[15]，反應式如(19)和(20)所示。

對于反應(19)，根據隨機成核和隨后生長動力學模型[16]求解其反應速率。

對于反應(20)，反應速率[17]為

其中：SC為燃料顆粒中S 質量分數；Cfix為燃料顆粒中C 質量分數；MC和MS分別為C 和S 的摩爾質量。

上部料層產生的SO2隨氣流往下，部分溶于下部料層水分中；隨著高溫層的下移，SO2隨水分蒸發而釋出。SO2在不同溫度及壓力條件下的溶解度[18]為

由于燒結過程水分蒸發速度快，對溶于水中SO2的釋出速度可作線性化處理，即假定在水分蒸發過程中，SO2溶解度不變，釋出速度與水分蒸發量呈正比。

1.3.6 其他氣相反應

反應速率分別為[14]

其中：φ(H2O(g))，φ(H2)和φ(CO)分別為料層內H2O(g)，H2和CO 的體積分數。

1.3.7 液相形成與凝固

料層相變主要影響氣體的流動與熱量的傳遞，燒結過程中熔化和凝固速率[8]分別為：

其中：Tmlt為開始熔化(凝固)溫度。

1.4 料層結構變化

燒結過程中料層會產生收縮，料層收縮是料層結構變化的外部表現，反應在料層參數上是孔隙率和顆粒平均當量直徑的變化，這2 個參數的變化對于流動和傳熱計算有直接影響。

料層孔隙率的計算考慮顆粒的形狀系數、料層收縮率和燃料顆粒的消耗[19-20]，計算式為

其中：φ 為形狀系數；λ 為料層收縮率；dc為燃料顆粒粒徑；VC為燃料顆粒體積。

固體顆粒平均當量直徑變化方程[21]為

其中：dp0為混合料顆粒原始平均當量直徑；K 為經驗系數。

1.5 計算區域的離散

在燒結機臺車中心取與料層等高的長方體作為計算區域，其長×寬×高為0.4 m×0.4 m×0.6 m，使用結構性網格對計算區域離散化，網格尺寸為0.01 m，網格總數10.08 萬。

1.6 計算方法和邊界條件

利用 k-ε 湍流模型，對壓力-速度耦合采用SIMPLE 算法，對湍動能、湍流耗散率的離散采用二階迎風格式。對能量方程的非穩態項、源項以及反應速率采用FLUENT 的UDF 功能編寫程序定義。計算區域進氣口定義為速度入口，速度根據實際流量計算得到，煙氣出口定義為壓力出口，點火階段為-10 kPa，常溫抽風燒結階段為-15 kPa，側面為對稱邊界。

2 煙氣循環燒結研究

2.1 常規燒結工藝數值模擬

以某鋼鐵企業360 m2燒結機和396 m2環冷機為對象，結合實際操作參數，對燒結過程進行模擬計算，初始條件、計算參數及燒結系統運行參數見文獻[9]和[22]。

圖1 所示為燒結過程中沿臺車寬度中心線方向的料層溫度分布云圖。

圖1 料層溫度分布云圖Fig.1 Temperature distribution of sintered bed

由圖1 可知：隨著燒結的推移，料層燃燒區域溫度逐漸升高，高溫區域厚度逐漸增加。上部料層最高溫度為1 200～1 400 K，下部最高溫度為1 600～1 800 K，整個料層的最高溫度在高度方向上不均勻，呈上低下高，料層上部成礦率低，粉礦量大，下部成礦率好，但燒結過程中容易形成過熔，降低料層透氣性。

圖2 所示為煙氣溫度隨時間的變化情況。

圖2 煙氣溫度隨時間的變化Fig.2 Flue gas temperature versus time

由圖2 可知：從點火開始到1 450 s 時，煙氣溫度變化較小，這是由于上部的高溫煙氣在下移的過程中不斷加熱料層，大部分熱量用于水分蒸發；在1 450 s之后，煙氣溫度升高較快，這是因為料層底部水分逐漸蒸發完全，干燥預熱帶逐漸變窄，在燃燒區域到達鋪底料層時，煙氣溫度快速升高到最大值。

圖3 所示為燒結煙氣主要成分的體積分數隨時間的變化情況。

圖3 煙氣成分含量隨時間的變化Fig.3 Components content of flue gas versus time

在點火啟動之后，煙氣中H2O(g)體積分數快速上升，保溫結束之后趨于穩定，約為6.5%；在1 290 s左右H2O(g)體積分數開始降低，在1 410 s 左右料層中水分蒸發完畢；煙氣中SO2體積分數從點火到保溫結束，達到第1 個高峰，為0.018 1%；進入常溫空氣抽風燒結之后，SO2體積分數穩定，約為0.020 0%；在1 000 s 時快速升高，在1 320 s 時達到第2 個高峰，隨后快速降低，在1 440 s 時達到0.035 0%，維持約180 s 之后，逐漸降低為0；在點火和保溫階段，煙氣中O2體積分數較低，CO 與CO2體積分數較高，在點火結束時均達到極值。隨著入口處O2體積分數升高、CO 與CO2體積分數降低，煙氣中各成分體積分數也有相應的變化，進入常溫空氣抽風燒結之后，O2，CO與CO2體積分數逐漸穩定；在1 740 s 時，O2體積分數開始增加，CO 和CO2體積分數開始降低，在1 839.5 s 時，O2，CO 和CO2體積分數與入口處一致。

2.2 對仿真模型的驗證

需要通過與試驗的對比來驗證所建立模型的可靠性，結合該鋼鐵企業燒結機臺車的現場條件，以臺車出口處風箱內煙氣溫度和煙氣成分含量的測試值對計算結果進行驗證。燒結機長度為90 m，底部從燒結機機頭到機尾分布24 個抽風風箱，對1，3，5，7，…，21，23 號風箱彎管處進行開孔設測點，測量儀器為TESTO-360 煙氣分析儀。在測點的彎管直徑方向取3個測點，每個測點測量3 次，取平均值，測點位置示意圖如圖4 所示。測量工作在燒結機正常運行，各參數維持穩定的條件下進行。計算值的取值位置與測試值的測試位置一致，計算值為相應風箱內的平均值。

表1 所示為參數計算值與測試值的對比。

圖4 測點位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of test points

表1 參數的計算值與測試值對比Table 1 Comparison of calculated and test values of parameters

由表1 可知：參數計算值相對于測試值的最大相對誤差小于9%，考慮到一方面臺車實際運行過程中存在著與外界的換熱，而模擬計算區域是臺車中心長方體，忽略與外界的傳熱和煙氣在風箱中的熱損失，另一方面實際燒結過程臺車內存在一定的漏風。因此，在工程誤差允許的范圍內，可認為本文所建立的計算模型是合理和可靠的。

2.3 煙氣循環燒結研究

在實驗室條件下以人工配氣的方式通過考察燒結礦的冶金性能指標，確定了循環燒結合理煙氣成分含量，如表2 所示。本文以表2 的取值范圍作為燒結煙氣和冷卻廢氣配比的標準。表3 所示為燒結機24 個風箱中煙氣溫度及各氣體成分含量。

以數值模擬方法得到環冷機非余熱利用區廢氣溫度隨冷卻時間的變化[9]如圖5 所示。

進行燒結工藝改進，主要有2 個目的：一是改善燒結過程，二是促進綜合利用。煙氣循環燒結的目的：一方面是煙氣余熱的利用，提高上部料層溫度，改善燒結過程；另一方面降低煙氣排放處理量，富集SO2。根據風箱中煙氣溫度的變化，提出側重于提高燒結煙氣余熱利用量、提高循環煙氣量以及煙氣余熱量和循環量綜合并重的3 種煙氣循環燒結方案。

對風箱中煙氣的選取遵循以下3 個原則：

(1) SO2含量較高的燒結煙氣不作為循環使用；

(2) 溫度較高的燒結煙氣宜作為循環使用；

(3) 不能出現氣流短路、重復循環。

以上3 個方案選取作為循環燒結使用的風箱如下。

表2 循環煙氣各成分體積分數的合理取值范圍Table 2 Reasonable range of circulating flue gas volume fraction %

圖5 廢氣溫度隨時間的變化Fig.5 Exhausted gas temperature versus time

表3 各風箱中煙氣溫度及各成分含量(體積分數)Table 3 Temperature and components content of flue gas in bellows %

方案一：側重于提高燒結煙氣余熱利用量，選取20～24 號風箱。

方案二：側重于提高循環煙氣量，選取1，2，19～24號風箱。

方案三：綜合并重，選取1，2，19～22 號風箱作循環使用， 23 和24 號風箱煙氣引入環冷機余熱鍋爐。

在選取了作為循環使用的風箱后，按照表2 的合理取值范圍對以上方案進行環冷機廢氣配比計算。經過計算，以上3 種方案混合后煙氣的特性參數如表4所示。

表4 循環煙氣特性參數Table 4 Characteristic parameters of circulating flue gas

3 結果及分析

3.1 溫度對比

圖6 所示為常規工藝及3 種煙氣循環燒結工藝條件下，不同深度料層的平均溫度隨時間的變化；圖7所示為4 種燒結工藝條件下料層的最高溫度隨深度的變化。

由圖6 可知：煙氣循環燒結工藝對不同深度處料層溫度的影響主要表現為：一方面提高了料層的最高溫度，尤其是中上部料層提高的幅度較大，如圖7 所示，這對上部料層成品礦的質量有較大的提高作用。因為煙氣循環燒結工藝使得上部料層溫度提高，有利于燒結礦的熔融和結晶；另一方面，煙氣循環燒結工藝使得中上部料層達到最高溫度的時間點相對于常規燒結工藝有所提前，且循環煙氣溫度越高，時間點越提前，但隨著料層深度的增加，這一時間差異逐漸縮小。

3.2 對燒結過程的影響

圖6 不同高度處料層溫度隨時間的變化Fig.6 Solid temperature versus time in different heights

圖7 料層最高溫度隨深度的變化Fig.7 Highest solid temperature versus depth

料層的最高溫度、高溫持續時間以及冷卻速度是影響燒結過程以及成品礦質量的重要因素。下面對煙氣循環燒結和常規燒結進行這3 個方面的對比和分析。

(1) 料層最高溫度。燒結過程中料層的合理最高溫度區間為1 573～1 723 K[15]。表5 所示為各種燒結工藝條件下料層最高溫度區間及相應的厚度。

表5 料層最高溫度區間及厚度Table 5 Highest solid temperature range and corresponding thickness m

由表5 可知：3 種循環燒結方案和常規燒結工藝的料層最高溫度低于合理溫度區間的料層厚度分別占總厚度的11.7%，15.0%，18.3%和21.7%，超過合理區間的料層厚度隨著循環煙氣溫度的提高而增加，這表明隨著循環煙氣溫度的提高，燒結料層溫度也相應提高，若降低超過合理溫度區間料層的燃料含量使其溫度位于合理區間內，則循環燒結方案可以降低燃料含量的料層厚度更大，能更好的節約固體燃料使用量。

(2) 高溫持續時間。溫度在1 573 K 以上，且持續時間為60～240 s 的料層能形成較好的成品礦[15]。圖8所示為各種燒結工藝條件下料層高溫持續時間隨深度的變化。

圖8 不同深度料層的高溫持續時間Fig.8 Highest solid temperature duration time in different depths

由圖8 可知：高溫持續時間隨著料層深度的增加而增加，3 種循環燒結方案和常規燒結工藝高溫持續時間位于60～240 s 的料層厚度依次為0.11，0.11，0.12和0.12 m，煙氣循環燒結對料層的高溫持續時間影響較小。

(3) 冷卻速度。指料層從最高溫度降低到1 473 K(此溫度時料層開始凝固)時的降溫速率以不超過120 K/min[15]為宜。圖9 所示為各種燒結工藝料層的冷卻速度隨深度的變化。

圖9 不同深度的料層冷卻速度Fig.9 Solid cooling rate in different depths

由圖9 可知：料層冷卻速度隨著料層深度的增加而減??；3 種循環燒結方案和常規燒結工藝冷卻速度小于120 K/min 的料層厚度依次為0.60，0.45，0.43和0.41 m，可見隨著循環煙氣溫度的提高，位于合理冷卻速度范圍內的料層厚度增加。

通過以上3 個方面的對比可知：煙氣循環燒結方案使料層上部最高溫度升高，降低了料層溫度的波動性，有利于成品礦質量的提高。

3.3 節能減排對比

循環燒結工藝利用了煙氣和環冷廢氣的余熱。表6 所示為3 種煙氣循環燒結方案和常規燒結工藝的余熱利用量。對于方案三，計入了用于環冷機余熱鍋爐的煙氣余熱利用量。

表6 各燒結工藝的余熱利用量Table 6 Amount of waste heat utilization in different sintering schemes 1011 J/h

由表6 可知：煙氣循環燒結有利于提高余熱利用量，余熱利用量越高越有利于料層固體燃料的節約使用，可見綜合方案的節能潛力最大。

表7 所示為3 種煙氣循環燒結方案和常規燒結工藝的煙氣脫硫處理量以及煙氣中SO2含量。

表7 煙氣處理量及煙氣中SO2 平均體積分數Table 7 Volume of flue gas to be treated and average volume fraction of SO2

由表7 可知：煙氣循環燒結工藝相對于常規燒結工藝不僅降低了煙氣脫硫處理量，降低了脫硫工藝能耗，而且對SO2起到了富集作用，有利于SO2的吸收，提高了煙氣脫硫效率。即煙氣循環燒結工藝可以降低煙氣處理系統負荷，提高脫硫效率。

4 結論

(1) 通過對鐵礦燒結過程流動、傳熱、傳質機理進行分析，建立了燒結熱質分析計算的數學模型。通過對常規燒結工藝的模擬計算，得到了料層溫度、煙氣溫度和成分含量隨時間的變化情況，通過與試驗測試值的對比驗證了計算模型的可靠性和合理性。

(2) 煙氣循環燒結能提高上部料層最高溫度，降低料層冷卻速度，降低料層最高溫度在高度方向上的波動性，提高煙氣余熱利用量，降低固體燃料使用量，降低煙氣脫硫處理量，提高脫硫效率，降低脫硫負荷。

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