机械工业论文：烟气全循环烧结工艺的探索性研究

　　机械工业论文：烟气全循环烧结工艺的探索性研究

　　国外烟气循环烧结工艺已有工业化应用论文，如荷兰克鲁斯艾默伊登厂采用EOS技术[1-2]；德国HKM公司采用LEEP工艺[3]；奥钢联钢铁公司的EPOSINT工艺[4]；日本新日铁采用区域性烟气循环工艺[5]。国内中南大学[6]开发了超高比例烟气循环的铁矿烧结方法和一种铁矿烧结烟气分段循环[7]的方法；清华大学[8]开发了一种烧结机烟气再循环脱硝的系统；浙江大学[9]开发了一种烧结多种污染物脱除的工艺及系统。李光辉等[10]通过实验模拟证实烟气循环烧结工艺降低了烟气排放量。范振宇[11]采用人工配气的方法进行循环工艺的实验，结果显示烧结矿的各种性能均有提升。

　　现有的烟气循环烧结工艺只是部分烟气的循环，还没有将全部烟气进行循环利用，本文在前人研究的基础上，提出烟气全循环烧结工艺，通过仿真计算，与常规烧结过程进行对比，验证新工艺的可行性。

　　1 烟气循环烧结仿真模型

　　本文提出了一种烧结工艺烟气全循环的新方法，本方法是在烧结机布料器和点火装置之间设置一段预热干燥段，将环冷机的热废气引到烧结机预热干燥段的烟罩中，对预热干燥段中出来的烟气进行冷凝，脱除烟气中的水蒸汽后排出，将烧结机机尾高氧高温的烟气循环到烧结机点火段烟罩中，将点火段排出的烟气循环到烧结机燃烧段烟罩中，将燃烧段排出的烟气循环到烧结机排出段进行SO2、NOx的富集，最后将高污染物的烧结烟气进行除尘脱硝脱硫处理后排入大气。预热干燥段、点火段、燃烧段、排出段各段又可以根据实际生产需要分成若干小段进行循环。烧结烟气全循环工艺如图1所示。

　　1-预热干燥段；2-点火段；3-燃烧段；4-排出段；5-高温高氧段；6-布料器；

　　7-点火装置；8-冷凝器；9-风机；10-除尘器；11-脱硝；12-脱硫；13-密封烟罩；

　　14-补氧风机；15-烟囱

　　图1 烟气全循环烧结工艺示意图

　　Fig.1 Temperature curves

　　2.1 物理模型

　　本文主要对料层进行计算，所以把台车简化成料层区域，只取一个台车的料层区域进行仿真计算，对流体区域进行建模，忽略台车及烧结机其他部分的结构特征，用三维CAD软件进行建模。如图2所示为物理模型三维图，下方长方体为料层，上方梯形体为循环烟罩，Z轴方向两个端面为相邻两个入口的中心面，设为对称面，料层高设为500mm。

　　图2 物理模型三维图

　　Fig.1 Temperature curves

　　2.2 数学模型

　　采用FLUENT软件进行求解，控制方程如下：

　　连续性方程：

　　(1)

　　N-S方程：

　　X方向：

　　(2)

　　Y方向：

　　(3)

　　Z方向：

　　(4)

　　k-ε方程：

　　k方程：

　　(5)

　　ε方程：

　　(6)

　　表示剪切产生项，表达式为

　　， ui和uj分别表示在xi和xj方向上的速度分量，m•s-1。

　　能量守恒方程：

　　(7)

　　组分传输方程：

　　(8)

　　FLUENT提供涡耗散模型，化学过程r中物质i的生成速率Ri,r由下式给出：

　　(9)

　　(10)

　　3 求解及验证

　　入口定义为速度入口，按照所需流量计算速度大小，方向垂直于入口面；出口定义为压力出口，点火阶段出口压力为-10Kpa，烧结阶段出口压力为-14Kpa。料层上表面设为Interior内部边界面。湍流模型采用标准k-ε方程，对控制方程选用二阶迎风格式进行离散，流场求解计算运用SIMPLEC算法，化学反应采用有限速率/涡耗散模型。

　　3.1 模型的试验验证

　　本文采用流体计算软件FLUENT及UDF功能来计算料层内的燃烧过程。通过某烧结杯试验数据[12]来验证料层温度场、烟气主要成分含量的计算结　　果的可靠性。

　　料层高度为0.47m和0.2m处的温度曲线的计算值和测试值对比见图3-5所示，模型的计算值与试验的测试值差距不大。模型的计算值相对于试验的测试值都偏大，这是由于实际的试验存在漏风、实验设备向外的传热等因素造成测试的温度值偏低。

　　1-料高0.47m处计算值；2-料高0.47m处测试值；

　　3-料高0.2m处计算值；4-料高0.2m处测试值

　　图3 温度曲线计算值与测试值的对比

　　Fig.1 Temperature curves

　　横纵坐标和色标需明确给出量名称及单位，二者用“/”隔开；复合单位改为乘负一次方形式用括号括起，如“m/s”应为“(m·s-1)”。图中的数值需标明单位，文字的中英文形式需统一。

　　对图进行说明时应写成“如图1所示”的形式。图中文字用中文。

　　曲线图和柱状图分别如图1和图2所示，有多条曲线的需给出图例。

　　4 烟气全循环烧结工艺的可行性研究

　　4.1 常规烧结工艺过程数值模拟

　　首先在入口通入90s温度为1400K的空气来代替点火过程，出口压力为-10Kpa；再在入口通入60s温度为870K的空气来代替保温过程，出口压力为-14Kpa；最后通入常温空气进入正常烧结阶段，入口气体为空气，气体温度为300K。燃料燃点为973K；石灰石分解温度为993K；铁氧化物反应温度为943K；SO2生成温度为838K，料层熔融和冷凝的温度为1400K[13]，主要化学反如表1所示。

　　表1主要化学反应

　　Table 1 Calculation results of power

　　4.1.1 料层温度分布

　　由图4、图5可知，料层刚开始燃烧时，燃烧带较薄，随着燃烧带向下运动，料层蓄热作用加强，温度逐渐升高。在实际中，料层的燃烧过程是从上开始慢慢向下推移的，料层在相同位置不同时间的温度是不同的，反映在料层温度曲线上就是随着时间的推移，曲线呈波浪状移动。

　　图4 不同时刻料层温度云图

　　Fig.1 Temperature curves

　　1-料高0.47m处；2-料高0.3m处；3-料高0.2m处；

　　4-料高0.1m处；5-料高0.01m处

　　图5 不同料层高度处烧结矿平均温度曲线

　　Fig.1 Temperature curves

4.1.2 烟气成分含量

　　从图6可知，烧结开始，O2含量持续减少，这种情况大概在100s时到达极值，这是由于点火阶段入口空气温度较高，O2含量较低，且点火阶段燃烧剧烈，消耗大量O2，生成CO2、CO。当通入常温空气进入常规烧结阶段时，料层上面气体温度变低，反应过程减弱，O2含量又逐渐升高，CO2、CO含量逐渐下降。一段时间后烧结过程趋于平稳，烟气成分中的O2、CO2、CO含量分别稳定在11.4%、10.9%、1.1%。烧结完结时，料层中焦炭颗粒都燃烧完，O2恢复正常，不再产生CO2、CO。从点火阶段开始，料层温度逐渐升高，硫的氧化反应逐渐增强，SO2含量逐渐增多，在900s~1500s时排放量达到最大。

　1- O2；2-CO2；3-CO；4-SO2

　　图6 出口烟气成分含量随时间变化

　　Fig.1 Temperature curves

　　4.2 烟气全循环烧结工艺过程数值模拟

　　各循环段由补氧风机补充氧气，使循环烟气的O2含量保持在21%。烟气循环烧结工艺与常规烧结工艺最大的不同，就是入口空气各组分含量和温度的变化。对点火阶段之后的循环工艺进行模拟，本文对三种方案进行研究，方案一循环3次，每次循环长度为15米；方案二循环4次，每次循环长度为11.1米；方案三循环5次，每次循环长度为9.24米。首先取常规烧结过程高温段的烟气平均温度作为第一段的循环气体温度，高温段各烟气成分含量平均值作为第一段循环入口烟气成分。随后各段循环气体入口温度及成分含量为前一段出口气体温度及成分含量的平均值，入口气体成分保持O2含量为21%，烟气全循环工艺各次循环出入口如图7所示，三种方案各次循环入口出口参数如表2、表3、表4所示。

表2  方案一入口及出口参数

Table 1  Calculation results of power

表3  方案二入口及出口参数

Table 1  Calculation results of power

表4  方案三入口及出口参数

Table 1  Calculation results of power

4.2.1  料层温度分布

如图8中所示，应用本烟气全循环工艺后，三种方案料层最高燃烧温度得到显著提升，对于高度为0.47m处的料层来说，三种方案温度在1100K以上的时间分别延长了82s、46s、35s，保温效果明显。对于料层温度的提高，方案一效果最明显，这是因为方案一对高温烟气的循环时间长，方案一不同深度料层的平均温度如图9所示。

　　1-常规烧结料高0.47m处温度曲线；2-方案一料高0.47m处温度曲线

　　3-方案二料高0.47m处温度曲线；4-方案三料高0.47m处温度曲线

　　5-常规烧结料高0.3m处温度曲线；6-方案一料高0.3m处温度曲线

　　7-方案二料高0.3m处温度曲线；8-方案三料高0.3m处温度曲线

　　图8 常规烧结与三种循环烧结方案的温度曲线对比

　　Fig.1 Temperature curves

　　1-料高0.47m处；2-料高0.3m处；3-料高0.2m处；

　　4-料高0.1m处；5-料高0.01m处

　　图9 方案一不同深度处烧结矿平均温度

　　Fig.1 Temperature curves

　　4.2.2 烟气成分含量

　　由图10可得，烟气全循环烧结工艺一直对料层通入高温烟气，促进反应进行，可以有效解决常规烧结过程初期燃烧不稳定的问题，方案一的O2消耗量最大，且O2含量一直比较稳定，方案二次之，方案三虽然O2消耗量小于方案一和方案二，但是还是大于常规烧结工艺。

　　1-常规烧结O2含量；2-方案一O2含量；3-方案二O2含量；4-方案三O2含量

　　图10 O2含量随时间的变化曲线

　　Fig.1 Temperature curves

　　从图11中可得，运用烟气全循环烧结工艺后，前100s内CO2生成速率加快，说明反应速率加快。在每一次循环之间，CO2含量都会跃升，说明对CO2产生了富集，循环次数越多富集程度越大，大约在1100s~1500s时CO2含量最高，此时将烟气排出，防止CO2继续富集。

　　1-常规烧结CO2含量；2-方案一CO2含量；3-方案二CO2含量；4-方案三CO2含量

　　图11 CO2含量随时间的变化

　　Fig.1 Temperature curves

　　图12可得，使用本烟气全循环烧结工艺以后，CO含量增多，虽然CO燃烧提高了温度，但参加反应的CO的数量有限，随后也产生了一定的富集。

　　1-常规烧结CO含量；2-方案一CO含量；3-方案二CO含量；4-方案三CO含量

　　图12 CO含量随时间的变化

　　Fig.1 Temperature curves

　　综合图10、图11、图12可以得出，一方面入口循环烟气成分能在很大程度上影响出口烟气各组分含量，这部分烟气经过料层发生反应的比例极低，几乎都进入下一段循环；另一方面前期入口循环烟气温度较高，提高了料层温度，促进了燃料燃烧。

　　由图13可得，循环烟气中SO2含量升高，特别是在1000s~1500s范围内，SO2含量的最高值显著提升，表明SO2气体得到了富集，循环次数越多富集程度越大，有利于SO2 的集中处理。

　　1-常规烧结SO2含量；2-方案一SO2含量；3-方案二SO2含量；4-方案三SO2含量

　　图13 SO2含量随时间的变化

　　Fig.1 Temperature curves

　　4.3 烟气全循环烧结工艺评价

　　以下将分别从料层最高温度、高温持续时间、料层冷却速度、烧结时间、减排量五方面来对本工艺进行评价。

　　由图14可知，常规烧结料层高度为0.47m、0.3m处的温度较低，不利于烧结矿性能的提高。采用本循环工艺后，三种方案均能提高料层最高温度，方案一的升温效果明显，0.47m、0.3m、0.2m、0.1m、0.01m处的料层最高温度分别提高了44.59k、26.23k、15.74、6.17k、2.62k，对于改善上部料层烧不透现象有较好的作用。

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　　1-常规烧结料层；2-方案一料层；3-方案二料层；4-方案三料层

　　图14 料层不同高度最高温度对比曲线图

　　Fig.1 Temperature curves

　　从图15得出，三种方案循环工艺的料层高温持续时间均大于常规工艺，并且越接近料层上表面，料层高温持续时间延长越明显，有利于各项化学反应进行。其中方案一效果最明显，料层温度场更加稳定，同时对上部料层进行了保温，方案一不同料层高度的高温持续时间相对于常规烧结工艺分别提升了47.5s、14.9s、12.9s、4.7s。

　　1-常规烧结；2-方案一；3-方案二；4-方案四

　　图15 不同料层高度高温持续时间曲线图

　　Fig.1 Temperature curves

　　从图16可得，常规烧结工艺条件下，料层不同高度冷却速度分别为78K/min、73 K/min、66 K/min、60 K/min，烟气全循环烧结工艺对料层冷却速度的降低有积极作用，三种方案均能降低料层冷却速度，其中方案一效果最好。冷却速度小，料层温度场越平稳，为料层内的化学反应提供了良好的环境。

　　常规烧结的烧结时间为1850s，烟气全循环烧结工艺三种方案的烧结时间分别为1829s、1835s、1842s，烧结时间均缩短，可以提高烧结机产量。

　　对于本模型来说，空气流量为90m3/(m2•min)，常规烧结烟气排放量为972000m3/h，烟气全循环烧结工艺方案一的烟气排放量为321367 m3/h，方案二的烟气排放量为289892 m3/h，方案三的烟气排放量为277511m3/h，减排率达到67%、70%、72%，说明循环次数增多，可以减少烟气的排放量。

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　　1-常规烧结；2-方案一；3-方案二；4-方案四

　　图16 不同料层高度降温速率曲线图

　　Fig.1 Temperature curves

　　通过以上分析对比可得，本烟气全循环烧结工艺在料层最高温度、高温持续时间、料层冷却速度、烧结时间、减排量五方面均优于常规烧结工艺，烟气全循环烧结工艺能促进烧结过程更好的进行，且循环次数越多减排量越大。因此，本文提出的烟气全循环烧结工艺对烧结行业的发展具有借鉴意义。

　　5 结论

　　(1)结论一：烟气全循环烧结工艺对料层上部最高温度的提升有积极作用，改善了料层温度分布的均匀性。

　　(2)结论二：方案一能提高料层的最高温度，0.47m、0.3m处料层最高温度分别提高了44.59K、26.23K，高温持续时间分别提高了47.5s、14.9s，且料层冷却速度分别下降了13 K/min、9 K/min，效果显著；方案三减排率最高，并且可以对SO2起到富集作用，提高污染物脱除效率。