铁矿石烧结过程中二氧化碳的生成机理及控制

1 前言

铁矿粉烧结是将含铁粉或细粒料进行高温加热,在不完全熔化的条件下烧结成块的过程。它是许多物理化学变化的综合过程,这个过程错综复杂,在几分钟甚至更短时间内,烧结料就因强烈的热交换从70℃以下被加热到1200~1400℃,与此同时,它还要从固相中产生液相又被迅速冷却而凝固。

硫化物的氧化和去除是烧结生产中必须考虑的一个重要的环节。硫化物中的硫是以硫的气态氧化物形式(如SO2、SO3、)释放到烟气中的,烟气则是通过风箱和风箱支管在主烟道汇集,经电除尘器后由烟囱高空排放。长期以来,二氧化硫的直接排放加剧了酸雨形成,对环境造成了破坏。因此,对烧结过程中二氧化硫的控制已提升了议事日程。二氧化硫其根本是对烧结原料和烧结过程的控制,而烧结烟气脱硫是当前最

常用的二氧化硫减排措施之一。

2 烧结过程中二氧化硫浓度分布特征

由于烧结过程物理化学反应的复杂性,导致了烧结过程中硫元素存在形态的多样性和含硫物质分布不均匀性。二氧化硫经历了析出,,被吸收和再析出的复杂过程,呈现出烧结工艺特有的二氧化硫其他硫化物的

分布特性。

按照物料的烧结状态烧结料层从上到下分成烧成区、燃烧熔融带、干燥预热带以及湿润带。热量从烧结料层的上层向下层传递。湿润带上平面温度?100℃,且含自由水,此处距燃烧熔融带低面(1 000℃以上)仅有几厘米.处于上述两个带之间的干燥预热带被自上而下流动的高温烟气急速加热,干燥预热带的停留时间约为2min左右。在干燥预热带之后,燃料颗粒开始燃烧通过燃烧放出热进一步加热物料,使温度达到1300℃左右,部分物料熔融流动。停止燃烧后床层开始冷却,熔融物再

次固化,,从而完成烧结过程,若按烧结烟气中二氧化硫的行为来区分,整个过程自上而下可以分为二氧化硫扩散析出区,二氧化硫燃烧析出区和二氧化硫吸收区三个区域。二氧化硫燃烧析出区是产生二氧化硫气体的主要区域,它与干燥预热带和燃烧熔融带相对应。以单质和硫化物形式存在的硫在干燥预热带发生的氧化反应中也以气态硫化物的形式释放;以硫酸盐存在的硫在烧结熔带发生的分解反应中也已气态硫化物的形式释放。大部分二氧化硫直接扩散到烟气中去,少部分被液相或固相颗粒包纳或被碱性助剂再吸收成稳定的物质(如CaS)。二氧化硫扩散析出区对应烧成区,在该区域不存在生成二氧化硫的化学反应,主要是烧结块中已生成的二氧化硫向烟气中的扩散。二氧化硫吸收区与湿润相对应,在该区域由于烧结原料中碱性物质和液态水的存在,大部分二氧化碳被吸收,但随着烧结过程的推进,该区域的上端面下移,使其吸收能力和容纳能力逐步降低,在烧结末期该区域消失。二氧化硫在该区域被吸收后生成的亚硫酸盐在通过干燥预热带和烧结熔带时会发

生分解,再次释放出二氧化硫。

3 烧结过程中二氧化硫的产生

铁矿石中的硫通常以硫化物和硫酸盐形式存在,矿物有以硫化物存在的矿物有FeS2、CuFeS2、CuZS、PbS等;以硫酸盐形式存在的有:BaSO4、CaSO4、和MgSO4等。而固体燃料(如煤粉)带入的硫则

以单质硫或者有机硫的形式存在。

在烧结过程中以单质和硫化物形式存在的硫通常在氧化反应中以气态硫化物的形式释放,而以硫酸盐形式

存在的硫则在分解反应中以气态硫化物的形式释放。

黄铁矿(FeS2)是铁矿石经常遇到含硫矿物,它具有较大的分解压,在空气中,在空气中加热到565℃时很容易就分解出一半的硫,因此,在烧结条件下可以分解出硫

元素。黄铁矿的氧化在更低的温度(280℃)就开始了,当温度较低时,从黄铁矿着火(366~437℃)到556℃,硫的蒸气分解压还比较小。

固体燃料中的硫大多以有机硫的形式存在,这种硫的分解需要在较高的温度下进行。一般焦粉中含硫量比无烟煤低,且焦粉中的硫主要为无机硫,易于除去。在干燥预热带锋上面焦粉经历迅速升温的热解过程,相当量的硫已经析出。其中一部分有机硫以CS2和H2S类气体析出,一部分无机硫以元素哩的形式随着焦粉烧时的碳晶阵的破坏而同步析出,然后和O2马上反应变为SO2气体。而其余一部分有机硫和一部分

无机硫则较稳定地存在与焦粉中。

几乎90%以上的硫化物在干燥预热和烧结熔带被氧化成硫的气态化合物而释放,在85%左右的硫酸盐在

热分解过程中被脱除。

4 二氧化硫的再吸收

由于烧结机上空气是自上而下地通过整个烧结料层,携带二氧化硫的烟气不可避免的要通过每个区域,在这些区域内也不可避免的发生烧结原料与助剂对二氧化硫的再吸收,。其中以润湿带对二氧化硫的吸收作用最强。湿润带中村在大量的的可在湿润条件下与二氧化碳硫反应的碱性溶剂(生石灰CaO)和弱酸盐(石灰石CaCO3、白云石CaCO3.MgCO3菱美石MgCO3)。二氧化碳和这些物质所处气氛不同,,导致它们之间反应的不同,以生石灰(CaO)、硫化钙(CaS)和硫酸钙(CaSO4)的存在条件和转化条件为例。

一定温度下,由于O2的分积压和SO2的浓度不同,可使CaO极其固硫产物以下三种不同的稳态出现。由于烧结过程是许多物理化学变化的综合过程,这个过程错综复杂,在不同反应带中有不同的反应气氛。