（矿物加工工程专业论文）铁矿石烧结中燃料合理分布的研究.pdf

摘要 烧结工艺是钢铁联合企业重要的一环，它的各项技术经济指标直 接影响整个钢铁工业的效益。企业为了降低成本，广泛采用新技术降 低能耗，烧结工序是整个钢铁行业的能耗大户，其能耗约占钢铁厂总 能耗的十分之一，仅次子炼铁，是钢铁生产的第二耗能大户。据资料 表明，烧结工序能耗中，固体燃料占7 6 7 左右，电力占1 7 2 左右， 煤气占5 1 左右，因此降低燃料消耗是降低烧结工序能耗的重点措 施。 燃料的合理分布就是利用厚料层烧结中“自动蓄热”的作用，沿 料层高度方向自上而下减少燃料用量，使烧结料层从上到下保持稳定 的高温，从而达到优质、高产和低耗的烧结效果。 本文在广泛查阅国内外文献后，确定了烧结过程温度和自动蓄热 以及燃料合理分布与自动蓄热间的关系，建立了燃料合理分布模型。 采用燃料合理分布模型对宝钢原料烧结计算得到各单元可利用 蓄热率为：第二单元3 6 7 7 ，第三单元4 8 8 7 ，第四单元5 3 6 3 ， 第五单元5 5 4 6 ，第六单元5 4 5 2 。 燃料合理分布烧结试验将混合料分为三层，上层焦粉用量为 4 9 ，中层焦粉用量为4 3 ，下层焦粉用量为3 4 ，混合料平均焦 粉用量为4 2 ，水分用量为7 6 。在上述条件下所得烧结矿转鼓强 度6 2 1 3 ，成品率8 0 0 2 ，利用系数1 8 5 t m 2t 1 ，固体燃耗5 3 8 5 k g t - s 。 比基准烧结可节约固体燃耗3 6 9 k g t - s 。 本文还就宝钢现场实际布料的情况，推荐了气流布料的方法，对 燃料合理分布的工业应用进行了初步的研究。同时通过对物料经反射 板后在台车上的落点进行了理论的研究。 关键词铁矿石，烧结，燃料合理分布，自动蓄热，偏析布料，气流 布料 i i|-i i n f o r m a t i o nr e v e a l st h a ts o l i df u e lc o n s u m ei sa b o u t7 6 7 e l e c t r i cp o w e r c o n s u m ei sa b o u t1 7 2 a n dc o a lg a sc o n s u m ei sa b o u t5 1 d u r i n g s i n t e r i n gp r o c e s s t h e r e f o r e f u e ls a v i n gi s a l li m p o r t a n tm e a s u r et o d e c r e a s ee n e r g yc o n s u m ei ns i n t e r i n gp r o c e s s f u e la p p r o p r i a t ed i s t r i b u t i o nm a k eu s eo ft h es e l fh e a ta c c u m u l a t i o n i nm a t e r i a lb e d a n dd e d u c et h es o l i df u e lc o n s u m ef r o mt h eu p p e rt o l o w e rm a t e r i a lh e i g h ta n dk e e dh i g ht e m p e r a t u r ez o n es t e a d yi nt h ew h o l e m a t e r i a lb e d , i no r d e rt oa c h i e v eh i 曲q u a l i t y ，h i 曲y i e l da n dl o we n e r g y c o n s u m p t i o ns i n t e r i n g a f t e rl i t e r a t u r e si ni n t e m a la n da b r o a di n f e r e d ，t h er e l a t i o n so fb o t h t e m p e r a t u r e si ns i n t e r i n gp r o c e s sa n df u e la p p r o p r i a t ed i s t r i b u t i o nb e t w e e n t h es e l fa c c u m u l a t i o no fh e a ta r es u r e d ，t h em o d e lo ff u e la p p r o p r i a t e d i s t r i b u t i o ni sb u i l t t h em o d e lo ff u e la p p r o p r i a t ed i s t r i b u t i o na n dr a wm a t e r i a l so fb a o s t e e la r es t u d i e d , t h ea v a i l a b l eh e a ta c c u m u l a t i o nr a t i oi sc a l c u l a t e da n d r e s u l ti st h a tt h es e c o n du n i ti s3 6 7 7 ，t h et h i r du n i ti s4 8 8 7 t h ef o r t h u n i ti s5 3 6 3 ，t h ef i 劬u n i ti s5 5 4 6 t h es i x t hu n i ti s5 4 5 2 m a t e r i a lb e do ff u e la p p r o p r i a t ed i s t r i b u t i o ns i n t e r i n ge x p e r i m e n t si s d i v i d e di n t ot h r e eu n i t s ，a n df u e ld i s t r i b u t i o ni sa sf o l l o w ，t h eu p p e rb e di s 4 9 ，t h em i d d l eo fb e di s4 3 ，t h el o w e rb e di s3 4 ，a v e r a g ec o k ei s 4 2 ，m o i s t u r ei s7 6 ，t u m b l e rs t r e n g t hi s6 2 1 3 p a ny i e l di s 8 0 0 2 。，s t r a n dp r o d u c t i v i t yi s1 8 5 t m 2 ha n ds o l i df u e lu s i n gi s 5 3 8 5 k g t - sw h i c hi s3 6 9 k g t sf e w e rt h a nn o r m a ls i n t e r i n ge x p e r i m e n t s i nt h i s a r t i c l e ，s t r e a m d i s t r i b u t o ri s r e c o m m e n d e d ；i n d u s t r y a p p l i c a t i o no ff u e la p p r o p r i a t ed i s t r i b u t i o ni sp r e l i m i n a r yr e s e a r c h e da n d t h el a n d i n go f m a t e r i a l sf r o mr e f l e c t o rt op a l l e t k e yw o r d si r o no r e ，s i n t e r i n g r u e la p p r o p r i a t ed i s t r i b u t i o n , a u t oh e a t a c c u m u l a t i o n , s e g r e g a t i o nd i s t r i b u t i o n , s t r e a md i s t r i b u t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：遵日期型年月望日 关于学位论文使用授权说明 。本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，i i - 学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：至堑导师签名：茎立洋日期：盟毗月丛日 1 1 烧结中燃料合理分布的研究及应用 燃料的合理分布就是利用厚料层烧结中“自动蓄热”的作用，沿料层高度 方向自上而下减少燃料用量，使烧结料层自上而下保持稳定的高温，从而达到 优质、高产和低耗的烧结效果。 1 1 1 厚料层烧结 2 0 世纪8 0 年代以前，国内外烧结采用较低料层烧结，自动蓄热作用不明 显。从8 0 年代初开始，国内外烧结就不断向厚料层方向发展。国内烧结行业 的料层厚度由3 0 0 m m 以下逐步提高到6 0 0 m m ，甚至更高0 - 4 1 。随着料层高度的 增加，“自动蓄热”作用加强。料层为1 8 0 2 2 0 m m 时，蓄热占燃烧带总收入的 3 5 左右；而料层为4 0 0 m m 以上时，蓄热占燃烧带总收入的5 5 左右【5 4 3 i 。 ( 1 ) 厚料层烧结对垂直烧结速度的影响 一般来说，在烧结抽风机能力不变的条件下，随着料层厚度增加，垂直烧 结速度降低。原因有四：其一，料层提高，空气通过料层的路径延长，压力损 失增大；其二，随料层厚度增加，在料层的重力作用下，下部料被压紧，因而 阻力增加；其三，料层提高后，高温熔融层厚度相对增加，也将造成阻力增加； 其四，在料温较低时，易产生过湿，导致透气性恶化。以武钢一烧车间为例， 当料层为3 0 0 m m 时，垂直烧结速度为2 5 m m m i n 左右；当料层提高到4 2 0 m m 时，垂直烧结速度降至2 2 m m m i n 左右：而目前料层达6 0 0 m m 时，垂直烧结 速度只有2 0 m m m i n 左右u 4 1 。 ( 2 ) 厚料层烧结对成品率的影响 烧结料层提高后，成品率提高。其主要原因在于：料层提高后，表层未烧 好及强度较差的烧结矿相对减少。另外，随料层提高，机速减慢，点火时间相 应延长，使料层上部供热比较充足，表层烧结矿强度得到改善。同时，由于整 个烧结过程热交换充分，料层内自动蓄热量增加，高温保持时间延长，整个烧 结矿的强度得到提高，因此烧结矿的成品率增加。 ( 3 ) 厚料层烧结对转鼓强度的影响 厚料层烧结能改善烧结矿强度，主要是因为随着料层提高，自动蓄热作用 硕七学位论文第一章文献综述 增强，料层内高温保持时间相对增加，有利于各种物理化学反应的充分进行， 以及粘结相矿物的结晶和再结晶，晶粒发育良好，使烧结矿的结构得到改善。 另外，表层烧结矿比例减少也是强度提高的原因之一。所以，整个烧结矿的强 度得到提高。烧结料层从2 0 0 m m 提高到3 0 0 m m ，烧结矿转鼓指数提高3 4 ； 烧结料层从3 0 0 m m 提高到4 2 0 m m ，转鼓指数提高5 ；烧结料层从4 2 0 m m 提 高到5 0 0 m m ，转鼓指数提高7 1 烧结料层从5 0 0 m m 提高到6 0 0 m m 后，转鼓 指数提高8 t “1 6 1 。 ( 4 ) 厚料层烧结对f e 0 和还原性的影响 料层提高以后，烧结矿中的f e o 含量降低，其主要原因是由于厚料层烧结 的“自动蓄热作用”加强，可以减少固体燃料的配入量，使烧结过程氧化气氛 增强，同时料层内最高温度有所下降，使低价铁的氧化增加，高价铁氧化物的 分解减少，因此f e o 含量减少。当然，影响烧结矿f e o 含量的因素还很多，如 烧结矿碱度、原料结构及操作制度等。 研究结果和生产实践表明。厚料层烧结能改善烧结矿的还原性【1 7 之o 】。一般 来说，f e o 越低，还原性越好。厚料层烧结降低使烧结矿中f e o 含量，所以其 还原性也得到改善。另外，还原性与烧结矿的结构有关。因为厚料层烧结时， 料层内高温保持时间相对增加，有利于粘结相矿物的结晶和再结晶，烧结矿中 晶体发育完全，多呈自形晶和半白形晶，气孔大小与分布趋于均匀，为还原过 程创造了良好的条件。 ( 5 ) 厚料层烧结可节约固体燃料消耗及降低工序能耗 随着料层的增高，“自动蓄热”作用增强。当料层厚度为1 8 0 2 2 0 m m 时， 蓄热只占燃烧带总收入的3 5 4 5 ，而料层厚度为4 0 0 m m 时，蓄热达5 5 6 0 1 2 1 - 2 4 1 。所以进行厚科层烧结，利用蓄热，可以减少烧结料中的燃料用量， 降低固体燃料消耗。 表1 - 1 料层厚度与能耗的关系( 武钢一烧) 日本研究认为，料层每增加l o m m ，燃耗可降低0 3 2 o k g t - s 【2 5 2 6 1 以武 钢一烧车间为例，料层厚度与燃耗的关系见表卜1 。 i1 j j， 1 硕十学伊论文第一章文献综述 烧结料层提高后，每吨烧结矿的点火面积比相对减少。因此必然减少烧结 矿的气体燃料消耗。采用厚料层烧结后，点火的目的只限于将混合料中的燃料 点着。若降低点火温度，点火消耗的热量亦大幅度下降，节约了烧结矿的气体 燃耗 2 7 - 3 2 1 。 “自动蓄热作用”会使下部料层最高温度高于上部料层。实践证明，上部 料层烧结最高温度一般仅为1 1 0 0 1 2 0 0 ，最下部料层则可高达1 3 0 0 1 6 0 0 。这会使下部烧结料发生过熔，既影响了产品质量，又浪费了能量。为 避免这种上层能量不足、下层物料过熔的现象，可以沿料层高度方向逐渐减少 燃料用量，降低固体燃料消耗使用，目前使用较多的办法是偏析布料法。 1 1 2 铁矿烧结的节能途径 在整个钢铁工业中，烧结生产的燃料消耗占1 0 1 5 。从烧结矿的加工 成本来看，燃料费用约占4 0 以上，所以，在不降低烧结产质量的前提下，采 取均热烧结，最大幅度地降低烧结过程中的固体燃料消耗，对降低烧结矿成本 将有重大意义。9 0 年代我国与外国相比，平均每吨烧结矿能耗要高出2 0 k g 标 准煤【3 3 3 4 1 。由此可见，我国烧结节能的潜力是很大的。 ( 1 ) 控制燃料粒度，提高燃料利用率 燃料的反应性、粒度以及其它外部条件都将影响燃料的燃烧速度。为充分 利用燃料的燃烧热，提高燃料利用率，需合理选择燃料粒度以及粒度分布。过 细的燃料在烧结时将急速过早地燃烧，导致废气中c o 含量增加，由此造成潜 热损失；太粗的燃料则在通过了燃烧带后仍未燃烧完，故不能在烧结反应中充 分利用。烧结所用固体燃料的粒度与混合料的特性有关，一般在精矿烧结时， 固体燃料的最好粒度范围是o 5 - 3 o m m l 3 7 1 。总之，燃料的破碎应注意使其粒 度处于最佳范围，提高燃料的利用率。 ( 2 ) 燃料分加，改善固体燃料的燃烧条件 3 8 - 4 5 1 由于近年来普遍加强了混合制粒作业，传统的燃料添加方法会造成矿粉深 层包裹焦粒，从而妨碍燃料颗粒的燃烧。燃料分加则是把少部分细粒燃料加入 一次混合机，把大部分燃料( 往往是粗粒) 加入二次混合机，这样，以燃料为 核心外裹矿粉的球粒数量及深层嵌埋于矿粉附着层的燃料数量都受到限制，而 大多数燃料附着在球粒表层，从而处于有利的燃烧状态。因此，燃料分加有利 于燃料的燃烧和降低固体燃耗。 燃料在烧结过程中可能进行的化学反应为： c + 0 2 = c 0 2 + 4 0 8 8 4 k j m o l 3 降低，如配加轧钢皮，利用其中的f e o 在烧结过程中氧化放热，可以降低固体 燃耗。另外，也可以配加镍渣及硼镁砂等添加剂，改变混合料成分，最终达到 节能降耗的目的。研究表明，混合料中脉石成分，如a 1 2 0 3 结晶水、碳酸盐、 f e o 等的含量都会影响烧结过程固体燃料的消耗。原料中每增加l a 1 2 0 3 ，每 吨烧结矿需多耗7 2 3 k g 的标准煤；结晶水每上升1 ，需多耗标准煤2 5 k g ； f e o 每增加l ，则可节约标准煤l 3 k ，混合料中水分每增加l ，烧结过程 将多耗热量4 6 k j l 4 ”。 通过控制烧结温度、氧化还原气氛以及配料组分等，抑制或促进烧结过程 中某些物化反应得进行，如减少烧结过程中f e o 的生成，用铁酸钙为主体的结 晶相替代硅酸盐粘结相等，也是节约固体燃料的有效措施。研究认为，每吨烧 结矿每生成1 f e o 需多消耗固定碳4 2 k g 。 ( 4 ) 开发余热利用技术5 2 删 把冷却机废气和烧结烟气的余热加以利用是烧结节能的重要途径和发展趋 势。目前国内烧结厂的余热回收装置，用于点火保温炉作助燃空气和小球团烧 结干燥及生产热水供浴室、取暖、生石灰消化。更重要的是生产蒸汽，通入二 次混合机预热混合料以获取更大的经济效益。目前国内某烧结厂为回收冷却机 废气余热，设计了一种翅片管式蒸汽发生系统。该系统主要由蒸发器( 包括换 热管束、集汽管、箱体) 、水预热器、过热器( 根据用户要求) 、汽包及连接管 路组成，其中蒸发器受热面均采用高频焊接翅片管，达到强化传热的目的，因 而整套装置传热效率高，工作安全稳定，寿命长，设备结构紧凑。全套设备远 行可靠，操作简单，维修方便。利用余热所产生蒸汽可作生活用汽，也可以加 热混合料。 1 1 3 研究燃料合理分布的目的和意义 烧结过程中进行着一系列复杂的物理化学变化，而这些变化的前提是一定 的温度和必要的热量。烧结料层要求的热量和温度由燃烧产生的废气提供，并 由传热及蓄热决定。在物料与垂直气流的传热过程中，存在一定热量积蓄速度， 4 硕十学付论史 第章文献综述 可采取温度分割单元的方法来讨论其蓄热作用。第一单元的热收入是由点火传 热及混合料中焦炭的燃烧热。热支出为：( 1 ) 加热混合料层混合料所需的热： ( 2 ) 加热废气所需的热：( 3 ) 加热混合科中含水及其蒸发所需的热；( 4 ) 料中 r e 2 0 3 转变为2 f e o s i 0 2 所需的热；( 5 ) 热损失。下面第二单元的热收入应增 加上层废气加热该层物料的热以及为上层烧结矿加热而进入该层空气的热，蓄 热量可达热的总收入的6 2 5 。 烧结过程不是一个等温过程，一般所指的烧结温度只反映烧结料层中某一 层所达到的最高温度。烧结料层温度分布、高温区( 即燃烧层) 的移动速度( 亦 称垂直烧结速度) 、温度水平以及高温区厚度等，对烧结过程的影响很大。高温 区移动速度是决定烧结产量的主要因素。产量同垂直烧结速度基本成正比关系， 但烧结速度过快，也会引起温度下降，成品率降低。高温区的温度水平对烧结 矿的机械强度影响很大；但温度过高又会产生过熔，导致烧结矿的还原性变坏， 并且会使烧结速度降低。烧结过程中，料层的温度变化规律是：料层上部温度 较低，愈到料层下部温度愈高。当燃烧层至炉篦时，由于燃料已燃烧完，且过 剩空气大大增加，温度又逐渐降低。料层上下部温度不均匀的现象，给烧结成 品的质量带来不利影响。下部料层由于燃烧温度高，烧结矿产生过熔，造成还 原性变差；上层烧结矿受到抽入冷空气的强化冷却，冷却速度过快，造成强度 变差。因此，保证燃烧层在上、下部具有适当而均匀的温度水平，是烧结过程 合理加热制度的基本要求。 铁矿烧结中燃料合理分布研究是着眼于烧结料层的均热烧结，目的是利用 厚料层烧结的“自动蓄热”作用，使上下料层的热量得到合理的分配。当烧结 混合料经布料装置装入烧结台车，料层点火后，由于抽风的结果，高温带不断 下移。在料层含有一定燃料的情况下，燃烧带最高温度逐步提高，即料层中产 生“自动蓄热”现象。正是由于“自动蓄热”现象的存在及其不可避免性，烧 结料层上部热量不足，料层温度较低，导致料层未烧结完全，出现较多生料； 同时料层下部热量过剩导致下部烧结矿过熔，将严重影响烧结矿产质量指标。 通过合理的偏析布料，均热烧结使烧结上下料层的热量得到合理的分配，烧结 料层内保持较稳定高温水平，从而提高烧结矿的均匀性和烧结矿产质量，达到 烧结节能降耗的目的。 燃料合理分布的意义：烧结燃料费用占烧结矿的加工费的4 0 以上，在不 降低烧结矿产质量的前提下，最大幅度地降低烧结过程中的固体燃料消耗，对 降低烧结矿成本将有重大意义。同时利用厚料层烧结的“自动蓄热”作用，确 定燃料沿料层高度方向的分布规律，对提高烧结矿产质量也有决定性意义。 随着烧结料层自动蓄热量不断的增大，燃料用量沿料层由上至下不断减少。 lr； l 随着烧结生产技术的发展及计算机的引入，使人们有可能在某一原料及工 艺设备条件下对烧结矿产质量及能耗进行预测，或者在生产上达到一定的目标 值而寻找最佳的烧结工艺参数。国外对烧结数学模型的研究始于六十年代，我 国在这领域起步较晚，始于八十年代。随着对烧结过程本质的深入分析，及烧 结过程中各变量之间的相互关系进行越来越全面的研究，烧结数学模型更能准 确反映烧结过程中各变量问规律，促使烧结行业进一步发展。 1 , 2 1 烧结数学模型研究现状 1 制粒模型畔i ：a g 沃特斯等人在前人研究的基础上，建立了一个制粒 模型。可预测多组分烧结混合料粒度分布以及用于定量地比较不同混合矿的制 粒效果，具有较高的灵敏度。 2 透气性模型1 6 5 1 ：佐藤骏等人在经典的v o i c e 公式和e r g u n 方程优点的 基础上对原料特性、混合料特性、操作条件等作了全面的数学分析，制粒透气 性的模型预测值同实测值有较好的一致性。 3 床层模型 6 6 1 ：北京科技大学的许瑞图模拟了烧结过程床层结构变化的 规律，以e r g u n 方程为基础，建立了烧结床层结构变化的方程，用参数估计的 方法根据最优化理论和实验结果估计了床层结构的初始值和终了值，分析了烧 结过程床层结构的变化与压力损失之间的变化规律性。 4 铁矿石烧结过程综合模拟模型 6 7 1 ：日本的t a k a z ok a w a g u e h i 等对烧结 过程综合模拟模型进行了深入的研究。如风量分布模型、料层各带分布模型、 反应速度模型、温度场模型组成的综合模型，用于揭示料层中的热状态，指示 烧结终点；还如由透气性、加热曲线、熔融、矿物组成、气孔和质量等子模型 组成的综合模型，用于预报烧结矿的质量、能耗、利用系数以及其他烧结过程 的操作指标等。 5 风速分布模型【6 8 1 ；日本的m i t s u os a i n o 等通过测定烧结机长度方向上4 个点的风速值，在线推算有关燃烧带最高温度和风速度分布，也可用于对烧结 机操作生产的动态特性进行解析。 6 烧结过程数学模型1 6 9 1 ：东北工学院的黎建明建立了一个烧结过程数学 6 硕士学竹论文第一章文献综述 模型，整个模型由风量分布及料层各带分布模型、主要反应的速度模型和温度 场模型三部分组成，利用混合料特性，进出料层的气体特征和操作条件的信息 作为输入数据，模型就能定出风量分布、料层中各带分布以及料层中的温度场。 7 烧结料层温度分布模型【7 0 】：北京科技大学的龚一波等以烧结理论为基 础，建立了一个简易可行的烧结料层温度分布模型，根据料层各带特点，对模 型进行了简化，求出了解析解，对各带的解析解做了分析，提出了垂直传热距 离指数和水平传热距离指数的概念，以统一的形式给出各带的解析解。 8 简单的熔融模型：将加热特性曲线、粒度分布、化学成分以及高温粒 子孔隙率作为影响烧结过程熔融特性的主要因素建立的数学模型，由于烧结过 程温度变化很快，烧结过程的复杂性，该模型还应进一步改进和完善。 由以上总结可以看出，烧结过程的数学模型很多，而且正向着综合性、智 能化的方向发展。对于烧结过程的机理模型，尽管比较容易地用数学角度进行 描述，但由于对烧结过程机理了解的限制，还有许多不完善的地方。如烧结过 程中料床关键参数在某些温度区域的瞬态变化目前还没有较好的确定方法；烧 结过程的温度变化，尤其是高温区变化是十分迅速的，数学模型的数值解是否 收敛是必须考虑的问题，而采用合适的数值解法是关键技术。由于烧结过程的 特殊性，一些关键参数的变化还没法用实验的方法进行测定。所以在建立机理 模型时，采用了过多的假定条件、经验关系式。另外，对于烧结过程，使用不 同的燃料、原料，其过程变化是不一样的，如目前日本、宝钢等都积极使用含 较多结晶水的褐铁矿以降低成本，那么在模型中就要考虑结晶水的分解；其机 理的了解是建立精确模型的基础【7 1 4 5 1 。 1 2 2 烧结过程温度分布的研究 烧结过程蓄热作用与烧结过程中燃烧带最高温度分布有关，要对烧结过程 蓄热研究就必须对烧结过程中温度分布有深入的研究。 1 北京科技大学的夏德宏等对烧结过程中传热传质的分析研究，建立全 温度范围烧结过程的数学模型，并在此基础上进行烧结过程的热工分析和操作 工艺的优化探讨【6 1 。 考虑到烧结过程五个带的特点，将整个烧结过程分为气体与物料之间的交 叉换热和燃烧带的复杂物理化学反应两种换热形式，因而建立两个换热模型。 ( 1 ) 烧结过程中气体与物料之间的换热，在烧结过程中，气体从上向下流 动，物料水平移动。换热的示意图见图1 1 。 7 or l 硕士学侍论文第一章文献综述 图1 - 1 气固换热图 采用二维模型，在层内取单元体积d v = d x d y ( 宽度为1 ) ，在d t 时问内，根 据能量守恒定律，通过该单元体积气体从料层得到的热量( 下式左边) 应与气 体从料层得到( 或失去) 的热量使气体在x 和y 两个方向上温度发生变化( 下 式右边) 所表示的相等，即： 口，( f 。一t g ) d x d y d t 咆p ；( w g , x 轰仉，圳 公式( 1 - 1 ) 其中：a ，单位料层体积的给热系数，w ( m 3 ) - 1 c 广单位气体质量热容量，j ( k g ) 一； p 广气体密度，蝇m d ； k 气体温度，； t - l l 料层温度，； w g ，。气体沿x 方向速度，m s 1 ； w g y 气体沿y 方向速度，m s - 1 ； ( 2 ) 燃烧层内的换热，为求得物料的温度，需要建立料层单元热平衡。将 整个烧结机料层内燃烧区不断移动的过程用微小单元层的阶梯变化来表示( 图 1 2 ) ，应用步进阶跃式燃烧层的烧结过程物理模型，建立单元体热平衡方程组。 从一个单元层计算到下一个单元层，这样就可以得到沿层高度的温度分布和沿 烧结机长度的温度分布。 图1 - 2 微小单元层的划分 2 比利时的s w u i u a m e 等利用三种测量装置( 烧结料层温度测量装置、 8 1jj； 1 硕+ 学付论文第一章文献综述 烟气温度测量装置、烧结料层透气性测量装置) 对烧结矿层横向和竖向非均匀 性进行检测和定量分析【7 7 1 。 烧结料层温度曲线的测量方法是：先在烧结台车栏板的适当位置钻孔，然 后将热电偶从剖面横向插入烧结料层，测量点的高度及与栏板的距离均不同( 距 栏扳可达7 5 c m ) 。试验结果表明：( 1 ) 离栏板较近的热电偶比插入料层较深的 热电偶的反应快得多，因此可以断定，燃烧前锋在栏板附近发展更迅速。( 2 ) 测量点的位置对温度曲线和烧结速度的影响很大，测点距料层表面越深，离栏 板越远，则温度曲线越宽。栏扳附近的燃烧前锋速度增加。总而言之，对烧结 温度曲线影响最大的两个参数是：距料层表面的深度及其与栏板的距离。而且 台车连接处的横向漏风和压料辊的影响显然是较小的。整个台车上的温度分布 图表明台车上的烧结矿所经受的温度具有横向非均匀性。 3 日本的中岛龙一等为了实现均匀烧结，研制出一种烧结料层温度状况控 制系统。此控制系统包括两个子系统，一个是烧结科层横向温度状况控制系统， 用于使台车宽度方向上料层烧结状态保持均匀，另一个是烧结料层纵向温度状 况控制系统，用于优化控制烧结机台车速度。 横向温度状况控制系统：为了通过控制布料密度的分布来自动实现b r p ( b u r n i n g r i s i n g p o i n t ) 沿台车宽度方向的均匀分布，研制出一种新型温度状况 控制系统。b r p 的横向分布是根据在间隔为l m 的5 个测定点测得的台车下部 废气温度的上升曲线来确定的。布料密度的横向分布是根据按台车宽度分成5 等分的5 个分段布料闸门的每种开度下料层表面的棱尖设定位来控制的，并且 采用布料厚度作为控制参数。 纵向温度状况控制系统：利用烧结机台车速度与b r p 的纵向位置二者的关 系来控制台车速度，使b r p 在烧结机长度方向上的位置保持稳定。 1 2 3 烧结过程自动蓄热的研究 烧结过程所需热量，主要是通过点火气体或液体燃料的燃烧，以及点火后烧 结混合料中固体燃料的燃烧所放出的热量来供给，因此固体燃料的燃烧，为烧结 过程提供了足够的能量，实现厚料层烧结后，由于料层的提高，不仅固体燃料消 耗降低，而且总的能耗也会降低，这主要是由于“自动蓄热”的结果。“自动蓄 热”作用能提供燃烧层所需热量的4 0 左右。其次，料层提高后，烧结燃料相对 减少，料层内氧化气氛增强，料层中温度分布均匀，低价氧化物氧化放热量增加， 高价氧化物分解热减少。 自动蓄热作用，用图形表示如图1 3 所示【7 8 】。 9 硕十学伊论文第一章文献综述 图卜3 “自动蓄热”作用示意图 q 2 = g s c s i 。，= q ；+ q 蚪一q i q 3 g c s k ，= 鲰+ 御一q l q 由公式( 1 - 2 ) 和( 1 3 ) 合并可得： ，q 外+ n q q i q3 1m a x 2 i i 一 公式( 1 2 ) 公式( 1 - 3 ) 公式( 1 - 4 ) 式中：q ”一点火热； q 莱层高温区烧结料燃烧热； g 。高温区物料质量； q i 滞留于上部热交换区热量； q 广废热离开高温区带走热量； t k 。r 高温区达到的温度水平的平均值； 卅一将料层分为n 层； c s 一高温区物料显比热； q r 加热高温区的热量。 高温区达到的温度水平的平均值l 。的计算公式见公式( 1 4 ) 。 显然，当n q q l 时，l 。上升，即往下层移动高温区温度水平上升、液相 量增加、高温区增宽、垂直烧结速度变慢。料层越厚，则自动蓄热作用越明显。 在最初1 6 0 2 0 0 m m 料层厚度内蓄热量增加较高，随后增加减慢。 据前苏联有文献报道【蚰】，在烧结料层中，燃烧带沿抽风方向自上而下移动， 下层烧结料从燃烧带出来的废气中获得的热量反映了下部料层的蓄热程度。而 空气进入燃烧带足已被上层烧结矿预热，这部分热量反映了上部烧结料的蓄热 程度。 1 0 硕士学伊论文 第一章文献综述 可按下式计算下层烧结料的需热量q 。 q 。= g 口e “一t o ) 式中：g r 一烧结料质量，k g ： 公式( 1 - 5 ) c r 烧结料比热，k j k g ； t t 烧结料进入燃烧带的平均温度，h = 4 0 0 7 0 0 c ； t 旷饶结料仞始温度，。 上部料层的蓄热量以空气被预热的程度来表示。计算空气蓄热量是一项较 复杂的工作。空气所善的热量可根据烧结矿的冷却曲线图通过平衡的方法来计 算。在解决固定料层热交换课题的基础上，提出了计算进入燃烧带的空气预热 温度t b 的公式( 1 - 6 ) 。 铲“，：) x1 - e 一毒寺1 公式( 1 - 6 ) 、 式中：培距表层x 处的空气温度，； t b l 空气初始温度，； t 丑l 上部烧结矿温度，； k 。体积交换系数，k _ = 4 1 8 6 x i 6 x 0 8 6 x l o z x v 0 0 7 7 k j ( m 3 击) ； c b 空气比热，k j m 3 ； v 新合成标准条件下空气进入料层的速度，m h ； x - 一燃烧带距表层距离，m ； 对于加热面移动的实际烧结过程，在为抽过空气所冷却的物料冷却带，物 料的温度f 。沿料高保持恒定是不可能的，此时( 1 - 6 ) 式就不能直接使用。加 之在烧结矿冷却带有热损失，物料最高温度，即烧结矿进入冷却带的温度在大 多数情况下会发生变化，而上部几层的温度较低，下部几层的温度较高。 a k 克洛茨柯认为，燃烧带存在着空气与多孔烧结料之间的对流作用，对 流程度可用空气流的水当量w b 和烧结矿水当量w 。及w b ，w 。的比值来表示。 呒= f x r o g x ( o = f x x c b 贶m = 薏= 而v o x c 8 式中，r a - 一物料堆比重，k g m 3 ； 公式( 1 - 7 ) c r 物料比热，k j k g ： 一燃烧带相对表层的移动速度，m l ； ( 考虑到烧结收缩时的垂 直烧结速度) 。 设当燃烧带移动速度与空气在物料空隙中的平均速度v = v d f 相等时的极 硕十学伊论文第一章文献综述 值为n l o ，妣r t o ；! 掣 r o c b 公式( 1 8 ) 式中：f 一料层空隙率，一般为o 2 o 5 。 m 值可在1 1 1 0 到无穷大之间变化，当v o ( o 时，m 值增大，对于大多数烧结 料m = 0 3 o 5 。 考虑到m 值的这种性质可以认为，附加假设条件的( 1 - 6 ) 式只是在m - - a n o 的个别情况下，用来计算空气进入燃烧带的温度时才是正确的。克洛茨柯在公 式( 1 - 6 ) 中弓l 用函数系数a 和b ，并令a = m - m o , 口；等，则公式 ( i - 6 ) 就可以转变为更接近烧结实际的表达式，即： 。， t o ( 1 一) 一 。彳。( 1 一e m ) t b 5 t b + 。d 一 式中：b o x 段的热损失( 1 3 第n 单元 歹 ( n = 2 ，3 ，4 、5 ) i 第六单元 r 1 n 图2 - 1 料层分层示意图 ( 2 ) 计算方法 自动蓄热计算的基础是物料平衡及热平衡计算。自动蓄热计算示意图见图 i-l-f 一哇竺竺当 。1 。一 r io o 至 l 火卜点火空气物理热h 厂 圆厕j 画 图2 2 自动蓄热计算示意图 烧结料层热收入包括：表层点火保温热、烧结过程放热、铺底料物理热和 上单元废气带入下单元热；烧结料层的热支出包括：烧结耗热、烧结饼物理热、 其它热损失和本单元废气带入下单元热。 表层点火保温热包括：点火燃料化学热、点火燃料物理热、点火空气物理 热、保温段物理热、烧结空气物理热。烧结过程放热包括：固体燃料化学热、 混合料物理热、化学反应放热，氧化铁皮中金属铁放热。烧结耗热包括：水份 蒸发热、碳酸盐分解热、废气带走热、化学不完全燃烧热、烧结矿残碳损失热、 结晶水吸热。 表层点火保温热只对第一层有影响。铺底料物理热只对第三层有影响。其 它项目的热量对三层物料起平均作用。第一单元的本单元废气带入下单元热的 7 0 带入第二单元，作为第二单元热收入的一部分。第一单元的本单元废气带 入下单元热的3 0 和第二单元的本单元废气带入下单元热的7 0 带入第三单 元，作为第三单元热收入一部分1 2 卅，以后各单元以此类推。 自动蓄热计算中热收入及热支出的计算方法如下： ( 1 ) 热收入 1 ) 表层点火保温热q b 点火燃料化学热，即点火煤气燃烧热量q l ，可按下式计算： 硕十学伊论文 第| 二章燃料合理分布计算模犁的建、芏和分析 q r ：v d x q 式中：v r 点火煤气体积用量，n m 3 t s ； p 煤气发热值，l t m 3 。 点火燃料物理热，即点火煤气带入的物理热q 2 ， q 2 - = - c s d x v d t d 式中：c 0 一煤气的平均比热值，k j m 3 ； 廿一点火煤气的温度，。 点火空气物理热q 3 ，可按下式计算： q 3 = c k x v a xl s t 此 式中：c l ，一点火空气的平均比热值，k j m 3 ； i s 一1 m 3 煤气燃烧所需空气量，m 3 ； t m 广点火空气的温度，。 保温段物理热q 4 ，可按下式计算： q 4 - - c s k x t b q f t l a 式中：c ；i 广空气比热，k j n ，； 培保温段温度，； q r _ 保温段风量，o h ； f i 利用系数，t m 2 h ； a 烧结机面积，m 2 。 烧结空气物理热q 5 ，可按下式计算： q 5 = c a x 【g s k p 2 9 x q f ( q x a ) x t k 式中：p 空气空气的密度，k g m 3 ； k 一空气温度，。 因此，q b = q l + q i 十q 3 + q 4 + q 5 2 ) 烧结过程放热q g 固体燃料化学热q 6 ，可按下式计算： q 6 = g c xq y d w ( 1 一w v ) 式中：g c - - 一焦粉用量，k g t - s ： q y d r 焦粉发热值，l o k g ； w 厂一焦粉含水量，。 混合料物理热q ，可按下式计算： q t - - c n x ( or + o f ) x h h - g w c 0 t w 式中：c r 一混合干料比热，k s k g ； g r - 一混合料的质量，k g ； 公式( 2 1 ) 可按下式计算： 公式( 2 2 ) 公式( 2 3 ) 公式( 2 - 4 ) 公式( 2 5 ) 公式( 2 6 ) 公式( 2 7 ) 公式( 2 8 ) q s = q 8 l + q 8 2 + q s3 式中：q 8l 硫化物氧化放热，k j t - s ： q 8 r - f e 0 氧化放热量，k j t - s ； q 8 3 - 成渣热，k j t - s 。 氧化铁皮中合属铁放热q 9 ： q f m f c x q m 式中：m f r 一氧化铁皮含金属f e 质量，k g t - s q r 一金属f e 氧化到f e 2 0 3 放热，k j k g 。 因此，q g = q 6 十q 7 + q 8 + q 9 3 ) 铺底料物理热q p ，可按下式计算： q p 2 c p x g v x b 式中：c p - 卅底料的比热，k j k g ； g r 辅底料的质量，k g t - s o 铺底料的温度，。 4 ) 上单元废气带入下单元热q d 公式( 2 9 ) 公式( 2 - 1 0 ) 公式( 2 1 1 ) 公式( 2 - 1 2 ) 以第二单元为例，本单元废气及烧结矿带入下单元热q 1 1 2 可按下式计算； q1 1 - 2 = q d i x 0 7 公式( 2 - 1 3 ) 再以第六单元即最后一层为例，本单元废气及烧结矿带入下单元热q 1 1 6 可按下式计算： ql 卜6 - q d 4 x o 3 - t - - q d 5 x 0 7公式( 2 - 1 4 ) 根据上面所计算的各项热量收入，因此可计算出总的热量收入： q 萨q b + q a - k q 。- - q d 公式( 2 - 1 5 ) ( 2 ) 热支出 1 ) 烧结耗热q h 水份蒸发热q i ：可按下式计算： q i = c w g w 公式( 2 - 1 6 ) 式中：g r _ - 混合料水分蒸发热，k j ，k g 。 碳酸盐分解热q 2 ，可按下式计算： 硕七学伊论文 第一二章燃料合理分布计算模犁的建芷和分析 q 2 = 3 1 8 9 3 x ( g5 女5 x c a o + g 自i 5 x c a o ) + 2 5 1 6 4 x ( g m x m g o + g 自；i m g o ) 公式( 2 - 1 7 ) 式中：c a o ， m g o 一分别是石灰石，白云石中c a o ，m g o 的含量，； 3 1 8 9 3 ，2 5 1 6 4 _ 玢别是碳酸盐分解出l k g c a o ，m g o 所吸收的 热量，k j k g 。 废气带走热q 3 ，可按下式计算： q 3 = c f x g s x t s公式( 2 一1 8 ) 式中：c f l 一废气的比热，k j ，l 唱； g s ，- 一废气的总量，k g t - s ； 静一废气的温度，。 化学不完全燃烧热q 4 ，按下列公式计算： q a ，- g c ( q d w 一3 3 3 5 6 4 x c y ) ，( 1 一w ) + v o ，( 1 2 6 3 3 6 x c 0 ) 公式( 2 1 9 ) 式中：3 3 3 5 6 4 - 一1 k g 固定碳燃烧放出的热量，l l k g ： q y d 焦碳发热值，取2 8 8 0 0 k j k g ： 1 2 6 3 3 6 一l k g c 0 燃烧放出的热量，k j