球团竖炉大型化和高效化的关键问题

1、第 17卷第 2期2007年 2月 中国冶金 China Metallurgy Vol. 17,No. 2 Feb.2007基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50334020作者简介 :董 辉 (19692 , 男 , 博士 , 讲师 ; E 2m ail :dhdjc 126. com ; 修订日期 :2006209228球团竖炉大型化和高效化的关键问题董 辉 1, 蔡九菊 1, 王国胜 2, 蔡漳平 3, 王 峰 3, 刘国防 3(1. 东北大学国家环境保护生态工业重点实验室 , 辽宁 沈阳 110004;2. 沈阳化工学院化学工程学院 ,辽宁 沈阳 110142;3. 济南钢铁股份

2、有限公司 , 山东 济南 250101摘 要 :中国 “ 导风墙 2烘干床” 式球团竖炉的根本出路在于大型化和高效化 。 基于此 , 从炉窑热工角度阐述了中 国球团竖炉大型化和高效化的典型关键问题 。 研究表明 , 炉内气固水当量比 、 预热 2焙烧带高度和焙烧带宽度等 问题是球团竖炉大型化和高效化的关键问题 ; 从炉内焙烧风 2球团间的气固传热方程和热平衡方程确定竖炉在某 产量下的气固水当量比 ; 从球团焙烧工艺和炉内气体流动等角度确定预热 2焙烧带高度 ; 从焙烧风在焙烧带宽度 上的分布均匀性等角度确定焙烧带宽度 。 关键词 :球团 ; 竖式炉 ; 冶金炉 ; 大型化 ; 高效化 ; 热工

3、中图分类号 :TF521. 1 文献标识码 :A 文章编号 :100629356(2007 0220001204K ey Problems of Large 2Scale and High 2E ff iciencyfor Pelletizing Shaft FurnaceDON G Hui 1, CA I Jiu 2ju 1, WAN G Guo 2sheng 2, CA I Zhang 2ping 3, WAN G Feng 3, L IU 2(1. SEPA Key Laboratory on Eco 2Industry , , , ; 2. Institute of Chemical

4、Engineering , 110142, , , Sandong , China Abstract :shaft urnace (PSF with internal vertical air channels (IVAC and drying bed is a co nven 2tional pellet roasting equip ment in China. With the great increase of iron and steel output , it is more difficult to adapt the situation for PSF because of i

5、ts inefficient output , therefore , it is of great imminence to enlarge its scale and improve its efficiency. From the aspect of thermal engineering of metallurgical furnace , three key problems were put forward scientifically to enlarge the scope of production and improve efficiency for PSF with IV

6、AC and drying bed :gas 2solid water equivalent ration , height of preheating 2roasting zone and width of roasting zone. Mo 2reover , some conclusions were drawn as follows :the desirable gas 2solid water equivalent ratio may be determined by the equations of gas 2solid heat exchange and thermal equi

7、librium ; the height of preheating 2roasting zone may be defined f rom the aspects of roasting technicque of pellet and gas flow in PSF ;the width of roasting zone may be ob 2tained by the view of roasting gas distribution in roasting zone.K ey w ords :pellet ; shaft f urnace ; metallurgical f urnac

8、e ; large 2scale ; high efficiency ; thermal engineering 近年来 , 随着钢铁产量的逐年增长 , 炼铁高炉对球团矿的需求量与日剧增 。 根据现代高炉合理炉料 结构的要求 , 国内高炉炉料中酸性球团矿的合理比 例应在 25%30%, 而许多大中型企业的高炉炉料 中球团矿比例还不到 15%。目前 , 国内球团矿生产 能力仅占需求量的 50%左右 , 每年需进口球团矿约 1600万 t 。 因此 , 提高球团的生产能力是中国钢铁 界的当务之急 。生产球团的常用方法有球团竖炉 法 、 带式焙烧机法和链箅机 2回转窑法等方法 。多年来 , 竖炉法在

9、球团生产中以成本低 、 操作简单等优点一直占有统治地位 。随着国内钢铁的快速发展 , 竖 炉因其单炉产量低而愈发难以适应当前的钢铁发展 形势 , 为此 , 我国大型钢铁企业相继引进了链箅机 2回转窑 。 同链箅机 2回转窑相比 , 竖炉单炉产量低 , 且成球质量稍差 , 但中国依然存在 63座球团竖炉 , 其生产能力占球团总生产能力一半以上 , 因此 , 球团 竖炉仍具有一定发展空间 , 发展和完善竖炉造块具 有一定现实意义 14。 “ 导风墙 2烘干床”式球团竖炉 这种具有自主知识产权的球团焙烧设备 , 其根本出 路在于大型化和高效化 。 有关球团竖炉大型化和高 效化尚未见报道 , 本文从炉

10、窑热工角度分析了国内 “ 导风墙 2烘干床” 式球团竖炉大型化和高效化的典 型关键问题 。1 关键问题的提出 球团竖炉的本质是气固逆流式热交换设备 , 属 冶金炉范畴 。 在忽略竖炉作业率影响的前提下 , 竖 炉的年产量为 : Q =24×365P S r (1 式中 Q 竖炉年产量 ; P 利用系数 ,t/(m 2 h ; S r 焙烧面积 ,m 2。 式 (1 中 , 竖炉焙烧面积和利用系数是分别与 竖炉大型化和高效化密切相关的 2个重要指标 , 且 竖炉焙烧面积越大 , 利用系数越高 , 竖炉产量越高 。 其中 , 焙烧面积与焙烧带宽度成正比 ; 利用系数主 要受竖炉预热焙烧带

11、高度和炉内气固水当量比的 影响 :,焙烧带越高 ,量越大 , (即 与球团气固水 当量比的角度来看 , 球团处理量越大 , 流经料层焙 烧风流量就越大 5。因此 , 球团竖炉大型化和高效 化最为关键的问题是 :焙烧带宽度 、 预热焙烧带高 度和流经料层的焙烧风流量 (即炉内气固水当量比 问题 。如上三者中 , 前两者属于竖炉结构参数 , 后 者属于竖炉操作参数 , 且三者相互影响 :焙烧带宽 度和预热焙烧带高度影响着炉内气固水当量比 , 进 而影响着竖炉产量 。2 炉内气固水当量问题 炉内气固水当量比是确定竖炉在某产量下所需 焙烧风量的主要依据 , 而竖炉在某产量下所需的气 固水当量比可从竖炉

12、内焙烧风与球团间的气固传热 方程和热平衡方程求得 。 取炉内火口中心线上的填料层为控制体 , 研究 控制体内焙烧风与球团的热量交换 , 主要是推导球 团温度与焙烧风温度之间的关系 。推导球团温度计 算式时假定 :对于磁铁矿而言 , 球团温度升高的热量 主要来源于两部分 , 一部分是来源于焙烧风 , 其余的 热量来源于球团自身氧化放热 ; 球团和焙烧风的流 量及比热容在控制体内为常量 ; 控制体无散热损失 ; 球团近似为是 = 的理想料块 5。以球团和焙烧 风的温度 t 为其中一个方向上坐标 , 以控制体体积 为另一个方向坐标 , 二者组成一平面直角坐标 。以 t g 、 t g 分别代表焙烧风

13、进出控制体的温度 , 以 t s 、 t s 分别代球团进出控制体的温度 , 则控制体内球团与 焙烧风温度变化见图 1 。1pellets temperature in PSF 现研究通过图上微元体积 d V 一段的传热 。在 d V 两侧 , 球团和焙烧风的温度分别为 t s 和 t g , 温压 为 t , 即 : t =t g -t s (2 通过微元体 d V 的热流量为 : X d Q =v t d V (3 式中 X 球团吸热中来自于焙烧风的比例 ; v 球团与焙烧风体积综合传热系数 , kJ /(m 3 h , 具体参见文献 5,6。 焙烧风放出这份热流量后温度下降了 d t g

14、 , 于是 X d Q =G g ,r c g ,r d t g =W g d t g (4 式中 G g ,r 焙烧风流量 ,m 3/h ; c g ,r 焙烧风的比热容 ,kJ /(m 3 K ; W g 控制体内焙烧风的水当量 , 即气相水 当量 ,kJ /(h 。同理 , 对于球团 , 则有 : d Q =G s ,r c s ,r d t s =W s d t s (5 式中 G s ,r 控制体内球团流量 ,kg/h ; c s ,r 控制体内球团比热容 ,kJ /(kg K ; W s 控制体内球团的水当量 , 即固相水当 量 ,kJ /(h 。 将式 (2 微分 , 并利用式

15、(3 (5 的关系 , 对微 分式分离变量后积分可得 :2 中国冶金 第 17 卷 t =t g -t s =(t g -t s e (W g -X -W s d V . V (6 上式反映出控制体内球团与焙烧风温度之间的关系 。 上述积分时 , 上下限分别取 V =0和 V =V 0, 并 将球团进入控制体的温度近似为 0 , 则 :t g =e (W g -XW s v V 0=eR -X V W s 式中 V 0 竖炉火口中心线上料层容积 ,m 3; R 控制体内气固水当量比 。 分析式 (7 , 焙烧风进口温度 t g 已知 , t s 是球团 在达到竖炉火口中心线时所能达到的温度 ,

16、 球团与 焙烧风体积综合传热系数 v 可通过经验式和实验 得出 。 在竖炉某一产量下 , 球团水当量 W s 可知 , 则 焙烧风水当量 W g 或气固水当量比 R 与球团在火口 中心线上温度 t s " 成一一对应 , 若满足球团焙烧要求 的火口中心线上球团温度为 t s0, 当 t s " =t s0时 , 与 t s0对应的焙烧风水当量就是竖炉这一产量下所需要的 气相水当量 。 以济钢竖炉 M 为例 , 以磁铁矿为主要 原料 , 焙烧风流入控制体温度 t g 设为 1200 , 焙 烧风流出控制体温度 t g " 设 为 600, 7. 0t/(m 2 h

17、R t s 团焙烧角度 , 温度 t s " 需达到 1180 以上 , 则需要 R 在 0. 7112以上 。 同理 , 可得到竖炉 M 其它产量下所需的气固 水当量比 R , 见图 3。 在竖炉 M 生产调节范围内 , 所 需的气固水当量比约为 0. 710. 72。 以上讨论均是在假设气流分布均匀下得出的 , 且假设球团入口温度为 0 。实际生产中 , 考虑到 气流分布的不均匀性 , 一般将焙烧带气固水当量比 取 0. 750. 80 。图 2 气固水当量比对火口线截面上球团温度影响Fig. 2 G as 2solid w ater equivalent ratio s inf

18、luence onpellet stemperature at section of hot inlets图 3 竖炉利用系数与所需气固水当量比关系Fig. 3 R elation betw een utilization coeff icient andgas 2solid w ater equivalent ratio3 预热焙烧带高度问题 预热焙烧带高度不仅决定着球团的预热焙烧 时间 , 还影响着流经料层的焙烧风量 , 即影响着焙烧 带的气固水当量比 , 因此 , 正确确定竖炉预热焙烧带 的高度是竖炉大型化和高效化又一关键问题 7。 根据球团焙烧工艺 , 球团预热焙烧时间设定 , 则 E

19、 段 , 即火口线上料层越高 , 球团在 炉内下移速度越大 , 球团处理量越大 , 竖炉的产量越 高 。 生产实际中 , 随火口上料层高度的增加 , 根据 Ergun 公式 , 气流通过料层的阻力增加 , 为保持充足 的焙烧风量 , 必须增加鼓风机的能力 ; 当料层增加到 一定高度时 , 与竖炉配套的鼓风机购置和运行费用 均较高 , 致使球团工序能耗已不符合经济要求 , 这 时 , 火口上料层高度基本达到了最高限 。 以竖炉 M 为例 。火口中心线上料层高度由 0增加到 4. 0m 过程中 , 分析竖炉实际产量分析为 : 在火口中心线上料层高度 0增加到 2. 0m 过程中 , 竖炉煤气站和助

20、燃风机的能力足够 , 参照焙烧风量对 气流均匀性的影响 , 得到不同高度的实际产量 , 如图 4中的 AB 曲线段。当火口中心线上料层高度为 2. 06m 时 , 竖炉利用系数可达到 7. 18t/(m 2 h , 对应 的日 产 量 为 1722t/d , 此 时 需 实 际 焙 烧 风 量 为 34558m 3/h , 现有的煤气站和助燃风机基本可以提供 , 但煤气站和助燃风机的能力已到达极限 。 当 火口中心线上料层高度为 2. 2m 时 , 保持现有煤气 站和助燃风机 。根据风机的特性曲线 , 结合实验结果 , 可知火口中心线上料层高度 h 与鼓入炉内风量Q 之间的关系 , 且不同风机

21、表现出不同的 h 2Q 曲线 。 假设竖炉的风机特性曲线满足图 5所示的关系 , 当 料层高度为 2. 2m 时 , 则此时鼓入炉内的风量 G g3为3第 2期 董 辉等 :球团竖炉大型化和高效化的关键问题 33700m 3/h (考 虑 气 流 的 均 匀 性 , G g3 只 能 发 挥 31550m 3/h 的作用 , 则式 (7 中独立未知数只有 W s 、 t s (R 是 W s 的函数 , 通过试算 , 可求得满足 t s =1180 的 R , 从而竖炉的产量可求 。经计算 , 此时的 R 为 0. 71, 对应的竖炉产量为 1810t/d , 在图 4中对应 C 点 。 同理

22、 , 计算出料层高度为 2. 3m 时 , 对应的竖炉产量为 1780t/d , 竖炉的产量开始回落 , 同理可计算出其它料层高的竖炉产量 (图 4 7 。图 4 竖炉预热焙烧带高度与竖炉产量间的关系Fig. 4 R elationship betw een roasting and 2zone s 图 5 料层高度与鼓入炉内风量关系Fig. 5 R elationship betw een pre 2heating and roastingzone height and flow rate blasted 从料层高度由 2. 0m 至 2. 2m 的过程中 , 鼓入 炉内的焙烧风量变小 ,

23、但竖炉的产量在增加 。由式 (7 可知 , 气固水当量比 R 减小 , 火口中心线截面上 球团表面温度 t s " 降低 ; 火口中心线上料层容积 V 0增大 , t s " 升高 。 当料层高从由 2. 0m 至 2. 2m 的过 程中 , R 减小对 t s " 降低的趋势小于 V 0增大对 t s " 升高 的趋势 , 因此表现为竖炉产量随着料层高度增加而增 加 ; 当料层高度大于 2. 2m 时 ,R 减小对 t s " 降低的趋 势大于 V 0增大对 t s " 升高的趋势 , 竖炉产量随料层高 度增加而减小。 由此可见 ,

24、 竖炉预热焙烧高度与竖炉产量并非简单成正比 , 而是有一最佳值 , 这一最佳值与竖炉配套的鼓风机有关 , 鼓风机能力越大 , 预热焙 烧带高度最佳值越大 , 即图 4中的极值点 C 与风机能 力有关 , 风机能力越大 , 极值点 C 对应的预热焙烧带 高度越大 , 竖炉的产量越高。 但鼓风机的能力又受到 球团工序能耗的限制 , 因此 , 竖炉预热焙烧带高度有 一最佳值 最佳预热焙烧带高度。4 焙烧带宽度问题 焙烧带宽度是竖炉高效化和大型化另一影响因 素 。 在假设气流分布均匀的前提下 , 竖炉产量与焙 烧带宽度成正比 , 见图 6中的 OA 。但实际生产中 , 焙烧带宽度对气流均匀性产生一定的

25、影响 , 因此 , 竖 炉产量与焙烧带宽度不是简单的成正比的关系 。考 虑到焙烧带宽度对气流均匀性的影响 , 将焙烧带宽 度上的气流均匀性作为竖炉实际产量的加权系数 。 竖炉 M 为例 , 焙烧带宽度对气流在焙烧带上气流均 77; , 焙烧 (以竖炉 M图 6 竖炉焙烧带宽度与竖炉产量间的关系Fig. 6 R elationship betw een roasting zone swidth and output of PSF图 7 焙烧带气流均匀系数随焙烧带宽变化曲线Fig. 7 Flow uniformity factor to roasting zonewidth inroasting

26、zone(下转第 11页 4 中国冶金 第 17卷 电控变量泵的比例阀油源泵 , 再启动电控泵 , 延时 10s 左右 ,SOL8得电 , 然后比例放大器才可有信号 输出到比例电磁铁 。在工作过程中 , 根据脱硫工艺 的转速要求 , 给比例放大器输入一个相应的信号值 , 液压电机的转速达到设定值 。 工作过程中如压力超 高或超低则 P HSH5发出信号 , 提醒值班人员要根 据现场情况进行处理 。当系统要停止运转时 , 调节 电控变量泵的流量直至为零 , 然后液压泵的电机停 转 , 电磁铁 SOL8失电 , 液压电机自动停转 。根据工 艺要求在电机旋转过程中要急停时 , 可通过电磁铁 SOL8的失电来实现液压电机的急停 。5 结语 通过讨论和某钢厂的工程实践 , 有了闭式泵控液压 、 变频电机带减速机和开式泵控液压系统等 3种控制方案的脱硫装