球团竖炉内最佳气流分布的研究及其应用

1、第 27卷第 4期 武 汉 科 技 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 Vol . 27, No . 42004年 12月 J. ofW uhan Uni . of Sci . &Tech . (Natural Science Editi on Dec . 2004 收稿日期 :2004-09-14 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50334020 ; 国家重点基础 (973 研究发展规划项目 (2000026300 . 作者简介 :董辉 (1969- , 男 , 东北大学国家环境保护生态工业重点实验室 , 硕士生 .球团竖炉内最佳气流分布的研究及其应用董 辉 1, 蔡九菊

2、1, 王国胜1, 2, 蔡漳平 3, 王 峰 3, 曹洪志 3, 崔 斌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 , 辽宁 沈阳 , 110142; 3. 济南钢铁股份有限公司 , 山东 济南 , 250101摘要 :针对 “ 导风墙 2烘 干床 ” 式球团竖炉的高效化 , 讨论竖炉某个利用系数下的“ 最佳 ” 气流分布 。研究结果 表明 , 同时满足焙烧温度 、 焙烧带内的氧浓度和焙烧带内气流分布均匀性的气流分布 , 即为“ 最佳 ” 气流分布 , 它由充足的焙烧和冷却风量以及适宜的气流分流来确定 。 关键词 :球团 ; 竖炉 ;

3、 填料床 ; 固定床 ; 气流 ; 水当量中图分类号 :TF521+. 1; TF061. 26 文献标识码 :A 文章编号 :1672-3090(2004 04-0354-04 从本质上而言 , 球团竖炉 (简称竖炉 是一种 气固逆流式热交换设备 。 研究竖炉内气流运动是强化竖炉热交换 , 座正在运行的竖炉 , , , 3的基础上 , 将气 “ 最佳 ” 气流分布 , 提出并界定炉 内 “ 最佳 ” 气流分布 , 并阐述了炉内“ 最佳 ” 气流分 布的确定和控制 。研究结果表明 , 它不仅可用于 指导现有竖炉的炉况调整 , 而且可供竖炉的设计 参考 。 本研究适用于以磁铁矿为主要原料的竖 炉

4、 。1 “ 最佳 ” 气流分布的内涵球团焙烧过程是高温固结的过程 , 其中伴随着磁铁矿的氧化反应 4。为了保证磁铁矿的充 分焙烧 , 对焙烧带提出如下要求 : 保证焙烧带内 的焙烧温度 ; 保证焙烧带内的氧浓度 ; 保证焙 烧风在焙烧带内均匀分布 , 主要指焙烧带宽度方 向上的均匀性 。其中 , 根据文献 4, 5和生产实 践 , 一般可将焙烧温度设定为 12001250 , 将 焙烧区的氧浓度设定为 5%以上 。焙烧温度实质 上是焙烧带内焙烧风 (即来自燃烧室的燃烧气 体 和球团的气固综合温度 。根据生产实践和热工测试 6, 当焙烧带的气固综合温度为 12001250 时 , 对应焙烧风的温

5、度为 11301150 。 至此 , 将保证焙烧带内的焙烧温度 、 氧浓度和分布 均匀的气流分布称为 “ 最佳 ” 气流分布 , 即竖炉在。竖炉在 “ , , 成球质 2 “ 最佳 ” 气流分布的确定2. 1 焙烧和冷却风量的确定将水当量比引用到竖炉中 7:单位时间内通过竖炉某个横截面的球团每升高 1 所吸收的热 量 , 称为炉内这个截面上球团水当量 , 即固相水当 量 ; 单位时间内通过竖炉某个横截面的气体每升 高 1 所吸收的热量 , 称为炉内这个截面上气相 水当量 。 炉内某个截面上气相和固相水当量的比 值称为炉内这个截面上的气固水当量比 。 如果这 个截面取在焙烧带上 , 则称为焙烧带

6、的气固水当 量比 ; 取在冷却带上 , 称为冷却带的气固水当量 比 。 气固水当量的具体表达式如下 : W s =m s C s(1 W g =q v C g(2 R =W g /Ws(3 式中 :W s 炉内某个截面上的固相水当量 , kJ /(K h ; m s 通过竖炉某个横截面的球团流 量 , kg/h; C s 这个截面的球团比热 , kJ /(kg K ; W g 竖炉某个截面上的气相当量 , kJ /(K h ; M g 通过竖炉某个横截面的气流量 , m 3/h; C s 这个 截 面 的 球 团 比 热 , kJ /(m 3 K ;R 某截面上的气固水当量比 。炉内气固水当量

7、比是确定焙烧和冷却风量的 主要依据 , 是判断炉内焙烧和冷却风量是否充足 的判据 。 对于“ 导风墙 2烘 床 ” 式竖炉 , 当原料以 磁铁矿为主时 , 焙烧带的水当量比取 0. 70. 9, 冷却带取 0. 91. 1, 其中焙烧带的水当量比不是 绝对的 , 它受球团矿原料组成和炉料透气性等因 素的影响 , 如炉料透气性较好时 , 焙烧带的水当量 比可取得稍小些 。根据水当量比的定义 7, 推出 竖炉某个利用系数下所需的焙烧风量和冷却风 量 :q v, h =R u m s, h C s, h /Cg, h(4 q v, c =R d m s, c C s, c /Cg, c (5 式中

8、:q v, h , q v, c 焙烧风量和冷却风量 , m 3/h;R u , R d 焙 烧 带 和 冷 却 带 的 水 当 量 比 ; m s, h , m s, c 焙烧带和冷却带的干球流量 (考虑到粉 矿 , kg/h; C s, h , C s, c 焙烧带和冷却带的球团 比热 , kJ /(kg K ; C g, h , C g, c 焙烧风和冷却风 的比热 , kJ /(m 3 K 。在式 (4 、 式 (5 中 , 用系数 , 但是 , , 式 , 根据所需的 焙烧风量 , , 可计算煤气量和助燃风 量 。 2. 2 气流分流的确定 一般将燃烧室末端温度视为焙烧风温度 , 因

9、 此焙烧温度 12001250 对应的燃烧室末端温 度为 11301150 。在竖炉生产和设计中 , 通 常是按照燃烧室末端温度确定煤气用量与助燃风量 , 于是造成实际燃烧气体氧浓度 (w O 2 与“ 最 佳 ” 气流分布要求的氧浓度 (w O 2 不一定匹配 。 比较 w O 2和 w O 2, 作如下分析 :(1 当 w O 2>w O 2时 , 需要上行冷却风参与焙 烧作为焙烧带氧分的补充 , 如图 1(a 所示 , 并通 过焙烧带内氧平衡计算 , 得出上行冷却风量 。上 行冷却风在一定程度上会降低焙烧风的温度 , 所 以 , 根据实验测试 , 上行冷却风量一般控制在总冷 却 风

10、的 20%以内 。 若上行冷却风超过了 20%,此时焙烧带的氧浓度还未达到要求 , 则说明燃料的热值偏低 , 必须提高燃料的热值 , 如在热值为3000kJ /m3以下的燃料便是如此 。图 1 (2 当 2 w O 2时 , 若此 , 即下行焙 1, 有利于竖炉产量和 。下行焙烧风必然增加冷却负 20%30%以内 。以上说明 , 气流分流决定着焙烧区的氧浓度 , 有关气流分流见文献 1。若取燃烧室的炉温系 数为 0. 82, 则不同低发热量 (简称热值 的燃料 , 其燃烧计算结果如表 1所示 。由表 1可看出 , 当燃料热值低于 4600kJ /m3时 , 燃烧气体的氧浓度 低于 “ 最佳 ”

11、 气流分布的 5%, 这时 , 需要将一部分 上行冷却风 , 作为焙烧带内氧的补充 , 并通过焙烧 带内的氧平衡计算 , 得出具体的上行冷却风量 , 如表 1中的 14#情形 。反之 , 当燃料热值高于 4600kJ /m3时 , 不需要上行冷却风 , 这时需要下行 焙烧风 , 如表 1中的 58#情形 。这时 , 整个均热 带变成了焙烧带 , 焙烧带的高度增大 , 球团的焙烧 时间增加 。其中 , 表 1中的最右侧数据中“ 焙烧 带的氧浓度 ” 是采取上气流分流后焙烧带内的预 期氧浓度 。将燃烧室的炉温系数取 0. 82, 实际上 , 每个 燃烧室的情况都有所不同 , 炉温系数也不尽相同 ,

12、表 1 不同热值燃料所需的气流分流序号燃料低发热量-3空气剩 余系数燃烧室末端 温度 /燃烧气体氧 浓度 /%需要的气流 分流 /%焙烧带的 氧浓度 /%132201. 0511400. 41520. 8(上行冷却风 4. 0235501. 2211471. 8119. 7(上行冷却风 5. 2339701. 4011533. 2615. 9(上行冷却风 6. 0441801. 5011474. 0311. 7(上行冷却风 6. 0546001. 6411485. 101020(下行焙烧风 5. 1648101. 7011495. 561020(下行焙烧风 5. 56650201. 76114

13、96. 001020(下行焙烧风 6. 0754301. 8611506. 751020(下行焙烧风 6. 75而不同的炉温系数会导致不同的计算结果 。所 以 , 当竖炉的原料一定时 , 炉内适宜的气流分流5532004年第 4期 董辉 , 等 :球团竖炉内最佳气流分布的研究及其应用(或 “ 最佳 ” 气流分流 主要取决于燃料热值 , 并考 虑燃烧室的炉温系数的影响 。因此 , 对于运行中的竖炉 , 若其他条件不变 , 当 采 用 热 值 较 高 的 燃 料 时 (如 低 发 热 量 为 5020kJ /m3以上 , 则需要有下行焙烧风 。此时 球团炉内下移速度加大 , 球团处理量大 , 竖炉

14、利用 系数高 , 所以热值较高的燃料是首选 。但球团厂 往往要受到整个公司的制约 , 当不得以采用热值 较低的燃料时 , 为了保证成球质量 , 必须通入上行 冷却风 , 但此时利用系数较低 。3 “ 最佳 ” 气流分布的实现途径3. 1 充足焙烧和冷却风量的实现途径为了获得炉内适宜风量 (式 (4 、 式 (5 , 在 保证风源充足的前提下 , 应尽可能降低气流运行 阻力 。 根据 Darcy 2W eisbach 公式 8和竖炉的热工 测试 6, : (1 燃烧室 ,/3(2 , 将风口扩 , 影响气流在料层的穿 透深度和分布的均匀性 , 造成国内大部分竖炉的 喷火口和冷风口偏小 。其实 ,

15、 这是一种错误的认 识 。 根据 “ 势流理论 ” , 气流在竖炉内流动的推动 力是压力差 , 而不是气流所具有的动能大小 , 即使 气流在风口处具有一定的动能 , 那么也将很快消 耗在风口附近的料层阻力上 。 当气流继续向料层 中心推进时 , 完全依靠压差 , 因此喷火口和冷风口 大小对气流穿透性影响很小 7。经过冷态实验 证明 , 风口过小时 , 造成气流入口的局部阻力损失 巨大 , 甚至造成无论风机本身能力有多大而鼓入 炉内的风量却是一定的局面 。(3 料层的透气性 。根据 Ergun 方程 9, 透 气性对气流阻力影响很大 。 解决炉料透气性的有 效措施是炉内除尘 :即在导风墙的大水梁

16、处引出 一股气流 , 这种气流来自于完成冷却的冷却风 , 之 后 , 经过重力除尘后送回炉内 。基于此 , 优化燃烧室结构 、 扩大喷火口和冷风 口 、 进行炉内除尘是保证炉内充足焙烧和冷却风 量的关键 。3. 2 适宜气流分流的实现途径如上所述 , 主要由燃料情况确定竖炉某个利 用系数下“ 最佳 ” 的气流分流 。但实际运行的竖 炉 ,“ 最佳 ” 。 因此 , 炉内的气流分流主要受结 , 因此 , 可通过调整结构和操 作参数来实现竖炉的“ 最佳 ” 气流分布 。这里主 要阐述现有竖炉操作参数的调整 。操作参数中 , 流入风量比 K (鼓入炉内的焙烧风和冷却风的标 况流量比 影响着气流分流

17、, K 越大 , 上行冷却风 的趋势越小 , 下行焙烧风的趋势越大 ; 反之可类 推 , 见文献 1。 因此 , 可通过调整 K 来调整气流 分流 。 一般而言 , 保证焙烧风量 (即保证焙烧带 气固水当量比 而改动冷却风量 , 但考虑到同时 保证冷却带气固水当量比 , 所以 , 冷却风的调节范 围一般在 ±10%。 若冷却风的调节范围超出了这 一范围 , 则说明单靠调整操作参数已难以达到最 佳气流分布 , 这时必须调整结构参数 。表 2是以 某球团竖炉为例 , 说明了气流分流的调整方案 。表 2 气流分流的调整序号 燃料低发热量-3燃烧气体氧浓度 /%需要的气流分流 /%实际气流分

18、流 /%控制方法441804. 03 上行冷却风11. 4>11. 4(上行冷却风 <11. 4(上行冷却风 下行焙烧风的出现减小冷却风量 增加冷却风量 增加冷却风量754306. 75 下行焙烧风1020上行冷却风的出现<10(下行焙烧风 >30(下行焙烧风 减小冷却风量 减小冷却风量 增加冷却风量4 举例分析某球团竖炉 , 焙烧面积为 10m 2, 以磁铁矿为 主要原料 , 烧热值为 3220kJ /m3高炉煤气 , 利用 系数为 5. 5t/(m 2 h , 预提高其利用系数为 8. 0 t/(m 2 h 。情形 1: 结合公司的现状 , 改烧热值为 4 180k

19、J /m3的高 、 转炉混合煤气 ; 取燃烧室炉温 系数为 0. 8, 燃烧室末端温度设定为 1150 , 则 根据式 (1 、 式 (2 确定风量 :若取焙烧带水当量 比为 0. 8、 冷却带水当量比为 1. 0, 则确定焙烧风 为 39500m 3/h,冷却风为 48000m 3/h,助燃风和 煤气量分别为 20600m 3/h 和 19640m 3/h; 经 燃 烧 计 算 , 燃 烧 气 体 即 焙 烧 风 的 氧 气 浓 度 为 3. 4%, 需要上行冷却风 , 经计算上行冷却风占总 冷却风的 13. 8%; 经流场计算 , 当焙烧风与冷653 武汉科技大学学报 (自然科学版 200

20、4年第 4期 却风分别为 39500m 3/h 和 48000m 3/h 时 , 上行 冷却风约为 11%。为了使得上行冷却风量达到 “ 最佳 ” 气流分布要求的 13. 8%, 需将冷却风调整为 53000m 3/h, 经过模拟 , 增加约为 10%。按照上述方案 , 经过约半年调试 (喷火口和 冷风口均扩大 2倍以及实施炉内除尘等 , 竖炉具有了 8. 0t/(m 2 h 利用系数的能力 。 情形 2: 结合公司的未来 , 改烧热值为 5430kJ /m3的高 、 转炉混合煤气 ; 同理 , 根据水当量比 方法确定最佳气流分布为 :焙烧风和冷却风同情 形 1, 需要下行焙烧风 ; 在上述风

21、量下 , 若现有 竖炉存在上行冷却风 11%, 则减小冷却风 10%,此时 , 冷却风为 43000m 3/h, 经模拟 , 依然有约 7%的上行冷却风 , 说明这时单靠调整风量已不可 行 , 必须调整结构参数 。 考虑现场实际情况 , 经计 算 , 应将料层高度提高约 100mm 。此时经模拟 , 约有 15%20%的下行焙烧风进入导风墙 。5 结论(1 “ 它由焙烧温度 、 焙烧带内的氧浓度和焙烧带内气流的均匀性来界定 , 同时满足 以上三个方面的气流分布即为 “ 最佳 ” 气流分布 。(2 “ 最佳 ” 气流分布可由充足的焙烧和冷却 风量以及适宜的气流分流来确定 。 由炉内气固水 当量比

22、来确定焙烧和冷却风量 , 主要由燃料情况 确定炉内的 “ 最佳 ” 气流分流 。(3 优化燃烧室结构 、 扩大喷火口和冷风口 以及炉内除尘是保证炉内风量的关键 。(4 对于现有的竖炉 , 可通过调整操作参数来获得 “ 最佳 ” 气流分流 , 一般是调整冷却风量 , 且调整幅度为 ±10%。若超出此范围 , 则要调整 结构参数 。(5 本研究讨论未涉及气流分布均匀性问 题 。(6 本研究适用于以磁铁矿为主要原料的 “ 导风墙 2烘 干床 ” 式竖炉的设计和生产 。参考 文献1 董辉 , 蔡九菊 , 王国胜 , 等 . 球团竖炉内气流运动规律的实验研究 J .东北大学学报 (自然科学版

23、,2004, 25(5 :435 438.2 董辉 , 蔡九菊 , 王国胜 , 等 . 球团竖炉结构对气流运动的影响 J .东北大学学报 ( , 2004,25(6 570.3, , J .烧结球团 , 2004, 294张一敏 . 球团理论与工艺 M.北京 :冶金工业出版社 , 2002. 1 10, 158 178.5 王国胜 , 董辉 , 蔡九菊 , 等 . 球团竖炉过程解析与模拟 J .钢铁 , 2004, 39(4 :60 63.6 王国胜 , 董辉等 , 蔡九菊 , 等 . 济 (南 钢 2号球团竖炉热工测试 J .烧结球团 , 2002, 27(6 :1 4.7 东北工学院冶金炉

24、教研室 . 冶金炉理论基础 M.北京 :中国工业出版社 , 1961. 608 636.8 John E F, Joseph B F . Fluid Mechanics with Engi 2neering App licati onsM.Beijing:Tsinghua Universi 2ty Press, 2003. 193 198, 629 630.9 Sabri Ergun . Fluid fl ow thr ough Packed Colu mnsJ .Che m ical Engineering Pr ogress, 1952, 48(2 :89 94.D ef i n iti on and Con trol of D esi rable Ga s FlowD istr i buti on i n Pelleti z i n g Shaft FurnaceDON G Hui 1, CA I J iu 2Ju 1, WAN G Guo 2sheng1, 2CA I Zhang 2ping 3, WAN G Feng 3, CAO Hong 2zhi 3, CU I B in3(1. North Eastern University, Shenyang 110004, China; 2