分层供热均热低碳烧结方法及基础试验研究.pdf
《分层供热均热低碳烧结方法及基础试验研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《分层供热均热低碳烧结方法及基础试验研究.pdf(9页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、第 卷第 期 年 月烧结球团 收稿日期:;修回日期:基金项目:湖南省自然科学基金资助项目()作者简介:叶恒棣(),男,正高级工程师,从事钢铁冶炼方面的研究。通信作者:周浩宇(),男,正高级工程师,从事钢铁冶炼方面的研究。分层供热均热低碳烧结方法及基础试验研究叶恒棣,周浩宇,朱蓉甲,魏进超,王兆才,甘敏(中冶长天国际工程有限责任公司,湖南 长沙 ;中南大学 资源加工与生物工程学院,湖南 长沙 )摘要:文章通过研究烧结料层热量产生、消耗、传递、蓄积的规律及影响因素,揭示了能源相态、温度区间及变化梯度、微观气氛与烧结成矿(产、质量)的关系,建立了烧结料层均热数学模型及求解分层补热的数学算法,开发了基
2、于基准配碳加分层补热实现均热低碳富氢烧结的方法,并以中天钢铁原料条件为对象开展了小试试验。试验结果表明:应用分层供热烧结方法后,烧结速度、烧结成品率、转鼓强度、利用系数等指标较基准工况均略微上升,总配碳量从 降至 。关键词:烧结;厚料层;分层供热;均热低碳烧结;富氢烧结中图分类号:文献标识码:文章编号:():,(,;,):,(),:;自 年中国提出双碳战略后,钢铁行业减碳压力日益增大。据统计,近 年钢铁行业年均排放 约 亿吨,工业领域占比为 ,仅次于火电 。年我国粗钢产量为 亿吨,其中“烧结高炉”长流程工艺占比达 ,故从长流程工艺入手开发低碳冶炼技术潜烧结球团第 卷第 期力巨大 。烧结工序是长
3、流程工艺中的关键环节,其工序能耗约占钢铁生产总能耗的 ,仅次于高炉炼铁工序,是高能耗、高污染集中环节 。据统计,年我国烧结工序每年向大气排出 约 亿吨,是造成温室效应的重要原因之一 。厚料层技术可有效降低工序能耗与吨矿加工成本,已成为市场追逐的热点,但随着我国厚料层烧结技术的普及与推广,料层内的自蓄热效应愈发明显,以上料层内蓄热率已达 以上 ,这部分蓄热由于料层内燃料均匀态分布未能得到充分利用,不但造成能源浪费,而且造成料层下部温度过热导致成品率降低。因此,如何从改善料层供热、强化蓄热利用效率着手,开发一种均热、低碳的绿色烧结工艺,已成为钢铁行业实现双碳目标的迫切需求 。基于以上背景,文章以烧
4、结机厚料层烧结过程为研究对象,开展了分层供热烧结的机理、准则与工艺制度研究,形成了一种分层供热均热低碳烧结方法,并对其开展了基础试验研究,以期为其大范围推广应用提供理论依据。分层供热均热低碳烧结机理研究 烧结过程蓄热模型的建立对料层高度为 (),宽度和长度分别为 的烧结料层进行热平衡分析,料层沿高度方向被等分成 个单元,单元料层高度 ,如图所示。烧结混合料密度为 (),烧结机长度为 ()。图 料层单元分层 为简化烧结传热过程,假设:忽略料层沿台车宽度方向以及移动方向的热量传递。由于抽风速率远大于烧结台车移动速率,而台车边缘效应宽度远小于台车宽度,因此热量传递主要发生在料层高度方向上。料层传热速
5、率与燃烧速率一致。当二者速率一致时,料层内部热量可以得到最大化的利用,是一种最理想的工况。单元内部采用集总参数法。单元内部各点的参数值相等。物料物性参数(包括比热、导热系数等)均采用线性插值法。根据相关资料,第一单元向周围空气热耗散为热量总收入的 ,其他单元热耗散为其热收入的。点火保温热只对第一单元有影响,其他反应热各单元平均分配。铺底料物理热只对最后一个单元有影响。为了更好地研究蓄热作用的影响,本研究中残碳在料面往下 高度范围内线性递减。烧结饼温度沿高度方向呈指数变化,表层温度最低为常温(),底部温度随料层厚度增加而升高,料层厚度为 时,底部料层烧结饼温度为 。对任意单元 的热收入与热支出进
6、行热平衡分析,各单元热量收入与支出如图所示,第 单元总热收入 ()()等于该单元蓄热量()与其余各项热收入之和,见式()。()()()()图 料层单元热量平衡示意 由于蓄热量是由上层各单元可传递热量按照某种方式向下层单元进行分配累积而成,因此单元蓄热量的求解无法直接给出,须沿高度方向从上至下依次展开,以下详细阐述了蓄热量的求解过程。第 单元蓄热量()来自该单元上部料层单元。假设单元热量最大传输距离为(),则 年第 期叶恒棣,等:分层供热均热低碳烧结方法及基础试验研究()等于上部料层中与其相距 范围内所有单元传递给该单元的热量总和,见式()。()(),()()式中:()为上部某个单元 传递给单元
7、 的热量,;为单元高度,;为与单元 相距 的上部单元。()由单元可传递热量()以及热量传递函数()所确定,见式()。单元可传递热量等于单元总热收入减去总热支出,考虑到料层会向周围环境散热,设热损失系数为 (),可传递热量的计算见式()。()()()()()()()()()()式中:()为热量传递函数,即热量在无量纲高度 位置时的剩余比例。根据参考文献数据 ,可以将热量传递函数表示成指数函数,具体计算公式见式()()。()()()()()(),()式中:为上部某个单元 往下的第一个单元的无量纲高度位置;为上部某个单元 的可传递热量所能到达的终点单元的无量纲高度位置。烧结料层内热量传递与衰减特性如
8、图 所示。图 烧结料层内热量传递与衰减特性 第 单元的热支出 ()主要包括各类化学反应热 ()、残碳热 ()以及烧结饼余热 (),见式()。()()()()()对烧结矿进行分析可以确定各类化学反应热与残碳热,根据试验与模拟验证,残碳 ()主要集中在表层料层,是导致表面料层热收入低的主要因素 。烧结饼余热为烧结饼所具有的显热,由烧结饼温度 ()分布决定随料层高度呈指数变化,且随着料层厚度增加而增加。残碳、烧结饼温度 均可以表示为高度的指数函数,见式()、()。()()()()()()()式中:、均为常数,具体由原料条件(比如燃料颗粒粒度等)和边界条件(比如料面风速等)所确定。基于烧结各单元料层需
9、要的热量相等,即物料熔融显热与潜热、混合料中熔剂分解吸热以及水分蒸发吸热量之和 ,由于单元料层蓄热作用,各单元的理论补热量 有所差别,见式 :()()()均热烧结补热量分布计算研究根据式()式(),基于通用的原料条件,采用 软件编制计算程序,单元蓄热量与补热量的计算流程如图 所示。由 节分析可知,针对不同原料与工艺条件,料层残碳、烧结饼余热、蓄热量都可以简化为料层高度 的函数,因此补热量亦可以简化为单元高度 ()的函数,式()给出了补热量的简写形式:()()()以典型原料条件与相应的工艺参数的时序平均值为计算基础,文章进一步对不同高度料层内部理论补热量进行了计算,计算的目的是保证沿高度各料层单
10、元所获得的热量一致,其流程如图 所示。图 给出了由数值计算获得的蓄热量与理论补热量沿料层高度方向的分布规律,为了便于对比与技术共性化,将热量与高度均进行了无量纲化处理,无量纲蓄热量 补热量等于蓄热量 补热量与该单元完成烧结所需热量的比值,而无量纲高度等于该单元高度与总料层高度的比值。由图 可知,计算得到的烧结各单元理论补热量,在沿料层高度方向上逐步递减,且在料层顶部 左右(无量纲高度 )与底部 左右(无量纲高度 )趋于平缓。烧结球团第 卷第 期图 蓄热与补热量计算流程 无量纲蓄热量;无量纲补热量。图 理论无量纲蓄 补热量随料层无量纲高度的变化曲线 分层供热均热低碳烧结思路在建立蓄热模型和探明理
11、论补热量分布特性的基础上,文章提出一种新的“分层供热低碳烧结工艺”思路,即:先设定料层底部 左右高度(不包括铺底料)单元为底层,将底层所需配碳量设定为配碳基准值,以此对全料层实施统一的低碳供给,然后再根据图 所述补热量曲线对料层另外 高度单元实施不同技术手段的分层精准补热,以此,最终达到各高度单元热量分布均匀合理,实现低碳、高质、清洁、绿色的烧结矿生产。分层供热均热低碳烧结制度准则在提出思路的基础上,文章结合烧结中的点火、保温、燃气喷加等现有技术手段,进一步构建了“表层依靠点火补热、上层靠热风保温补热、中层靠燃气梯级浓度喷加补热、底层无需补热”的四层次气固两相复合供热制度准则,如图 所示。图
12、分层供热均热低碳烧结模式示意 在开展实际工程设计时,需先根据对应烧结机原料条件、料层厚度等特殊条件开展烧结杯试验,根据试样结果确定各层厚度后,确定各层需要的补热量和相关补热工艺参数,从而形成适合该料种工况的分层供热均热烧结工艺制度。试验效果为验证文章提出的“分层供热均热低碳烧结”工艺方法的减碳效果,以中天钢铁 烧结机原料条件为研究对象,选择天然气为富氢燃气介质,基于烧结杯试验开展了极限减碳效果探索。试验原料与方法烧结试验原料采取中天钢铁 烧结机用混合料,其中铁矿石主要化学成分及烧损如表 所示。项目实施过程所用烧结杯试验装置示意图如图 所示,主要包括:、等多组分气体的配气系统和水蒸气发生器,以模
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 分层 供热 均热 烧结 方法 基础 试验 研究