烧结过程燃烧与传热.pptx

第四章第四章 烧结过程燃烧与热量传输规律烧结过程燃烧与热量传输规律.1.1 烧结过程燃料燃烧基本原理烧结过程燃料燃烧基本原理.2.2 烧结料层中燃烧带的特性分析烧结料层中燃烧带的特性分析.3.3 固体燃料特性及用量对烧结过程的影响固体燃料特性及用量对烧结过程的影响.4.4 烧结料层中的温度分布及蓄热烧结料层中的温度分布及蓄热.5.5 烧结过程传热规律及应用烧结过程传热规律及应用.6.6 烧结节能的主要途径及措施烧结节能的主要途径及措施.1 烧结过程燃料燃烧基本原理烧结过程燃料燃烧基本原理（一）气体燃料燃烧的热力学（一）气体燃料燃烧的热力学（1）气体燃料种类、高炉煤气成分成分CO2COCH4H2N2发热量发热量/千卡千卡/米米3范围范围%9.015.525310.30.52.03.055588501100、焦炉煤气成分成分H2COCH4CO2N2O2发热量发热量/千卡千卡/米米3范围范围%54595.57.023281.52.5350.31.731604580、天然气 成分成分H2COCH4H2SN2O2发热量发热量/千卡千卡/米米3范围范围%0.40.80.10.385950.91.55.00.20.380009000、液体燃料 重油：发热值高（大于9000千卡/公斤）、粘性大.1 烧结过程燃料燃烧基本原理烧结过程燃料燃烧基本原理（2）、主要煤气成分燃烧的热力学、主要煤气成分燃烧的热力学主要成分：CO、H2、CH4离解：转化：总反应：（一）气体燃料燃烧的热力学（一）气体燃料燃烧的热力学.1 烧结过程燃料燃烧基本原理烧结过程燃料燃烧基本原理（3）、气体燃烧发热量的计算（4）、气体燃烧理论和实际空气需要量过剩空气系数，人工操作时取1.151.20，自动操作取1.051.10（一）气体燃料燃烧的热力学（一）气体燃料燃烧的热力学.1 烧结过程燃料燃烧基本原理烧结过程燃料燃烧基本原理（5）、实际燃烧产物量、实际燃烧产物量（一）气体燃料燃烧的热力学（一）气体燃料燃烧的热力学.1 烧结过程燃料燃烧基本原理烧结过程燃料燃烧基本原理（6）、燃烧温度理论燃烧温度理论燃烧温度（一）气体燃料燃烧的热力学（一）气体燃料燃烧的热力学理论燃烧温度通常要比冶金炉内的实际温度高出理论燃烧温度通常要比冶金炉内的实际温度高出1025%平衡燃烧温度平衡燃烧温度.1 烧结过程燃料燃烧基本原理烧结过程燃料燃烧基本原理（二）固体燃料燃烧的热力学（二）固体燃料燃烧的热力学（1）、热力学分析气相氧化C氧化初级次级.1 烧结过程燃料燃烧基本原理烧结过程燃料燃烧基本原理（2）、固体燃料燃烧计算发热量理论空气需要量固体燃料燃烧温度（二）固体燃料燃烧的热力学（二）固体燃料燃烧的热力学.1 烧结过程燃料燃烧基本原理烧结过程燃料燃烧基本原理（三）固体燃料燃烧动力学分析（三）固体燃料燃烧动力学分析固体燃料的燃烧属多相扩散燃烧：固体燃料的燃烧属多相扩散燃烧：首先要使氧气到达固体表面，在首先要使氧气到达固体表面，在相界面上发生多相化学反应；其相界面上发生多相化学反应；其后，化学反应所需的物质则靠自后，化学反应所需的物质则靠自然扩散或强制扩散形成的物质转然扩散或强制扩散形成的物质转移来提供。移来提供。（1）氧由气流本体通过界面层扩散到固体碳的表面；）氧由气流本体通过界面层扩散到固体碳的表面；（2）氧在碳粒表面上吸附；）氧在碳粒表面上吸附；（3）吸附的氧与碳发生化学反应；）吸附的氧与碳发生化学反应；（4）反应产物的解吸；）反应产物的解吸；（5）反应产物由碳粒表面通过界面层向所相扩散。）反应产物由碳粒表面通过界面层向所相扩散。氧气向固体碳表面扩散迁移的速率为：氧气向固体碳表面扩散迁移的速率为：相界面上的化学反应速率为：相界面上的化学反应速率为：.1 烧结过程燃料燃烧基本原理烧结过程燃料燃烧基本原理对于对于-3mm的碳粒，在的碳粒，在Re为为100的情况下：的情况下：700为动力学燃烧区为动力学燃烧区7001250 为中间速度区为中间速度区1250 为扩散燃烧区为扩散燃烧区烧结过程在点火后不到一分钟，料层温度升高到烧结过程在点火后不到一分钟，料层温度升高到12001350，一，一般在般在13001500，故其燃烧反应基本上是在扩散区内进行，因，故其燃烧反应基本上是在扩散区内进行，因此，一切能够增加扩散速度的因素，如减小燃料粒度、增加气流此，一切能够增加扩散速度的因素，如减小燃料粒度、增加气流速度（改善料层透气性、增风机风量等）和气流中的氧含量等，速度（改善料层透气性、增风机风量等）和气流中的氧含量等，都能提高燃烧反应速度，强化烧结过程。都能提高燃烧反应速度，强化烧结过程。（三）固体燃料燃烧动力学分析（三）固体燃料燃烧动力学分析.2 烧结料层中燃烧带的特性分析烧结料层中燃烧带的特性分析（一）烧结过程燃烧带厚度的计算 燃烧带的宽度是由燃料粒的直径燃料粒的直径d，空气流速空气流速，原始气体中的氧的浓原始气体中的氧的浓度度CH，料层的透气性质料层的透气性质m及及n，以及系数系数b来决定。从燃烧带出来的氧浓度CO取决于燃料在烧结料中的比例及吸入空气中氧的浓度，因此，在焦粉配比一定时，它是不变的。系数系数b取决于燃料比表面积燃料比表面积T和其他混合料比表面积混合料比表面积m，以及混合料中燃料的体积燃料的体积V.2 烧结料层中燃烧带的特性分析烧结料层中燃烧带的特性分析（二）燃烧带特性与燃烧废气组成（二）燃烧带特性与燃烧废气组成（1 1）烧结料层的燃烧特点：）烧结料层的燃烧特点：烧结料层中碳含量少、粒度细而且分散；烧结料层中碳含量少、粒度细而且分散；烧结料层的热交换十分有利，固体碳颗粒燃烧迅速，烧结料层的热交换十分有利，固体碳颗粒燃烧迅速，二次燃烧反应不明显；二次燃烧反应不明显；烧结料层中一般空气过剩系数较高（常为烧结料层中一般空气过剩系数较高（常为1.41.41.51.5）。）。（2 2）影响燃烧比的因素有：）影响燃烧比的因素有：燃料粒度和用量；燃料粒度和用量；料层负压大小；料层负压大小；空气过剩系数；空气过剩系数；料层高度和返矿量。料层高度和返矿量。一般燃烧废气中平均含一般燃烧废气中平均含CO12%，热量损失占总热量的，热量损失占总热量的1025%。.3 固体燃料特性对烧结过程的影响固体燃料特性对烧结过程的影响（1）固体燃料的粒度）固体燃料的粒度 烧结粉矿烧结粉矿(-8mm)：12mm适宜适宜 烧结精矿烧结精矿(-1mm)：0.53mm适宜适宜（2）固体燃料的种类）固体燃料的种类 焦粉优于无烟煤焦粉优于无烟煤 不能用烟煤不能用烟煤（3）固体燃烧的用量）固体燃烧的用量 磁铁矿，一般为磁铁矿，一般为56 35%赤铁矿，一般为赤铁矿，一般为79 57%菱铁矿和褐铁矿，更高。铬铁矿烧结有时高达菱铁矿和褐铁矿，更高。铬铁矿烧结有时高达10%以上。以上。（4）固体燃料在料层中的赋存状态）固体燃料在料层中的赋存状态 燃烧的添加方式燃烧的添加方式（5）固体燃烧燃烧催化剂的影响）固体燃烧燃烧催化剂的影响.4 烧结料层中的温度分布及蓄热烧结料层中的温度分布及蓄热(1)烧结料层中的温度分布特点烧结料层中的温度分布特点 1燃烧带，燃烧带，2预热干燥带，预热干燥带，3水分冷凝带，水分冷凝带，4铺底料铺底料，5烧结矿带烧结矿带 刚点火毕刚点火毕点火终了后点火终了后12分钟分钟开始烧结后开始烧结后810分钟分钟烧结终了前烧结终了前 由低温到高温，然后又从高温迅由低温到高温，然后又从高温迅速下降到低温。速下降到低温。燃烧带下部的热交换是在一个很窄燃烧带下部的热交换是在一个很窄的加热及干燥带完成的，它的高度一的加热及干燥带完成的，它的高度一般小于般小于50mm，尽管距离很短，但气，尽管距离很短，但气体可以自体可以自14001500冷却到冷却到5060。主要是气流速度大，温差大，。主要是气流速度大，温差大，对流传热量大。另一方面由于料粒有对流传热量大。另一方面由于料粒有很大的比表面积，彼此紧密接触，传很大的比表面积，彼此紧密接触，传导传热也在迅速进行。导传热也在迅速进行。一般，燃烧带温度，即分布曲线上一般，燃烧带温度，即分布曲线上的最高点温度随着烧结过程的进行有的最高点温度随着烧结过程的进行有所上升，这主要由于料层的蓄热作用。所上升，这主要由于料层的蓄热作用。烧结负压及料层温度的变化情况烧结负压及料层温度的变化情况 料层:Z1 Z2 Z3.4 烧结料层中的温度分布及蓄热烧结料层中的温度分布及蓄热(2)料层烧结温度的影响因素料层烧结温度的影响因素物料粒度。物料粒度。粒度越大，在相同料层水平达到最高温度水平越低，因为粒度大小直接影响到热粒度越大，在相同料层水平达到最高温度水平越低，因为粒度大小直接影响到热交换，粒度粗的物料比表面积小，从气流中接受的热量较细粒部分少。由于气流中交换，粒度粗的物料比表面积小，从气流中接受的热量较细粒部分少。由于气流中在一段较长的料层通道中保存本身较多的热量，这就使得在粗粒物料中有较大的热在一段较长的料层通道中保存本身较多的热量，这就使得在粗粒物料中有较大的热波迁移速度和较低的料层最高温度。波迁移速度和较低的料层最高温度。燃料粒度。燃料粒度。在其他条件相同的情况下，较细的固体燃料燃烧时产生较高的温度，因为粒度小在其他条件相同的情况下，较细的固体燃料燃烧时产生较高的温度，因为粒度小比表面积大，燃烧速度快，燃烧带厚度小，热能集中。比表面积大，燃烧速度快燃烧带厚度小，热能集中。燃料用量。燃料用量。空气消耗量。空气消耗量。在一定范围内在一定范围内,随着抽风量的增加随着抽风量的增加,反应速度加快反应速度加快,高温层的厚度减弱高温层的厚度减弱,最高温度增加最高温度增加,但超过一定值之后但超过一定值之后,最高温度会下降最高温度会下降(废气带走热量废气带走热量)。烧结温度：烧结料层中某一水平所达到的最高温度烧结温度：烧结料层中某一水平所达到的最高温度.4 烧结料层中的温度分布及蓄热烧结料层中的温度分布及蓄热(3)烧结过程的烧结过程的“自动蓄热现象自动蓄热现象”无固体燃料有固体燃料沿烧结料层高度蓄热的沿烧结料层高度蓄热的变化图变化图烧结料层中热平衡图烧结料层中热平衡图.4 烧结料层中的温度分布及蓄热烧结料层中的温度分布及蓄热（4）烧结生产中对）烧结生产中对“自动蓄热现象自动蓄热现象”扬长避短的技术对策扬长避短的技术对策 扬长扬长 厚料层烧结厚料层烧结料层高度为料层高度为180220mm时，自动蓄热率为时，自动蓄热率为3545；料层高度为；料层高度为400mm时，自动蓄热时，自动蓄热率为率为65；基于烧结自动蓄热原理的厚料层烧结技术，基于烧结自动蓄热原理的厚料层烧结技术，为降低固体燃料提供了可能，也为低温烧结为降低固体燃料提供了可能，也为低温烧结技术创造了有利条件。同时，对改善烧结矿技术创造了有利条件。同时，对改善烧结矿质量亦有好处。质量亦有好处。避短避短 控制燃料在料层高度方向上的分布控制燃料在料层高度方向上的分布 烧结过程的自动蓄热现象烧结过程的自动蓄热现象烧结料层上下部不均匀烧结料层上下部不均匀上上 部部 热热 量量 不不 足足下下 部部 热热 量量 过过 剩剩人为地调整燃料分布人为地调整燃料分布解决热量分布不均匀解决热量分布不均匀的问题，并降低燃耗的问题，并降低燃耗双层布料技术双层布料技术燃料分加技术燃料分加技术偏析布料技术偏析布料技术混混合合料料两两次次布布料料，两两次次点点火火烧烧结结，使使烧烧结结料料层层上上、下下部部的的燃燃料料配加量得到人为控制配加量得到人为控制燃燃料料配配加加分分为为二二次次进进行行，少少部部分分燃燃料料配配在在混混合合料料制制粒粒之之前前，大大部部分分燃燃料料在在制制粒粒后后期期添加添加利利用用偏偏析析布布料料设设备备使使混混合合料料在在料料层层上上部部颗颗粒粒细细，下下部部颗颗粒粒粗粗，而而固固体体燃燃料料较较细细，故故可可使使料料层层上上部部含含量量高高些些，而而料料层层下下部部含含量量低低些些生产要求：上下均匀生产要求：上下均匀而实际是：上欠下过而实际是：上欠下过 .5 烧结过程传热规律及应用烧结过程传热规律及应用（1）烧结过程传热现象）烧结过程传热现象 图图4-16 料层每一单元烧结与传热试验时的温度变化曲线料层每一单元烧结与传热试验时的温度变化曲线传热；烧结；(a)硅铝砖b)石英1,2,3,4,5,6分别表示距料顶部6.35,31.75,57.15,88.85,107.95,133.35mm，箭头表示废气最高温度。废气率决定于热传导过程而不是决定于燃料燃烧过程。废气率决定于热传导过程而不是决定于燃料燃烧过程。表明抽风不但是燃烧的需要表明抽风不但是燃烧的需要,更重要的是传热的需要。更重要的是传热的需要。.5 烧结过程传热规律及应用烧结过程传热规律及应用（1）烧结过程传热现象）烧结过程传热现象 图图4-16 料层每一单元烧结与传热试验时的温度变化曲线料层每一单元烧结与传热试验时的温度变化曲线传热；烧结；(a)硅铝砖；(b)石英1,2,3,4,5,6分别表示距料顶部6.35,31.75,57.15,88.85,107.95,133.35mm，箭头表示废气最高温度。废气率决定于热传导过程而不是决定于燃料燃烧过程。废气率决定于热传导过程而不是决定于燃料燃烧过程。表明抽风不但是燃烧的需要表明抽风不但是燃烧的需要,更重要的是传热的需要。更重要的是传热的需要。.5 烧结过程传热规律及应用烧结过程传热规律及应用（2）烧结过程传热规律）烧结过程传热规律（1）没有内部热源时，规定当料层温度开始均匀上升时传热前沿即已到）没有内部热源时，规定当料层温度开始均匀上升时传热前沿即已到达，一般以达，一般以100等温线为准。当配有燃料时，引入燃烧前沿的概念，规等温线为准。当配有燃料时，引入燃烧前沿的概念，规定当料层温度迅速上升时表明燃烧前沿到达，一般以定当料层温度迅速上升时表明燃烧前沿到达，一般以600或或1000等等温线为基准。温线为基准。（2）热波曲线的特点是以最高温度为中心，两边对称的曲线。因为整个）热波曲线的特点是以最高温度为中心，两边对称的曲线。因为整个料层比热相同，空气流速相同；而燃烧波曲线由于配有燃料，所以曲线料层比热相同，空气流速相同；而燃烧波曲线由于配有燃料，所以曲线两边不对称，是不等温曲线。两边不对称，是不等温曲线。（3）热波曲线随着热波向下前进，最高温度逐步下降，而且热波曲线不）热波曲线随着热波向下前进，最高温度逐步下降，而且热波曲线不断加宽；而燃烧波曲线随着火焰波（或燃烧带）向下移动，最高点的温断加宽；而燃烧波曲线随着火焰波（或燃烧带）向下移动，最高点的温度升高。度升高。.5 烧结过程传热规律及应用烧结过程传热规律及应用（3）传热规律在烧结中的应用）传热规律在烧结中的应用 传热与燃烧速度对高温区的影响传热与燃烧速度对高温区的影响“同步同步”进行，则效果最好进行，则效果最好区：区：传热速度传热速度燃烧速度，这时高温区燃烧反应放出的热量是在废气大量带走。燃烧速度，这时高温区燃烧反应放出的热量是在废气大量带走。如焦粉粒度粗和混合料粒度小的情况下，高温带向空气热速度较快，而燃料的燃烧如焦粉粒度粗和混合料粒度小的情况下，高温带向空气热速度较快，而燃料的燃烧速度相对较慢，进入燃烧带的热空气没有得到有效利用，热沿下移速度较火焰前沿速度相对较慢，进入燃烧带的热空气没有得到有效利用，热沿下移速度较火焰前沿快，因此高温区的最高温度也不够高，高温区的厚度也增加。快，因此高温区的最高温度也不够高，高温区的厚度也增加。区：区：介于前两者之间，即燃烧速度与传热速度配合好，二者介于前两者之间，即燃烧速度与传热速度配合好，二者“同进行，如焦粉同进行，如焦粉粒度和用量合适，反应性适中，混合料粒度适中，此时高温带的厚度适中、高温粒度和用量合适，反应性适中，混合料粒度适中，此时高温带的厚度适中、高温带的温度也最高。带的温度也最高。.5 烧结过程传热规律及应用烧结过程传热规律及应用（3）传热规律在烧结中的应用）传热规律在烧结中的应用 传热速度及燃烧速度对产量的影响传热速度及燃烧速度对产量的影响 mm/min台时产量台时产量垂直烧结速度垂直烧结速度t/h烧结料层中的温度最高点的移动速度，它实际上反映了烧结料层中的温度最高点的移动速度，它实际上反映了料层中碳燃烧带的移动速度和燃烧带下部热传递速度料层中碳燃烧带的移动速度和燃烧带下部热传递速度试验表明，当炭用量一定时，垂直烧结速度主要由热传试验表明，当炭用量一定时，垂直烧结速度主要由热传递速度决定递速度决定.6 烧结过程的节能烧结过程的节能烧结过程热平衡 烧烧结结过过程程热热平平衡衡固体燃料化学热固体燃料化学热化学反应热化学反应热点火燃料化学热点火燃料化学热.6 烧结过程的节能烧结过程的节能（一）降低固体燃料消耗（一）降低固体燃料消耗(1)降低煤耗及提降低煤耗及提高燃料的利用率高燃料的利用率控制燃料粒度和粒度分布，即控制合理的烧结过程控制燃料粒度和粒度分布，即控制合理的烧结过程传热和燃烧速度传热和燃烧速度;选择合理的燃料种类及燃料加入方法，改善固体燃选择合理的燃料种类及燃料加入方法，改善固体燃料的燃烧条件料的燃烧条件;研究行之有效的催化助燃剂，使固体燃料燃烧充分，研究行之有效的催化助燃剂，使固体燃料燃烧充分，从而降低残碳量等。从而降低残碳量等。(2)利用外界显热利用外界显热和料层自动蓄热和料层自动蓄热降低固体燃耗降低固体燃耗在混合料燃烧前利用外部供热，如利用热返矿、在混合料燃烧前利用外部供热，如利用热返矿、使用生石灰、在圆筒混合机通入蒸汽、热风烧结等，使用生石灰、在圆筒混合机通入蒸汽、热风烧结等，使烧结料温度提高。使烧结料温度提高。增加料厚，同时采取偏析布料及多层配碳，充分利增加料厚，同时采取偏析布料及多层配碳，充分利用料层自动蓄热用料层自动蓄热(3)控制混合料成控制混合料成分，干预烧结过分，干预烧结过程程如配加生石灰、炼钢红尘和化工厂的电石渣等，利如配加生石灰、炼钢红尘和化工厂的电石渣等，利用其中的有用碱性成分取代混和料中部分碳酸盐溶用其中的有用碱性成分取代混和料中部分碳酸盐溶剂，减少碳酸盐分解耗热，以及配加轧钢皮，利用剂，减少碳酸盐分解耗热，以及配加轧钢皮，利用其中的其中的FeO在烧结过程中氧化放热，均可以降低固在烧结过程中氧化放热，均可以降低固体燃耗。体燃耗。.6 烧结过程的节能烧结过程的节能（二）烧结点火节能（二）烧结点火节能(1)采用新型节能点火器采用新型节能点火器(2)严格控制点火温度和点火时间严格控制点火温度和点火时间(3)煤气预热、助燃空气预热煤气预热、助燃空气预热(4)低热值或新的点火燃料的应用低热值或新的点火燃料的应用-如全高炉煤气、水煤浆等如全高炉煤气、水煤浆等点火温度一般控制在点火温度一般控制在10501150，点火时间要根据点火温度而，点火时间要根据点火温度而定，若点火温度较低，可适当延长点火时间，若点火温度较高，定，若点火温度较低，可适当延长点火时间，若点火温度较高，应缩短点火时间，一般在应缩短点火时间，一般在1min以内。以内。.6 烧结过程的节能烧结过程的节能（三）余热回收利用（三）余热回收利用利用余热锅炉产生蒸汽或提供热水，直接利用;用冷却器的排气代替烧结机点火器的助燃空气，或用于预热助燃空气:将余热锅炉产生的蒸汽，通过透平及其它装置转换成电力;将排气直接用于预热烧结混和料。（四）降低电耗（四）降低电耗(1)减少漏风率，降低电耗(2)减少大功率设备空转时间，降低电耗（1）用于烧结废气回收余热的系统主要有以下四种形式）用于烧结废气回收余热的系统主要有以下四种形式:冷却机余热回收系统;冷却机+烧结机余热回收系统;冷却机+烧结机气体循环余热回收系统;新型机冷式烧结机余热回收系统。（2）烧结废气余热回收的装置大致可分为四大类）烧结废气余热回收的装置大致可分为四大类: