基于料層最高溫度控制的鐵礦燒結燃料合理分布

李法社，張小輝，張家元，田萬一

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基于料層最高溫度控制的鐵礦燒結燃料合理分布

李法社1，張小輝1，張家元2，田萬一2

(1. 昆明理工大學 冶金與能源工程學院，云南 昆明，650093；2. 中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙，410083)

利用所建立的鐵礦石燒結過程傳熱數學模型，對某鋼鐵企業燒結機的常規燒結過程進行模擬計算，得到不同深度的料層最高溫度分布，并通過煙氣溫度計算值與測試值的對比驗證模型的可靠性。通過對料層本身所含熱量和可利用熱量的計算并結合料層最高溫度合理取值，得到以0.04 m厚度為單元的各料層燃料含量合理取值，并以此為基礎提出燃料合理分布的優化方案。與常規方案、基于平均分層的標準方案在料層最高溫度穩定性、最高溫度所在區域、冷卻速度以及燃料含量的對比結果驗證了優化方案的合理性和節能性。

鐵礦燒結；數值模擬；配碳量；合理分布

鐵礦石燒結常規工藝對鐵礦粉等原料采取混合均勻后統一鋪料的方式，降低了工藝過程和設備的復雜性，但會造成燒結料層的最高溫度在料層深度方向上不穩定，即上部偏低，下部偏高，降低了設備的利用系數和成品燒結礦的產量和質量[1?2]，這種溫度的不穩定性主要由料層的蓄熱效應引起[3]。為在工程應用中解決這一問題，一些學者對燒結料層自動蓄熱及燃料分層分布進行了研究，如：白晨光等[4]對料層厚度高度為0.3 m燒結料層的自動蓄熱進行分析并以平均分層為基礎，建立了蓄熱模型，得到了各層的蓄熱量比；黃柱成等[5]對高度為0.6 m燒結料層進行燒結熱平衡分析和計算，提出了料層蓄熱以及燃料合理分布的計算模型，并將整個料層平均分為3層進行燃料分層布料的燒結杯試驗，得到了在不降低燒結礦質量的條件下，料層上、中、下3層的最優配碳量。這些研究考慮了技術應用的可行性，均是將整個料層平均分為3層，分別進行配碳量計算。自動蓄熱量也是計算每層的總量和平均值，并沒有結合常規工藝條件下料層最高溫度的變化情況進行分層分析。吳勝利等[6]針對厚料層燒結中由自動蓄熱引起的燒結過程的惡化，提出了改變燃料種類、燃料分加、燃料溶劑共同分加等方案，并通過試驗證明了方案的有效性。這可以解決由于料層蓄熱引起的燃燒帶寬度增加導致的不利影響，但整個料層燃料均勻分布，料層最高溫度依然會出現上低下高的現象?；阼F礦燒結過程的傳熱模型，本文作者對某鋼鐵企業燒結機的常規燒結工藝進行仿真計算，根據仿真得到的料層最高溫度變化對料層深度單元進行合理劃分，并以料層最高溫度的合理值為目標計算每一單元的理論配碳量，以提高燒結礦產量、質量為目的，對燒結燃料的合理分布進行研究。

1 模型的建立

1.1 動量方程的修正

將燒結料層視為均勻多孔介質[7]，在此條件下，動量方程需要增加1個源項描述氣體流動過程中的黏性和慣性損失[8]，該源項為

其中：和為給定矩陣；mag為速度絕對值。對于多孔介質內氣流速度與壓降的關系利用Ergun方程[9]計算：

其中：v為速度，m/s；為密度，kg/m3；為動力黏性系數，N?s/m2；p為鐵礦粉顆粒粒徑，m；為料層孔隙率；y為氣流速度，m/s。

1.2 雙能量方程模型

對于料層內的氣、固傳熱過程，利用基于局部非熱力學平衡的雙能量方程模型[9]對氣相和固相分別建立能量方程。

固相：

氣相：

其中：s和f分別為固相和流體相的溫度，K；v為體傳熱系數[8]，W/(m3?K)；為內熱源所產生的單位體積的熱量，J；r為各反應所產生的反應熱源項，J。

燒結過程產生熱量變化的物理、化學反應主要是水分蒸發和冷凝、碳燃燒、碳酸鹽分解、液相形成與凝固。對于水分蒸發，利用2個階段模型[10?12]求解。

第1階段，恒速蒸發，反應熱源項[10]為

第2階段，減速蒸發，反應熱源項[10]為

其中：b為料層比表面積；w為H2O(g)傳質系數；Δ1為水的汽化潛熱，J；sat為顆粒表面飽和蒸氣壓；為水蒸氣分壓，Pa；和c為料層中含水量和臨界含水量；w為H2O相對分子質量。對于冷凝，反應熱源項[12]為

對于燃料燃燒，反應熱源項[13]為

其中：c為燃料顆粒粒徑，m；為綜合反應速率常數；為氧氣體積分數；c為單位體積內碳顆粒數；Δc為碳的低位熱值，J/kg。對于碳酸鹽分解，反應熱源項[10]為

其中：l為石灰石顆粒比表面積，1/m；l為分解開始溫度，K；l為分解度相關系數，為傳熱系數，W/m2?K。對于液相的形成與凝固[14?15]，反應熱源項分別為：

其中：mlt為開始熔化(凝固)溫度；Δmlt熔化(凝固)過程反應熱。

1.3 計算區域離散

在燒結機臺車中心選取長×寬×高為0.40 m×0.40 m×0.63 m的區域建立物理模型，從料面到0.60 m深度處為燒結原料層，底部0.03 m為鋪底料層。該計算區域內的燒結過程與臺車內實際燒結過程一致，該模型的4個側面具有對稱性特點。使用結構性網格對該區域進行離散化，網格最小尺寸為0.01 m，網格總數為10.08萬。圖1所示為計算區域的網格示意圖。

圖1 計算區域網格示意圖

1.4 計算方法和邊界條件

利用?湍流模型，對壓力?速度耦合采用SIMPLE算法，對湍動能、湍流耗散率的離散采用二階迎風格式。對能量方程的非穩態項、源項采用FLUENT的UDF功能編寫程序定義。計算區域進氣口定義為速度入口，速度根據實際流量計算得到。煙氣出口定義為壓力出口，點火階段為?10 kPa，常溫抽風燒結階段為?15 kPa，側面為對稱邊界。

2 常規燒結工藝計算結果及分析

2.1 模型驗證

本文所采用的燒結原料的組成、配比及含水率均來自于某鋼鐵企業燒結生產技術中心，如表1所示。其中，燃料由焦粉和無煙煤組成，其工業分析結果如表2所示。

表1 燒結礦原料組成、配比及含水率

表2 燃料的工業成分分析(質量分數)

為驗證計算模型的可靠性，并考慮到料層內溫度測試的可操作性，結合燒結機臺車的現場條件，以臺車出口處風箱內煙氣溫度的測試值對計算結果進行驗證。測點設置在1，3，5，…，23號風箱彎管處，進行多次測量并取平均值。煙氣溫度計算值與測試值對比如表3所示。

表3 計算值與測試值對比

煙氣溫度的計算值相對于測試值均偏大，主要原因有2個：一是燒結設備存在一定的漏風率；二是燒結臺車、風箱壁面等與周圍空氣存在熱交換。由表3可知：煙氣溫度計算值與測試值的變化趨勢一致，最大相對誤差小于6.00%，因此，可認為計算模型是正確和可靠的。

2.2 結果分析

判斷燒結料層中燃料分布是否合理的依據是不同深度料層的最高溫度分布，根據料層溫度的分布以及料層本身熱量和可利用熱量計算合理燃料的溫度分布。圖2所示為基于常規燒結工藝計算得到的不同深度料層最高溫度分布情況。

圖2 不同深度料層最高溫度的變化

由圖2可知：從料面到0.2 m深度處的料層最高溫度變化較大，這主要是因為：1) 從高溫點火到常溫抽風燒結，進入料層的氣體溫度在較短時間內由點火溫度(1 473 K)降低到常溫，引起料層最高溫度不斷降低(從料面到深度0.04 m處)；2) 在常溫抽風燒結穩定之后，燃料的燃燒使得料層開始蓄熱，因此，料層溫度又開始上升(從深度為0.04 m到0.20 m)。在深度0.20 m以下的料層，最高溫度較穩定。這是因為料層自身所含燃料的燃燒放熱以及上部料層帶入的可利用蓄熱量，使得料層達到熔融狀態，由于這一相變的吸熱量較大，料層的熱量主要用于相變過程[15?16]，對料層的溫度影響較小。

3 燃料合理分布研究

造成料層溫度在深度方向上不穩定的原因，除了在燒結過程中進入料層氣體物性參數的變化所引起外，另一個重要的原因就是料層的自動蓄熱作用[4]。燒結過程參數的變化由燒結工藝決定，而自動蓄熱作用則可以通過燃料合理分布來降低其對料層溫度波動的影響。料層的蓄熱量是指由空氣從上單元料層帶入本單元料層的熱量。在實際計算中，某單元料層的蓄熱量為達到該單元料層最高溫度時所需的熱量與料層本身所含熱量之差。對于單元料層的厚度的確定，考慮到計算的準確性和降低計算過程的復雜性，取為0.04 m，將整個料層分為15個計算單元，分別定義為單元1、單元2等。對每一單元理論燃料含量的計算過程和步驟如下：

1) 確定單元最高溫度的合理取值，即確定溫度目標。一般燒結過程料層合適的最高溫度為1 573~1 723 K[17]。本文以這一范圍的中間值為目標值，即1 648 K。

2) 計算達到目標值時料層需要的熱量1。在該計算過程中，假定料層的質量不變，并對料層的比熱容進行分段線性化處理。

3) 根據單元燃料量、溶劑量、含水量等主要引起熱量變化的參數，計算單元本身所含熱量2。對于單元1，需要考慮由點火、保溫帶入該單元的熱量。

4) 根據本單元實際溫度，計算達到該溫度時所需要的熱量3。計算方法與計算1的計算方法相同。

因此，本單元的蓄熱量為

對于料層上部單元，會出現3＜2的情況。這是因為進入料層的氣體溫度在短時間內急劇降低加快了熱交換，使得料層由于燒結反應放出的熱量小于由氣流帶走的熱量，此時該單元的蓄熱量計為0。該燒結廠混合原料中燃料質量分數(4%)作為基準來計算各單元的理論配碳量，其計算式為

據此得到的各單元理論配碳量如表4所示。

表4 各單元配碳量計算值

由表4可知：單元1和2的配碳量較大，其差值也較大。這是由于該單元蓄熱量較低且入口氣體溫度由點火(1 473 K)、保溫(873 K)到常溫(303 K)不斷降低，對這2個單元的影響較大。在單元3以后，隨著深度的增加，一方面燒結趨于穩定，另一方面蓄熱量也逐漸增加，所需要的燃料量呈穩定降低的趨勢。

表4中各單元的配碳量為理論計算值，若按此配比來添加燃料則大大降低了鋪料的可行性。根據燒結過程燃料合理分層的研究[4?5]，宜將料層分為3層來添加燃料。這3層的厚度以及配碳量的確定方法如下：根據單元間配碳量變化幅度的特點，將單元1和2定為第1層，單元3至9為第2層，單元10至15為第3層；第1層含碳量取2個高度區域的平均值6.3%，然后利用式(6)計算第2和第3層的含碳量，結果分別為3.6%和3.3%。經計算得到厚度為0.6 m燒結料層的合理燃料分布及分層情況如表5所示。

表5 燃料合理分布方案

4 結果分析與對比

以原料中燃料含量4%為基準，根據對料層可利用蓄熱率[4]的計算方法，得到平均分層條件下，上、中、下層燃料配比分別為4.9%，3.9%和3.2%，將這一燃料配比方案稱為標準方案，將前面得到的燃料合理分布方案稱為優化方案。以下將對標準方案和優化方案分別進行計算，并將其結果與常規方案所得結果進行對比分析。

4.1 溫度對比

燒結過程的順利進行以及成品燒結礦質量的提高受燒結過程中料層溫度的影響，料層的溫度是各種燒結反應和原料熔融結晶的推動力[18]。對于不同燒結工藝，對比其料層溫度的變化具有重要意義。圖3所示為上述3種燃料分布方案在不同深度處最高溫度的變化情況。

1—常規方案；2—標準方案；3—優化方案

由圖3可知這3種方案的最高溫度在不同深度有不同的特點：在0~0.1 m深度內，優化方案平均溫度最高，為1 610 K，常規方案最高溫度的極差最??；0.1~0.4 m深度內標準方案平均溫度最高，為1 771 K，優化方案最高溫度的極差最小；0.4~0.6 m深度內常規方案平均溫度最高，為1 768 K，優化方案最高溫度的極差最小。通過以上分析和對比可知：在點火、保溫到常溫空氣抽風燒結的初始階段，由于操作參數改變導致上部料層溫度過低以及由于蓄熱作用導致料層下部溫度過高的現象，可以通過合理分配燃料來改進；同時，燃料的合理分布也擴大了料層最高溫度穩定區域的厚度，可以提高成品礦的產量和質量。

圖4~6所示分別為3種方案在不同時刻的中心縱截面料層溫度分布云圖。

(a) 常規方案；(b) 標準方案；(c) 優化方案

(a) 常規方案；(b) 標準方案；(c) 優化方案

(a) 常規方案；(b) 標準方案；(c) 優化方案

從圖4~6可以看出：在500 s時，標準方案、優化方案提高了料層的最高溫度，優化方案增加了高溫區的厚度；在1 000 s時，標準方案的料層溫度最高，標準方案和優化方案均提高了高溫區的厚度，且燒結前沿較常規方案的低，說明標準方案和優化方案的燒結進度比常規方案的快；在卸料點時，常規方案的料層溫度最高，這3種方案的高溫區厚度較一致。通過比圖4~6可知：合理調整料層燃料分布情況，可使料層的最高溫度在深度方向上趨于穩定，因而使得燒結過程也更加穩定。

4.2 燃燒帶厚度對比

燃燒帶厚度的變化會影響燒結礦質量。燃燒帶厚度過大，會影響料層的透氣性，不利于燒結過程的順利進行；燃燒帶厚度過小，會導致燃燒帶熱量少，溫度低，產生的液相量不足，燒結礦黏結不好，強度低。以上3種方案在不同時刻的燃燒帶厚度對比結果如表6所示。

表6 燃燒帶厚度

表6中的240 s為保溫階段結束時刻。由表6可知：標準方案與優化方案在240 s時的燃燒帶厚度相對于常規方案均增加了0.02 m。這是因為標準方案與優化方案均增加了上部料層的配碳量，增強了燃料的燃燒強度，提高了上部料層的最高溫度，因此，標準方案和優化方案能促進上部料層燒結礦質量提高。從整個料層在不同時刻燃燒帶厚度的變化也可看出標準方案和優化方案的料層燃燒穩定性更好。

4.3 基于料層溫度的燒結礦質量對比

燒結過程中料層的溫度及變化特點影響燒結礦的質量[19]，其中主要決定因素為料層最高溫度的范圍及冷卻速度。本文以這2個指標對上述3個方案進行對比，以評價其成品礦質量。

1) 料層最高溫度。按料層最高溫度是否在合理溫度范圍內將料層分為3個區間，即低于下限、高于上限和位于合理范圍內。以上3方案料層最高溫度所在的區間厚度見表7。

表7 料層最高溫度區間及厚度

位于合理溫度范圍內的料層厚度越大，說明燒結反應進行越順利，原料的熔化和結晶效果更好。由表7可知：優化方案的料層最高溫度分布最合理，說明燃料分布最合理；常規方案位于合理溫度區間內的料層厚度最小，造成上部缺少熱量、下部熱量過剩，中間合理熱量區域較少的熱量分布不合理的現象；標準方案中超過合理溫度區間上限的料層厚度也較大，應適當降低這些料層中燃料含量。

2) 冷卻速度。燒結料層中的燃料反應完全之后便進入冷卻過程。冷卻速度是指料層從最高溫度降低到料層開始凝固時(mlt)的降溫速率，對于到達卸料點時溫度仍高于凝固溫度的料層，取達到最高溫度之后180 s內的降溫速率作為冷卻速度。由于原料及配比不同，合理的料層冷卻速度也不同，在一般情況下，其值以不超過120 K/min為宜[17]。3種方案在不同深度的料層冷卻速度如圖7所示。

1—常規方案；2—標準方案；3—優化方案

3種方案的冷卻速度位于合理范圍內的料層厚度如下：常規方案為0.408 m，標準方案為0.411 m，優化方案為0.462 m。冷卻速度超過合理范圍，說明料層冷卻速度過大，會使燒結過程中產生的熱應力殘留在燒結礦中，從而形成較多的裂紋，降低了成品礦的強度，增加了脆性。因此，冷卻速度位于合理范圍內的料層厚度越大，所形成的成品礦質量越好。可見優化方案的成品礦質量最優。

4.4 燃料使用量的對比

根據前面得出的優化方案燃料分布及相應的料層厚度，計算各自的總燃料使用量，并與常規方案、標準方案進行對比，結果表明常規方案、標準方案和優化方案的配碳量分別為4.00%，4.00%和3.84%。可見：優化方案相對于常規方案和標準方案，燃料量節約4.00%，這對于能量消耗基數較大的燒結工藝來說，節能效果明顯。

5 結論

1) 建立了鐵礦石燒結過程的傳熱計算模型，并對某鋼鐵企業燒結機的常規工藝進行了數值計算，通過計算值與測試值的對比驗證了模型的可靠性；以料層最高溫度為優化指標，提出了鐵礦燒結的燃料合理分布優化方案。

2) 優化方案和標準方案的最高溫度位于合理取值范圍的料層厚度較常規方案分別提高了350%和75%；優化方案和標準方案的冷卻速度位于合理范圍的料層厚度較常規方案分別提高了13.2%和0.7%。說明通過對燃料的調整分配，改善了料層最高溫度的分布，使得不同深度料層的最高溫度趨于穩定，提高了料層燒結過程的穩定性。

3) 優化方案的燃料使用量較常規方案和標準方案降低了4%，說明燃料合理分配對鐵礦燒結過程具有良好的節能效果。

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Fuel appropriate distribution based on the highest temperature control in iron ore sintering

LI Fashe1, ZHANG Xiaohui1, ZHANG Jiayuan2, TIAN Wanyi2

(1. Faculty of Metallurgical and Energy Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;2. School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

A mathematical model of heat transfer in iron ore sintering was established. The highest solid temperature in different depths was obtained to simulate conventional sintering of sinter trolley in an iron and steel company, and the reliability of this model was verified by comparing the simulated and tested values of the flue gas temperature. The reasonable fuel content in every unit thickness(0.04 m) of sintered bed was obtained based on heat calculations and the reasonable highest solid temperature. The optimization solution of fuel appropriate distribution was proposed, and it is proved to be reasonable and energy saving by contrast with conventional and standard solution in respect of the stability and range of the solid highest temperature, the cooling rate and the fuel content in sintered bed.

iron ore sintering; numerical simulation; fuel content; appropriate distribution

TF 046.4

A

1672?7207(2015)02?0386?08

2014?06?20；

2014?08?15

云南省人才培養項目(KKSY201452018)；教育部博士點基金資助項目(KKQX201352004) (Project (KKSY201452018) supported by Talent Cultivation of Yunnan Province; Project (KKQX201352004) supported by PhD Programs Foundation of Ministry of Education of China)

張小輝，博士，講師，從事冶金過程節能減排研究；E-mail: xiaohui6064@sina.com

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.02.002

(編輯 陳燦華)