郭會(huì)良  李勝  徐佳鋒

（山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司  山東濟(jì)南 271100）

摘要：本文分析燒結(jié)料層溫度的分布特點(diǎn)，隨著燃燒的進(jìn)行，風(fēng)箱溫度逐步上升，在最后期達(dá)到最高溫，在燃燒層，溫度達(dá)到料層的最高值，由于自動(dòng)蓄熱作用的產(chǎn)生，高溫持續(xù)時(shí)間有所不同，并且對(duì)燃料的加量和產(chǎn)品質(zhì)量有一定影響。

關(guān)鍵詞：燃燒；自動(dòng)蓄熱；高溫；熱量

1 概述

燒結(jié)是將含鐵原料與熔劑、冶金廢棄物等在燃料的作用下發(fā)生物理化學(xué)變化的過程，燃料主要提供溫度，燃料在料層中集中燃燒的區(qū)域稱為燃燒層，燃燒層是燒結(jié)過程中5個(gè)分層之一，也是溫度最高、化學(xué)反應(yīng)最激烈、對(duì)燒結(jié)指標(biāo)影響最大的區(qū)域。整個(gè)料層中燃料的質(zhì)量占比在5%左右，而體積占比也不高于8%，其燃燒產(chǎn)生的大量熱量卻能將料層整體固化，主要是由于燃燒帶的化學(xué)作用，因此，研究燃燒帶的特性有助于進(jìn)一步揭示燒結(jié)過程的原理，為節(jié)能降耗、產(chǎn)質(zhì)量的提升提供保障。

2 燒結(jié)廢氣的溫度變化

在燒結(jié)過程中，固體燃料的加量在5%左右，對(duì)于混合料來說雖然占比較少，但是放出的熱量足以滿足燒結(jié)過程的能量所需，這些熱量大部分轉(zhuǎn)化成燒結(jié)礦的內(nèi)能和化學(xué)能，還有一部分以高溫氣體的形式散失。對(duì)于某一固定料層的燒結(jié)過程，其廢氣溫度隨時(shí)間的變化如圖1。

圖1 燒結(jié)過程廢氣溫度的變化

燒結(jié)過程中廢氣溫度從點(diǎn)火開始的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)基本保持不變，點(diǎn)火后料層開始燃燒，產(chǎn)生的高溫廢氣在穿透下層物料時(shí)對(duì)料層有加熱作用，尤其是對(duì)于比熱容較大的水分，升高相同的溫度吸收的熱量遠(yuǎn)大于同質(zhì)量的混合料。在加熱作用下高溫廢氣溫度逐漸下降，穿透料層后僅在100℃左右，這種現(xiàn)象在料層燃燒至剩余10cm之前一直存在。當(dāng)料層燃燒至剩余5~10cm后，下部的物料較薄，高溫廢氣對(duì)其加熱后還剩余大量熱能，此時(shí)剩余廢氣的溫度急劇升高，直至燒結(jié)完畢溫度升至最大值。隨后由于燃燒反應(yīng)緩慢停止，熱量產(chǎn)生有所下降，廢氣溫度出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。

3 不同溫帶的溫度變化

某段燒結(jié)料層剖面的溫度變化見圖2，料層燃燒后在剖面方向可分為5個(gè)區(qū)域，分別是燒結(jié)礦帶、燃燒帶、預(yù)熱帶、干燥帶和過濕帶，燃燒帶是燃料進(jìn)行燃燒的區(qū)域，放出大量的熱，因此，該區(qū)域溫度最高，平均溫度為1100~1500℃。燃燒帶上方是燒結(jié)礦帶，此區(qū)域已經(jīng)完成燃料的燃燒反應(yīng)，且由于大量冷空氣在該區(qū)域穿透帶走大量熱量，所以燒結(jié)礦帶整體溫度較低，尤其是料面溫度接近室溫，在燒結(jié)礦帶中下部?jī)H存在少量反應(yīng)余熱，溫度有所上升，而在與燃燒帶接觸的區(qū)域溫度直線上升。燃燒帶下方為預(yù)熱帶，燃燒后的熱量除了供混合料反應(yīng)外大部分隨氣流進(jìn)入了預(yù)熱帶，因此，預(yù)熱帶的平均溫度僅次于燃燒帶，該區(qū)域主要進(jìn)行結(jié)晶水的蒸發(fā)、碳酸鹽的分解等，還有部分礦石的固相反應(yīng)。預(yù)熱帶下方為干燥帶，燃燒廢氣達(dá)到該區(qū)域后溫度只有100~150℃，因此，只有游離水的蒸發(fā)，對(duì)料層起到干燥作用。料層最下方為過濕層，此時(shí)溫度降至100℃以下，由于上方大量水蒸氣的蒸發(fā)，在該區(qū)域溫度降低后液化，使得料層含水率提高至15~20%，該現(xiàn)象的存在使得制粒小球結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降低料層的透氣性，惡化燒結(jié)環(huán)境，當(dāng)燃燒帶移動(dòng)至料層高度的1/3處時(shí)這種負(fù)面影響達(dá)到最大值，隨著燃燒帶的下移，當(dāng)達(dá)到料層厚度的3/4處后基本消失。

圖2 燒結(jié)料層不同分帶的溫度變化

圖3 不同區(qū)域最高溫度的變化趨勢(shì)

當(dāng)混合料被點(diǎn)燃之后，在負(fù)壓的作用下燃燒帶會(huì)逐漸下移，下移的速度稱為垂直燒結(jié)速度，燃燒帶內(nèi)的溫度雖然是料層內(nèi)的最高溫度，但是該溫度會(huì)隨著燒結(jié)的進(jìn)行而變化，變化趨勢(shì)見圖3。從圖中可以看出，隨著燃燒帶的下移，燃燒帶內(nèi)的最高溫度逐漸升高，當(dāng)燃燒至料層最底端時(shí)達(dá)到整個(gè)燃燒過程的溫度最高值。燃燒帶內(nèi)的最高溫度之所以隨著燃燒的進(jìn)行逐漸升高主要是由于料層自動(dòng)蓄熱的結(jié)果，當(dāng)燃燒帶位于料層上方時(shí)其產(chǎn)生的熱量一部分用于加熱該區(qū)域的物料，一部分用于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，剩余絕大多數(shù)隨氣流進(jìn)入下層加熱未燃燒的料層，而當(dāng)燃燒帶下移后，下層的物料由于提前進(jìn)行了預(yù)熱，其初始溫度升高，使得該區(qū)域相對(duì)溫度得到提升，這種溫度提升現(xiàn)象隨著料層的燃燒越來越明顯。

4 溫度對(duì)質(zhì)量的影響

料層內(nèi)部高溫平均維持時(shí)間指的是某一區(qū)域溫度高于1100℃（或某一特定值）的持續(xù)時(shí)間，它是影響燒結(jié)質(zhì)量的重要指標(biāo)，當(dāng)某一區(qū)域溫度過高，且維持時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)容易產(chǎn)生液相增多、透氣性下降、還原性變差等現(xiàn)象。理論上高溫平均維持時(shí)間是垂直燒結(jié)速度的單因素函數(shù)，即某一區(qū)域垂直燒結(jié)速度越快，高溫平均維持時(shí)間就越短，但在實(shí)際生產(chǎn)中變化趨勢(shì)較為復(fù)雜，見圖3，隨著距料面距離的增加，高溫平均維持時(shí)間緩慢增加，在料層1/2處增加幅度大幅提高，在接近料層底部時(shí)達(dá)到最高值，進(jìn)而下降。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因一方面與垂直燒結(jié)速度有關(guān)，另一方面主要是由于自動(dòng)蓄熱作用的影響，越接近料層底部，自動(dòng)蓄熱作用越強(qiáng)，燃燒帶內(nèi)溫度就越高，從而使得高溫維持時(shí)間的延長(zhǎng)。

圖4 燃料用量對(duì)料層最高溫度的影響

燒結(jié)過程中的熱量幾乎全部來源于固體燃料的燃燒，因此，料層中溫度的變化與固體燃料有直接關(guān)系，圖4為不同燃料加量的混合料點(diǎn)火后在垂直料層位置上所能達(dá)到的最高溫度的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，混合料中未加固體燃料時(shí)，在1000℃點(diǎn)火后最高溫度隨料層深度的增加而直線降低，在距料面200mm位置時(shí)降至最低點(diǎn)并持續(xù)到剩余的整個(gè)料層，這是由于點(diǎn)火后沒有固體燃料的燃燒，能量供應(yīng)中斷，點(diǎn)火時(shí)的熱量被上部料層完全吸收，下部料層幾乎沒有熱量的傳遞。隨著固體燃料的增加（0.5~1.5%），最高溫度曲線下降趨勢(shì)逐漸放緩，與未加燃料時(shí)相比這三條曲線都發(fā)生了燃燒反應(yīng)并放出了熱量，使得底部料層溫度有上升趨勢(shì)，但是熱量不足以維持料層的礦化反應(yīng)。當(dāng)固體燃料加至2%時(shí)溫度曲線出現(xiàn)了升高現(xiàn)象，說明燃料中熱量得以釋放，燒結(jié)過程可以維持進(jìn)行，因此，燃料配加時(shí)一般以2%的極限。

圖5 燃料粒度對(duì)燒結(jié)溫度的影響

燃料粒度較小時(shí)，比表面積較大，與空氣接觸點(diǎn)較多，燃燒劇烈，最高溫度較高，但是高溫區(qū)域較小，溫度集中，相鄰區(qū)域溫度下降快；當(dāng)燃料粒度較大時(shí)，燃燒較慢，燃燒帶較寬，最高溫度下降，但高溫保持時(shí)間較長(zhǎng)，相鄰區(qū)域溫度下降緩慢。圖5為不同燃料粒度下燃燒帶位于料層中間位置的瞬時(shí)溫度分布。

另外，料層的最高溫度的變化也與空氣的消耗量有關(guān)，在一定范圍內(nèi)增加風(fēng)量，改善了燃料燃燒的條件和傳熱速度，因此最高溫度增加，但超過一定的臨界值時(shí)，由于通過料層的氣體量增加，廢氣帶走的熱量也增加，因此最高溫度水平就會(huì)下降。一般用空氣過剩系數(shù)來規(guī)范空氣的加入量，過剩量在通常1.1~1.5之間。

5 料層熱量的平衡計(jì)算

圖6 燒結(jié)整體熱量的平衡

對(duì)于整個(gè)燒結(jié)過程，能量守恒的，即熱量的輸入等于熱量的輸出，輸入的熱量主要有點(diǎn)火熱和燃燒熱，而輸出熱有滯留熱差、反應(yīng)熱差和廢氣熱，見圖6，因此，可列如下等式：

式中：Q₁—點(diǎn)火熱，J；

      Q₂—燃燒熱，J；

      Q₃—滯留熱差，J；

      Q₄—反應(yīng)熱差，J；

      Q₅—廢氣熱，J。

點(diǎn)火熱為點(diǎn)火過程中氣體燃料燃燒所釋放的熱量，這些熱量一部分用于固體燃料的引燃，另一部分則進(jìn)入料層中用于加熱混合料。燃燒熱是燒結(jié)的主要熱源，是固體燃料燃燒所釋放的熱量。滯留熱差是對(duì)于整個(gè)燒結(jié)過程來講燒結(jié)前后溫度（熱量）的變化值，在數(shù)值上等于燒結(jié)礦總熱量減燒結(jié)前混合料的總熱量，在燒結(jié)前，混合料由于預(yù)熱作用帶入部分熱能，而在反應(yīng)后燒結(jié)礦溫度較高，兩者差值則為輸出熱量之一。反應(yīng)熱差是燒結(jié)礦因發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的熱量的差值，如磁鐵礦反應(yīng)前需要吸收足夠的熱量以達(dá)到其反應(yīng)的活化能，氧化后會(huì)放出一定的能量，其差值則為反應(yīng)熱差，燒結(jié)中所有礦物的生成、石灰石的分解、水分的蒸發(fā)等都屬于反應(yīng)熱差。廢氣熱是指隨廢氣排出的熱量，它是提高能源利用率的重要阻礙，只有將廢氣熱合理利用，才能有效降低能源的消耗。

整個(gè)燒結(jié)過程的能量是守恒的，對(duì)于燒結(jié)料層中某一斷面或區(qū)域同樣具有守恒性，但料層表面與內(nèi)部能量的流動(dòng)具有一定的差異。在料層表面，熱量的輸入和輸出與整個(gè)燒結(jié)過程的熱量流動(dòng)類似，即點(diǎn)火熱與燃燒熱之和等于滯留熱差、反應(yīng)熱差與廢氣熱之和，但在料層內(nèi)部，輸出熱是不變的，而輸入熱則變成了燃燒熱和上層物料燃燒后對(duì)下層物料的輻射熱，輻射熱來源于熱量的傳遞，即高溫物體自發(fā)向低溫物體傳遞熱量。在燒結(jié)時(shí)，燃燒帶溫度極高，在負(fù)壓作用下熱量向下移動(dòng)，對(duì)下層物料產(chǎn)生加熱作用，它是除燃燒熱之外的最主要的熱源，據(jù)統(tǒng)計(jì)，輻射熱可占到料層反應(yīng)所需熱的30%以上。對(duì)于料層表面，其點(diǎn)火熱和燃燒熱計(jì)算如下：

式中：Q₁—點(diǎn)火熱，J；

      Q₂—燃燒熱，J；

      M—單位時(shí)間煤氣的消耗量，m³/min或m³/s；

  q₁—煤氣燃燒的熱值，J/ m³；

  ν—燒結(jié)臺(tái)車的移動(dòng)速度，m/min；

  W—該單元表層物料的質(zhì)量，kg；

  c—燃料的配比，%；

  q₂—固體燃料燃燒的熱值，J/ kg。

滯留熱差與反應(yīng)前后物質(zhì)的種類、質(zhì)量、最終溫度有關(guān)，計(jì)算公式如下：

式中：k—滯留系數(shù)；

Q₃—滯留熱差，J；

  m₁—反應(yīng)后燒結(jié)礦的質(zhì)量，kg；

  C₁—反應(yīng)后燒結(jié)礦的比熱容，J·kg^-1·℃^-1；

  t₁—反應(yīng)后燒結(jié)礦的溫度，℃；

  t₀—未預(yù)熱混合料的溫度，℃；

  m₂—反應(yīng)前混合料的質(zhì)量，kg；

  C₂—反應(yīng)前混合料的比熱容，J·kg^-1·℃^-1；

  t₂—反應(yīng)前混合料的溫度，℃。

滯留熱差受反應(yīng)環(huán)境、燒結(jié)溫度、物質(zhì)種類等不可控因素的制約，因此其計(jì)算值與實(shí)際值會(huì)有一定的偏差，為了縮小偏差范圍用滯留系數(shù)進(jìn)行矯正，一般該系數(shù)取值范圍為0.5≤k≤2.5。反應(yīng)熱差是由于發(fā)反應(yīng)而產(chǎn)生的能量差，由于在燒結(jié)過程中發(fā)生的反應(yīng)較多，有的屬于可逆反應(yīng)，有的則是反應(yīng)物和生成物較難確定，因此，反應(yīng)熱差在計(jì)算時(shí)只考慮Fe₃O₄、CaCO₃的化學(xué)反應(yīng)熱和水的蒸發(fā)熱，其他反應(yīng)熱量則用系數(shù)代替，計(jì)算公式如下：

式中：Q₄—反應(yīng)熱差，J；

      k₁—反應(yīng)系數(shù)；

      m₁—反應(yīng)后燒結(jié)礦的質(zhì)量，kg；

      m₂—反應(yīng)前混合料的質(zhì)量，kg；

      c₁—反應(yīng)后燒結(jié)礦中FeO的含量，%；

      γ₁—每生成單位質(zhì)量FeO釋放的熱量，J·kg；

  c₂—反應(yīng)前混合料中FeO的含量，%；

  γ₂—每反應(yīng)單位質(zhì)量FeO吸收的熱量，J·kg；

  c₃—反應(yīng)前混合料中CaO的含量，%；

γ₃—每生成單位質(zhì)量CaO放出的熱量，J·kg；

 γ₄—每反應(yīng)單位質(zhì)量CaO吸收的熱量，J·kg；

  c₅—反應(yīng)前混合料中的水分，%；

  γ₄—單位質(zhì)量水的汽化熱，J·kg。

料層某一斷面或區(qū)域在燒結(jié)過程中會(huì)向下傳遞廢氣熱，這種熱量是由于氣體溫度的上升而產(chǎn)生的，其理論計(jì)算公式如下：

式中：Q₅—廢氣熱，J；

      k₂—廢氣熱系數(shù)；

      V—廢氣體積，m³；

  ρ—廢氣濃度，kg·m³；

  c—廢氣的比熱容，J·kg^-1·℃^-1；

  t₂—排出某一斷面或區(qū)域廢氣的溫度，℃；

  t₁—進(jìn)入某一斷面或區(qū)域廢氣的溫度，℃。

廢氣熱實(shí)際上是反應(yīng)前后氣體中熱量的變化，但是反應(yīng)前后廢氣的性質(zhì)產(chǎn)生了改變，如O₂濃度下降、CO₂濃度上升等，另外廢氣的體積也由于燃燒有了相應(yīng)的增加，因此，反應(yīng)前后改變了氣體的種類。為了便于計(jì)算，公式4-78中省略了氣體性質(zhì)的改變，僅是反應(yīng)前后氣體溫度的變化，因此，通過廢氣熱系數(shù)k₂進(jìn)行調(diào)整，該系數(shù)與廢氣量、溫度變化有關(guān)，廢氣量越大、溫度變化越大，廢氣熱系數(shù)越大。

輻射熱是針對(duì)于料層內(nèi)部的熱量守恒而言的，在燒結(jié)料層表面無輻射熱，輻射熱對(duì)于燃燒層而言是重要的輸出熱，在數(shù)值上輻射熱與廢氣熱呈正比例關(guān)系，公式如下：

式中：Q₆—輻射熱，J；

  Q₅—廢氣熱，J；

k₃—輻射系數(shù)。

輻射熱雖然屬于輸出熱，但對(duì)于整個(gè)料層而言是有益的，它能對(duì)燃燒層下方的物料進(jìn)行加熱，因此，在這方面它又屬于輸入熱。但是在料層最底端，輻射熱卻完全屬于輸出熱，這部分熱量隨著廢氣一起散失，無法被回收利用，這部分輻射熱約占總輻射熱的5~10%，且隨燒結(jié)料層厚度的減少而增加。