球团竖炉内气体流动规律的研究及其应用
“导风墙—烘干床”式球团竖炉(简称竖炉)是一种具有自主知识产权的球团矿焙烧设备，多年来在球团生产中占有重要地位。随着我国钢铁产量的逐年增长，对球团矿的需求量剧增，竖炉因其单炉产量低而愈发难以适应当前钢铁工业的发展，竖炉的高效化和大型化迫在眉睫。就基本原理而言，竖炉是散料床式气固热量交换装置，球团料层与焙烧风和冷却风在料层的孔隙中进行热量交换，而炉内气体流动是影响竖炉热量交换的主要方面，因此，研究竖炉内各股气流的流向、流量及其分布等流动规律，对强化竖炉热量交换、提高球团矿产量和质量具有十分重要的意义。竖炉的结构和操作参数、竖炉内气体流动和传热传质以及竖炉的产量是竖炉的三类典型变量。本文围绕竖炉三类变量之间的关系，开展了相关的理论研究、实验研究和应用研究。
围绕竖炉结构和操作参数与炉内气体流动之间的关系，进行了炉内气体流动的数值计算和实验验证，得到了炉内气体流动的基本规律及其影响因素。结果表明，竖炉内存在四股气流：从喷火口喷入炉内的焙烧风在火口附近呈放射状，其中，大部分气流斜向上流经焙烧带和预热带，小部分气流下行流入导风墙；从冷风口喷入炉内的冷却风在风口附近呈放射状，其中，大部分气流流经冷却带进入导风墙内，小部分流经冷却带后向上流经均热带在靠近导风墙侧流入焙烧带和预热带。四股气流中，上行冷却风和下行焙烧风最为不稳定，但两者在实际生产中或者发生其一，或者均不发生，于是，竖炉内存在三种气流分布模式，体现了竖炉的三种典型工况。结果还表明，竖炉的操作参数、结构参数和球团料层空隙率是影响炉内气体流动的三大因素。操作参数中，流入风量比是影响气流分布最主要的因素：当处于临界工况时，焙烧风和冷却风分别全部流入焙烧带和导风墙内；由临界工况开始增加焙烧风量或减小冷却风量时，冷却风全部流入导风墙，焙烧风中，开始有少量下行流入导风墙内，且焙烧风量增加得愈多或冷却风量减小得愈多，则焙烧风中流入导风墙的比例愈大；由临界工况开始减小焙烧风量或增大冷却风量时，焙烧风全部流入焙烧带，冷却风中，开始有少量上行流入焙烧带，且冷却风量增加得愈多或焙烧风量减小得愈多，则冷却风中流入焙烧带的比例愈大。结构参数中，焙烧带的宽度b1、冷却带的宽度b2、预热焙烧带的高度h1、均热带的高度h2及冷却带的高度是影响气体流动的主要因素，其中，b2/b1、h3/h2和h1/h2增大，冷却风上行的趋势减小，焙烧风下行的趋势增大。料层空隙率对气体流动和竖炉产量的影响可通过炉内粉矿对气体流动和竖炉产量的影响来体现；空隙率的减小使得气流通过料层的阻力增大，鼓入炉内的焙烧风量减小，从而减小了竖炉的单炉产量；可通过竖炉侧引风重力除尘来控制竖炉粉矿，进而提高料层的透气性，从而改善炉内气体流动、提高竖炉产量。
围绕竖炉内气体流动与竖炉产量之间的关系，开展了竖炉内合理气流分布的研究，分析了炉内合理气流分布的内涵及实现途径。研究表明，同时满足焙烧温度、焙烧带内氧浓度和焙烧带内气流分布均匀的气流分布即为合理气流分布，它可由充足的焙烧风和冷却风流量以及合理的气流分布模式来确定；根据气固热平衡方程和传热方程确定竖炉在某个产量下的气固水当量比，进而确定竖炉的焙烧风和冷却风流量；由燃料和原料情况等情况确定合理的气流分布模式；对于现有的竖炉，调节预热焙烧带高度、扩大喷火口和冷风口、优化燃烧室结构以及侧引风重力除尘是保证炉内风量的关键；调节流入风量比或增加均热带高度是调节气流分布模式的两个重要手段。
围绕竖炉结构和操作参数与竖炉产量之间的关系，分析了焙烧带宽度和火口中心线上料层高度与竖炉产量之间的关系，提出了竖炉结构和操作参数的设计准则。研究表明，因焙烧风在焙烧带宽度上的均匀性受焙烧带宽度的影响，竖炉产量并非随焙烧带宽度的增加而一味增加，焙烧带宽度有一最佳值；因鼓入炉内的焙烧风流量受火口线上料层高度的影响，竖炉产量不是随火口中心线上料层高度的增加而一味增加，火口中心线上料层高度有一最佳值。竖炉结构和操作参数的设计准则是：根据竖炉的焙烧工艺和经验数据初步确定竖炉的结构和操作参数，然后，根据炉内气体流动是否合理来调节结构和操作参数，最后，根据炉内球团运动是否顺畅来进一步调节结构和操作参数。
围绕竖炉内气体流动规律的应用，从气体流动角度，分析了目前球团竖炉的主要问题，并提出了问题的解决途径。研究表明，竖炉的主要问题是：焙烧风流量偏小，冷却风流量偏大、气流分布模式不尽合理、焙烧区在靠近导风墙侧和整个均热带气流稀疏、漏风、烘床上生球团干燥风流量不充足且温度低以及炉内粉矿富集等问题。问题的解决途径有：改助燃风调节为煤气和助燃风双调节、调整预热焙烧带高度、扩大喷火口和冷风口、优化燃烧室结构以及进行侧引风重力除尘是保证炉内充足焙烧风和冷却风的关键；针对竖炉的不同燃料情况，提出解决气流分布模式问题的两种途径。将如上理论应用于济钢2＃竖炉，并在竖炉的大中修中得以实现。目前，济钢2＃竖炉已经具有8.0t/m2·h的生产能力，比2000年底提高了约40％。
固定床;填充床;球团竖炉;冶金炉;气体流动;球团矿焙烧
东北大学
博士
热能工程
蔡九菊
2006
中文
TF325.1;TF068.24
130
2006-08-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）