4.3 Теплообменные процессы при агломерации. Общий и зональный тепловые балансы процесса спекания

Агломерация рудных материалов является наиболее совершенным в теплотехническом отношении металлургическим процессом. При поразительно малом расходе топлива – всего лишь 3-4% от массы спекаемой шихты, удаётся нагреть её до 1250-1400^оС и довести до плавления. Исключительно положительные особенности теплообмена при агломерации обеспечивают важные условия для получения прочного агломерата, которые представлены плавлением шихты и кристаллизацией образовавшегося расплава.

Достижение таких результатов объясняется действием следующих факторов:

1. Горение топлива шихты происходит внутри слоя при минимальных внешних потерях тепла.

2. Большая удельная поверхность шихты (около 3000 м²/м³) обеспечивает несвойственную другим металлургическим процессам высокую интенсивность теплообмена между материалом и газом, благодаря чему тепло аккумулируется в слое малой толщины. Высота зоны интенсивного нагрева шихты под зоной горения составляет всего 20-70 мм, а зона горения топлива 10-35 мм.

3. Продукты горения, фильтруясь через каналы и поры слоя шихты, отдают ей практически полностью свое тепло, охлаждаясь от максимальных температур зоны горения (1250-1400^оС) до 50-60^оС. Только в заключительный период спекания, когда толщина нагреваемого слоя шихты становится малой, температура отходящих газов повышается до 300-350^оС.

Основным источником тепла при агломерации является горение топлива в слое шихты, составляющее в общем тепловой балансе спекания 80-90% от общего прихода тепла (табл. 4.1). Остальные 10-20% принадлежат дополнительным источникам тепла: зажигания и внешнего нагрева слоя шихты, возможного подогрева шихты и воздуха перед спеканием.

Отметим, что тепловой баланс агломерации характеризует начальное и конечное состояние системы, выделяющей и расходующей тепловую энергию.

Таблица 4.1 – Тепловой баланс процесса спекания

Статьи баланса	% к общему расходу тепла
Приход Горение углерода Горение серы Физическое тепло зажигания Физическое тепло шихты Физическое тепло воздуха Тепло экзотермических реакций образования новых химических соединений Расход Тепло готового агломерата Тепло отходящих газов Затраты тепла на эндотермические процессы Внешние тепловые потери	80-90 1-10 7-15 1-4 0,5-1,5 1-3 30-60 30-60 7-10
Общий расход тепла 1470-2940 МДж или 1,47 – 2,942 ГДж /т. агломерата

В подавляющем большинстве случаев практики в общем тепловом балансе приход тепла от горения серы составляет 1-5%, т. е. доля тепла от горения углерода твердого топлива в общем приходе тепла достигает 80-90%, остальные источники поставляют тепла 10-20% и в основном при зажигании шихты и внешнем нагреве слоя.

Принципиальное отличие зонального теплового баланса каждой элементарной зоны горения (элементарного слоя) состоит в том, в приходных статьях баланса регенерированное тепло (теплосодержание шихты, воспринимающей поток тепла отходящих газов из зоны горения и теплосодержание воздуха, всасываемого через раскаленный спек) выступает в виде условно самостоятельного источника тепла. Таким образом, в зональных тепловых балансах можно проследить за движением тепла по высоте слоя и определить положительные результаты регенерации.

Таблица 4.2 – Структура зонального теплового баланса агломерационного процесса ( на 1000 кг сухой шихты)

№ пп	Статья прихода	МДж	%	№ пп	Статья расхода	МДж	%
1 2 3 4 5 6 7	Энтальпия шихты Энтальпия воздуха Горение углерода шихты Горение сульфидной серы Непрямое восстановление Окисление Экзотермические реакции шлакообразования	690 500 700 13,2 52,5 187 25	31,8 23,1 32,3 0,6 2,4 8,6 1,2	8 9 10	Энтальпия агломерата Энтальпия газа Диссоциация известняка	1300 689 178	60,1 31,7 8,2
Итого		2167,7	100	Итого		2167	100

Примечание: Статьи 1 и 2 – приток тепла регенерации

Тепло от горения топлива выделяется в слое при последовательном перемещении зоны горения. При этом нагрев и плавление шихты каждого элементарного слоя (высоту которого принимают равной средней высоте зоны горения – 20 мм) достигается не только за счет горения топлива, сосредоточенного в этом слое, но и за счет тепла регенерации. Регенерированное тепло является частью тепла, выделившегося при зажигании шихты и горении топлива в элементарных слоях, расположенных выше зоны горения. Это тепло учитывают только в зональных тепловых балансах, структура одного из которых показана в табл. 4.2.

Только примерно треть общего расхода тепла на спекание шихты нижних элементарных слоев (№8-30, рис.4.4) составляет тепло горения топлива. Остальное принадлежит регенерированному теплу.

Регенерация является решающим фактором в теплообмене при агломерации, объясняющим малую энергоемкость процесса.

При продвижении зоны горения сверху – вниз доля тепла регенерации возрастает от нуля (для первого элементарного слоя, где нет источника тепла регенерации) до 60-63 % для нижних элементарных зон супервысоких слоев.

Такая закономерность регенерации тепла обусловлена тем, что вначале холодный воздух интенсивно подогревается, проходя через элементарные слои горячего агломерата, температура в которых возрастает от 1150^оС вверху, до 1400^оС – в середине слоя. Далее перепад температур между нагреваемым воздухом и агломератом уменьшается и количество тепла регенерации практически стабилизируется на максимальном уровне, отстоящем примерно на 130-150 мм от поверхности слоя. Чем выше спекаемый слой, тем большую долю составляют элементарные слои с максимальным приходом в зоны горения регенерированного тепла. По этой причине расход топлива при спекании шихты в слое, например, высотой 500 мм на 20-25% меньше, чем для слоя высотой 250 мм.

Расход твердого топлива подбирают опытным путем, контролируя показатели прочности агломерата. Именно содержание углерода твердого топлива в шихте оказывает решающее влияние на прочность продукта спекания при прочих фиксированных параметрах процесса.

Удельный расход воздуха на спекание практически не зависит от содержания углерода топлива в шихте и лишь только при возрастании содержания горючего углерода (С_г) в шихте до 5-6% и более наблюдается увеличение расхода воздуха. Обычно в реальных условиях этот показатель колеблется в узком диапазоне (0,45-0,55) и в среднем составляет 0,5 кг/кг сухой шихты или примерно 1000 м³/т агломерата. При увеличении содержания топлива в шихте кислород воздуха используется полнее. Это подтверждает химический анализ агломерационного газа, выходящего из слоя, – содержание кислорода в нем снижается.

Нужно обратить внимание на две функции, выполняемые воздухом, засасываемым в слой. Первая заключается в поставке в слой кислорода для сжигания топлива, а вторая – в обеспечении переноса тепла от верхних, горячих слоев агломерата к нижним слоям холодной шихты. Соответствующие опыты и расчеты показали, что при обычных условиях агломерации, когда содержание углерода топлива в шихте составляет 3-4%, воздуха для процесса необходимо больше как теплоносителя, чем окислителя углерода топлива.

В процессах выделения и переноса тепла нужно различать скорость движения фронта горения топлива (изотермы 700^оС) и скорость движения фронта тепловой волны (изотермы 100 или 200^оС, характеризующей интенсивность сушки шихты). Эти скорости в общих случаях агломерации могут не совпадать по величине. Так, при повышенном расходе топлива скорость спекания шихты определяется скоростью горения углерода, так как существует дефицит кислорода в зоне горения и фронт горения отстает от фронта тепловой волны. Максимум температур на кривой нагрева слоев шихты сильно уменьшается и несколько растягивается. Это может привести к снижению скорости спекания, уменьшению прочности агломерата, снижению выхода годного продукта и, в конечном счете, к повышению удельного расхода топлива на процесс спекания.

При спекании с низким расходом топлива наблюдается избыток кислорода в зоне горения, при котором горят все частицы топлива, нагретые до температуры воспламенения. Здесь скорость спекания полностью зависит от скорости движения фронта теплообмена.

Величина этой скорости определяется по формуле

(4.6)

где V – скорость движения фронта теплообмена – тепловой волны (волнообразного изменения температур) в слое, мм/мин;

К – коэффициент пропорциональности;

Сг – удельная теплоемкость газа, кДж/м³∙град;

Ск.ш. – кажущаяся теплоемкость шихты – количество теплоты, необходимое для нагрева 1 м³ шихты на 1^оС при компенсации затрат тепла на эндотермические процессы (испарения влаги, разложения гидратов, карбонатов) и учете выделения тепла твердофазных реакций, минералообразования, окисления магнетита и т.п., кДж/м³∙град

ω_ф- скорость фильтрации газов в спекаемом слое шихты, м/с.

На скорость перемещения зоны теплообмена решающее влияние оказывают удельная теплоемкость и скорость фильтрации газа. В реальных условиях относительно стабильного спекания все параметры, входящие в формулу, не подвержены сильным изменениям. И все же существенные колебания возможны для скорости фильтрации газов.

Теплоемкость газов и кажущаяся теплоемкость шихты могут изменяться в связи с колебаниями расхода сырого известняка. Причем теплоемкость смеси газов в случае добавки известняка возрастает (так как теплоемкость дополнительно выделяющейся СО₂ из известняка на 35 % выше, например, теплоемкости воздуха), растет и кажущаяся теплоемкость шихты. В совокупности такие изменения могут привести к снижению скорости тепловой волны. Чрезвычайно важным и необходимым является совпадение по величине скоростей теплообмена и горения твердого топлива. В этом случае достигаются максимальные температуры в зоне горения, более продолжительными становятся периоды охлаждения и кристаллизации агломерата. Увеличиваются прочность и выход годного продукта, снижается удельный расход топлива на спекание.

Необходимо особо подчеркнуть: из всех действующих факторов наибольшее влияние на прочность спека оказывает содержание углерода топлива в шихте. Разумеется при прочих равных условиях.