郭會良 李勝 徐佳鋒
（山東泰山鋼鐵集團有限公司 山東濟南 271100）
摘要：本文分析燒結料層溫度的分布特點，隨著燃燒的進行，風箱溫度逐步上升，在最后期達到最高溫，在燃燒層，溫度達到料層的最高值，由于自動蓄熱作用的產生，高溫持續時間有所不同，并且對燃料的加量和產品質量有一定影響。
關鍵詞：燃燒；自動蓄熱；高溫；熱量
1 概述
燒結是將含鐵原料與熔劑、冶金廢棄物等在燃料的作用下發生物理化學變化的過程，燃料主要提供溫度，燃料在料層中集中燃燒的區域稱為燃燒層，燃燒層是燒結過程中5個分層之一，也是溫度最高、化學反應最激烈、對燒結指標影響最大的區域。整個料層中燃料的質量占比在5%左右，而體積占比也不高于8%，其燃燒產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作用，因此，研究燃燒帶的特性有助于進一步揭示燒結過程的原理，為節能降耗、產質量的提升提供保障。
2 燒結廢氣的溫度變化
在燒結過程中，固體燃料的加量在5%左右，對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過程的能量所需，這些熱量大部分轉化成燒結礦的內能和化學能，還有一部分以高溫氣體的形式散失。對于某一固定料層的燒結過程，其廢氣溫度隨時間的變化如圖1。
圖1 燒結過程廢氣溫度的變化
燒結過程中廢氣溫度從點火開始的很長一段時間內基本保持不變，點火后料層開始燃燒，產生的高溫廢氣在穿透下層物料時對料層有加熱作用，尤其是對于比熱容較大的水分，升高相同的溫度吸收的熱量遠大于同質量的混合料。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，這種現象在料層燃燒至剩余10cm之前一直存在。當料層燃燒至剩余5~10cm后，下部的物料較薄，高溫廢氣對其加熱后還剩余大量熱能，此時剩余廢氣的溫度急劇升高，直至燒結完畢溫度升至最大值。隨后由于燃燒反應緩慢停止，熱量產生有所下降，廢氣溫度出現轉折。
3 不同溫帶的溫度變化
某段燒結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個區域，分別是燒結礦帶、燃燒帶、預熱帶、干燥帶和過濕帶，燃燒帶是燃料進行燃燒的區域，放出大量的熱，因此，該區域溫度最高，平均溫度為1100~1500℃。燃燒帶上方是燒結礦帶，此區域已經完成燃料的燃燒反應，且由于大量冷空氣在該區域穿透帶走大量熱量，所以燒結礦帶整體溫度較低，尤其是料面溫度接近室溫，在燒結礦帶中下部僅存在少量反應余熱，溫度有所上升，而在與燃燒帶接觸的區域溫度直線上升。燃燒帶下方為預熱帶，燃燒后的熱量除了供混合料反應外大部分隨氣流進入了預熱帶，因此，預熱帶的平均溫度僅次于燃燒帶，該區域主要進行結晶水的蒸發、碳酸鹽的分解等，還有部分礦石的固相反應。預熱帶下方為干燥帶，燃燒廢氣達到該區域后溫度只有100~150℃，因此，只有游離水的蒸發，對料層起到干燥作用。料層最下方為過濕層，此時溫度降至100℃以下，由于上方大量水蒸氣的蒸發，在該區域溫度降低后液化，使得料層含水率提高至15~20%，該現象的存在使得制粒小球結構發生變化，降低料層的透氣性，惡化燒結環境，當燃燒帶移動至料層高度的1/3處時這種負面影響達到最大值，隨著燃燒帶的下移，當達到料層厚度的3/4處后基本消失。
圖2 燒結料層不同分帶的溫度變化
圖3 不同區域最高溫度的變化趨勢
當混合料被點燃之后，在負壓的作用下燃燒帶會逐漸下移，下移的速度稱為垂直燒結速度，燃燒帶內的溫度雖然是料層內的最高溫度，但是該溫度會隨著燒結的進行而變化，變化趨勢見圖3。從圖中可以看出，隨著燃燒帶的下移，燃燒帶內的最高溫度逐漸升高，當燃燒至料層最底端時達到整個燃燒過程的溫度最高值。燃燒帶內的最高溫度之所以隨著燃燒的進行逐漸升高主要是由于料層自動蓄熱的結果，當燃燒帶位于料層上方時其產生的熱量一部分用于加熱該區域的物料，一部分用于化學反應的進行，剩余絕大多數隨氣流進入下層加熱未燃燒的料層，而當燃燒帶下移后，下層的物料由于提前進行了預熱，其初始溫度升高，使得該區域相對溫度得到提升，這種溫度提升現象隨著料層的燃燒越來越明顯。
4 溫度對質量的影響
料層內部高溫平均維持時間指的是某一區域溫度高于1100℃（或某一特定值）的持續時間，它是影響燒結質量的重要指標，當某一區域溫度過高，且維持時間較長時容易產生液相增多、透氣性下降、還原性變差等現象。理論上高溫平均維持時間是垂直燒結速度的單因素函數，即某一區域垂直燒結速度越快，高溫平均維持時間就越短，但在實際生產中變化趨勢較為復雜，見圖3，隨著距料面距離的增加，高溫平均維持時間緩慢增加，在料層1/2處增加幅度大幅提高，在接近料層底部時達到最高值，進而下降。產生這種現象的原因一方面與垂直燒結速度有關，另一方面主要是由于自動蓄熱作用的影響，越接近料層底部，自動蓄熱作用越強，燃燒帶內溫度就越高，從而使得高溫維持時間的延長。
圖4 燃料用量對料層最高溫度的影響
燒結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系，圖4為不同燃料加量的混合料點火后在垂直料層位置上所能達到的最高溫度的變化趨勢。從圖中可以看出，混合料中未加固體燃料時，在1000℃點火后最高溫度隨料層深度的增加而直線降低，在距料面200mm位置時降至最低點并持續到剩余的整個料層，這是由于點火后沒有固體燃料的燃燒，能量供應中斷，點火時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逐漸放緩，與未加燃料時相比這三條曲線都發生了燃燒反應并放出了熱量，使得底部料層溫度有上升趨勢，但是熱量不足以維持料層的礦化反應。當固體燃料加至2%時溫度曲線出現了升高現象，說明燃料中熱量得以釋放，燒結過程可以維持進行，因此，燃料配加時一般以2%的極限。
圖5 燃料粒度對燒結溫度的影響
燃料粒度較小時，比表面積較大，與空氣接觸點較多，燃燒劇烈，最高溫度較高，但是高溫區域較小，溫度集中，相鄰區域溫度下降快；當燃料粒度較大時，燃燒較慢，燃燒帶較寬，最高溫度下降，但高溫保持時間較長，相鄰區域溫度下降緩慢。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，在一定范圍內增加風量，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，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下降。一般用空氣過剩系數來規范空氣的加入量，過剩量在通常1.1~1.5之間。
5 料層熱量的平衡計算
圖6 燒結整體熱量的平衡
對于整個燒結過程，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火熱和燃燒熱，而輸出熱有滯留熱差、反應熱差和廢氣熱，見圖6，因此，可列如下等式：
式中：Q1—點火熱，J；
Q2—燃燒熱，J；
Q3—滯留熱差，J；
Q4—反應熱差，J；
Q5—廢氣熱，J。
點火熱為點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，另一部分則進入料層中用于加熱混合料。燃燒熱是燒結的主要熱源，是固體燃料燃燒所釋放的熱量。滯留熱差是對于整個燒結過程來講燒結前后溫度（熱量）的變化值，在數值上等于燒結礦總熱量減燒結前混合料的總熱量，在燒結前，混合料由于預熱作用帶入部分熱能，而在反應后燒結礦溫度較高，兩者差值則為輸出熱量之一。反應熱差是燒結礦因發生物理化學反應而產生的熱量的差值，如磁鐵礦反應前需要吸收足夠的熱量以達到其反應的活化能，氧化后會放出一定的能量，其差值則為反應熱差，燒結中所有礦物的生成、石灰石的分解、水分的蒸發等都屬于反應熱差。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。
整個燒結過程的能量是守恒的，對于燒結料層中某一斷面或區域同樣具有守恒性，但料層表面與內部能量的流動具有一定的差異。在料層表面，熱量的輸入和輸出與整個燒結過程的熱量流動類似，即點火熱與燃燒熱之和等于滯留熱差、反應熱差與廢氣熱之和，但在料層內部，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，即高溫物體自發向低溫物體傳遞熱量。在燒結時，燃燒帶溫度極高，在負壓作用下熱量向下移動，對下層物料產生加熱作用，它是除燃燒熱之外的最主要的熱源，據統計，輻射熱可占到料層反應所需熱的30%以上。對于料層表面，其點火熱和燃燒熱計算如下：
式中：Q1—點火熱，J；
Q2—燃燒熱，J；
M—單位時間煤氣的消耗量，m3/min或m3/s；
q1—煤氣燃燒的熱值，J/ m3；
ν—燒結臺車的移動速度，m/min；
W—該單元表層物料的質量，kg；
c—燃料的配比，%；
q2—固體燃料燃燒的熱值，J/ kg。
滯留熱差與反應前后物質的種類、質量、最終溫度有關，計算公式如下：
式中：k—滯留系數；
Q3—滯留熱差，J；
m1—反應后燒結礦的質量，kg；
C1—反應后燒結礦的比熱容，J·kg-1·℃-1；
t1—反應后燒結礦的溫度，℃；
t0—未預熱混合料的溫度，℃；
m2—反應前混合料的質量，kg；
C2—反應前混合料的比熱容，J·kg-1·℃-1；
t2—反應前混合料的溫度，℃。
滯留熱差受反應環境、燒結溫度、物質種類等不可控因素的制約，因此其計算值與實際值會有一定的偏差，為了縮小偏差范圍用滯留系數進行矯正，一般該系數取值范圍為0.5≤k≤2.5。反應熱差是由于發反應而產生的能量差，由于在燒結過程中發生的反應較多，有的屬于可逆反應，有的則是反應物和生成物較難確定，因此，反應熱差在計算時只考慮Fe3O4、CaCO3的化學反應熱和水的蒸發熱，其他反應熱量則用系數代替，計算公式如下：
式中：Q4—反應熱差，J；
k1—反應系數；
m1—反應后燒結礦的質量，kg；
m2—反應前混合料的質量，kg；
c1—反應后燒結礦中FeO的含量，%；
γ1—每生成單位質量FeO釋放的熱量，J·kg；
c2—反應前混合料中FeO的含量，%；
γ2—每反應單位質量FeO吸收的熱量，J·kg；
c3—反應前混合料中CaO的含量，%；
γ3—每生成單位質量CaO放出的熱量，J·kg；
γ4—每反應單位質量CaO吸收的熱量，J·kg；
c5—反應前混合料中的水分，%；
γ4—單位質量水的汽化熱，J·kg。
料層某一斷面或區域在燒結過程中會向下傳遞廢氣熱，這種熱量是由于氣體溫度的上升而產生的，其理論計算公式如下：
式中：Q5—廢氣熱，J；
k2—廢氣熱系數；
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—排出某一斷面或區域廢氣的溫度，℃；
t1—進入某一斷面或區域廢氣的溫度，℃。
廢氣熱實際上是反應前后氣體中熱量的變化，但是反應前后廢氣的性質產生了改變，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的增加，因此，反應前后改變了氣體的種類。為了便于計算，公式4-78中省略了氣體性質的改變，僅是反應前后氣體溫度的變化，因此，通過廢氣熱系數k2進行調整，該系數與廢氣量、溫度變化有關，廢氣量越大、溫度變化越大，廢氣熱系數越大。
輻射熱是針對于料層內部的熱量守恒而言的，在燒結料層表面無輻射熱，輻射熱對于燃燒層而言是重要的輸出熱，在數值上輻射熱與廢氣熱呈正比例關系，公式如下：
式中：Q6—輻射熱，J；
Q5—廢氣熱，J；
k3—輻射系數。
輻射熱雖然屬于輸出熱，但對于整個料層而言是有益的，它能對燃燒層下方的物料進行加熱，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%，且隨燒結料層厚度的減少而增加。