Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Раздел1. Закономерности теплообмена при подготовке руд к плавке

Общая характеристика процесса агломерации

Необходимым условием подготовки железорудной шихты к домен­ной плавке является ее окускование, один из видов которого — агло­мерация. В процессе агломерации шихта, содержащая 5-10% известня­ка, до 5% (по углероду) твердого топлива, 5-7% воды, до 20% возврата, остальное — железорудный концентрат, после окомкования подверга­ется спеканию в агломерационной машине, схема которой представле­на на рис. 15.1. Шихта загружается на аглоленту 1, слоем высотой 200-450 мм, твердое топливо зажигается газовым или мазутным факе­лом в зажигательном горне 2 и затем процесс горения поддерживается просасыванием холодного воздуха через слой с помощью вакуум-камер 3 и дымососа 4- Имеет место перекрестная схема движения шихты и газа, причем в отличие от рассмотренного в гл. 8 случая в реальном процессе имеет место изменение физико-химических и теплофизиче-ских параметров сред вследствие происходящих в слое шихты про­цессов (сушка, горение топлива, восстановление и окисление оксидов железа, разложение карбонатов, плавление шихты и т. п.). Образую­щаяся зона горения твердого топлива постепенно перемещается вниз, разделяя слой агломерируемой шихты на верхнюю и нижнюю ступени теплообмена (рис. 1.1). Толщина разделяющей их зоны горения зави­сит от продолжительности горения частиц коксовой мелочи в шихте, в свою очередь, зависящей от размера частиц, скорости просасывания воздуха и т. п.

Рис. 1.1 Схема агломерационной машины:

1 — аглолента; 2 — зажигательный горн; 3 — вакуум-камеры; 4 — дымосос

Рис. 1.2. Схема слоя агломерируемой шихты:

1 — спек-агломерат; 2 — зона горения; 3 — зона подогрева; 4 — ^зона сушки;

5 — влажная шихта

При высоких температурах шихта частично плавится и происхо­дит достаточно медленное догорание кокса в расплаве, причем часть несгоревшего углерода остается в спеке. Средняя толщина зоны горе­ния составляет 15-20 мм, причем температура зоны горения во многом определяет условия формирования агломерата. Однако в зоне горения следует различать температуру горящих частиц кокса, железосодер­жащего концентрата, газа и т. п. Каждая из них по-разному меняется в пределах зоны горения, и определение истинных температур представляет собой весьма трудоемкую задачу. Среднюю температуру зо­ны горения можно найти из теплового баланса элементарного слоя, выделенного в зоне горения. Температура в зоне горения значительно зависит от положения зоны в спекаемом слое. Поскольку в началь­ный период спекания практически отсутствует регенерация тепла в слое агломерата-спека, температура в зоне горения твердого топли­ва не превышает 1000-1100°С. По мере перемещения зоны горения к колосниковой решетке проходящий через слой спека воздух подогрева­ется, и температура в зоне горения возрастает. Состав покидающих зону горения продуктов сгорания зависит от содержания углерода в шихте (рис. 1.3). При низком содержании углерода (рис.15.3, в) про­исходит частичное окисление РеО до РегОз, вследствие чего умень­шается концентрация СО в выходящем из зоны горения газе. По мере увеличения содержания углерода в шихте уменьшается концентрация О₂ в продуктах горения и при содержании угле­рода, превышающем 3,3%, протекают восстановительные реакции оксидов железа.

Таким образом, как по составу материала и газа, так и по темпера­турным условиям слои шихты выше и ниже зоны горения значительно различаются. В свою очередь, различные условия теплообмена в верх­ней и нижней ступенях теплообмена (рис. 1.2) определяют и разные скорости перемещения фронта теплопередачи.

Рис. 1.3. Изменение состава газа по толщине зоны горе­ния при различном содержа­нии углерода в шихте (% С_а >%С_б>%С_с)

Рассмотрим процесс распространения тепла в нижней ступени те­плообмена, принимая следующие допущения: контактная теплопровод­ность между кусками шихты пренебрежимо мала; расход газа в те­чение процесса неизменен; объемные теплоемкости газа С_{r, v} И ших­ты С_{ш , v} неизменны; на любом горизонте теплообмен считается за­вершенным, и температуры газа Т_г и шихты Т_ш одинаковы, т. е. Т_г=Т_ш= Т_n,, изменение энтальпии элементарного слоя шихты тол­щиной ∆h, площадью поверхности S и порозностыо е за время ∆t

где Т_п — температура n-го элементарного слоя.

За это время сверху в рассматриваемый элементарный слой с про­дуктами сгорания поступает

а в низ уходит

где w_г>о — скорость движения продуктов сгорания.

Изменение энтальпии рассматриваемого элементарного слоя при принятых допущениях обусловлено только разницей между приходом и расходом теплоты с продуктами сгорания, т. е. Q_n =Q_г,_n-1 - Q_г,_nПодставляя в это равенство выражения (15.1)-(15.3), после несложных преобразований получили

Правая часть соотношения (15.4) представляет собой градиент температуры в еаправлении потока, левая часть – произведение двух сомножителей, второй из которых характеризует скорость нагрева, а первый – величину, обратную скорости движения политермической поверхности

называемую также скоростью движения фронта теплопередачи нижней ступени.

По аналогии для верхней ступени теплопередачи

где С_в1, _v, С_в, _v — объемные теплоемкости воздуха и агломерата; е_а — порозность слоя агломерата; w_в,_o — скорость фильтрации воздуха че­рез слой агломерата.

Поскольку теплоемкость и объем продуктов сгорания больше, чем воздуха (появление СО₂ вместо О₂, выделение летучих, образование газообразных продуктов восстановления оксидов железа и т. п.), то

u_т,н > u_т,в.

Важным параметром агломерационного процесса, характеризую­щим интенсивность спекания шихты и в конечном итоге — произ­водительность агрегата, является "вертикальная скорость спекания", определяемая как отношение толщины слоя исходной шихты к продол­жительности процесса. Эту величину можно представить в виде

где _ш — кажущаяся удельная теплоемкость шихты, учитывающая поглощение и выделение тепла вследствие протекания реакций.

Анализ формул (15.5)-(15.7) позволяет сделать ряд практических выводов, существенных для процесса агломерации. Более высокая по­розность агломерата по сравнению с шихтой является одной из причин увеличения толщины зоны высоких температур (включающей зону го­рения и зону охлаждения спека) по мере ее смещения вниз. Однако большая скорость движения фронта теплопередачи в нижней ступени приводит и к большей протяженности (по сравнению с верхней ступе­нью) зоны высоких температур. Поскольку в действительности тепло­обмен в пределах каждого элементарного слоя не является завершен­ным, это также способствует увеличению протяженности высокотем­пературной зоны. Однако на вы­ходе из слоя процесс теплообме­на практически завершается, и температура отходящих газов под колосниковой решеткой достаточ­но низка вплоть до момента при­ближения к ней зоны горения (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Изменение температу­ры отходящих газов под колосни­ковой решеткой в ходе спекания