《烧结球团》课件

无烟煤
随着煤炭化的程度不同，煤中的挥发物含量的差别是很大的。 炭化程度越高，它的挥发分含量也就越少。 无烟煤是各种煤中炭化最好的烧结燃料。
要求无烟煤的发热量大于6000千卡/公斤，挥发分小于10%， 灰分小于15%，硫小于2.5%，进厂的粒度小于40毫米。
无烟煤
无烟煤孔隙率小，反应性较差，导致垂直烧结速度 下降和烧结矿质量恶化。
烧结料层中的热交换十分有利，固体碳颗粒燃烧迅速，在 一个厚度不大(一般为30~40mm)的高温区内进行。燃烧在 “扩散燃烧区”进行。 计算氧平衡时，考虑碳酸盐的分解、铁氧化物的氧化或还 原，废气中（CO2+1/2CO+O2）与空气和单一碳的燃烧反 应的平衡组成不同。
特
点
燃烧带的特征是一种“嵌晶”结构——碳粒燃烧是在周围 没有含碳的惰性物料包围下进行的。 在靠近燃料颗粒附近，高温度和还原性气氛占优势，氧气 不足。特别是在烧结块形成时，燃料被熔融物包裹时氧更 显得不足。 空气抽过邻近不含碳的区域，温度低得多，明显的氧化气氛
1.3 固体燃料特性及用量对烧结过程的影响
1.3.1 固体燃料的粒度
燃料的粒度过大时，会带来一系列的不良影响 a.燃烧带变宽，从而使烧结料层透气性变坏。
b.燃料在料层中分布不均匀，在大颗粒燃料的周围熔化得厉害， 离燃料颗粒较远的地方的物料则不能很好地烧结。 c.粗粒燃料周围，还原性气氛较强，而没有燃料地方空气 得不到利用 d.在向烧结机布料时，易产生燃料偏析现象，大颗粒燃料集中 在料层的下部，再加上烧结料层下部的蓄热作用，使烧结料层 的温度差异更大，以至造成上层烧结矿的强度差，下层过熔 FeO含量偏高。
特
点
烧结料层中燃料燃烧除空气供给氧外，混合料中某些氧化物 所含的氧，也往往是燃料活泼的氧化剂。
燃烧产物除中除O2外，还包括CO、CO2的O2。 理想状态：CO2+0.5CO+O2接近21%； 赤铁矿：22-23%，软锰矿：23.5%;磁铁矿：18.5-20%。
气相组成
0
2
4
6
8
10
12
图 在烧结试验过程测得废气成分的变化
-1 0 0 0 0 0
-2 0 0 0 0 0
O 2C
-3 0 0 0 0 0
+
O
2
=
2C
O
2
G , J
C + O 2=
-4 0 0 0 0 0
CO
2
0
978k
-5 0 0 0 0 0
CO
2
+
2 C + O 2=
-6 0 0 0 0 0
2C O
C=
2C
O
-7 0 0 0 0 0 0 500 1000 1500 2000 2500
1.3.1 固体燃料的粒度
固体燃料的粒度，与混合料中各组分的特性有关。 当烧结8～0毫米粉矿时，燃料粒度稍大时对烧结过程 影响不大，而当减少燃料粒度时，烧结质量则明显地 下降。
烧结粒度为-8mm的铁矿粉时，粒度为1~2mm的焦粉 最适宜，这样的粒度有能力在周围建立18~20mm烧 结矿块。
铁精矿由于粒度细，当燃料粒度减少时对烧结过程影响不大， 而当其粒度稍有增大时，却使成品烧结矿的产率和强度显著 下降
1.1.2 固体燃料燃烧动力学
在烧结过程中，固体燃料呈分散状分布在料层中， 燃烧规律介于单体焦粒燃烧与焦粒层燃烧之间， 固体碳的燃烧属非均相反应。
由五个步骤组成： (1)氧由气流本体通过界面层扩散到固体碳的表面； (2)氧在碳粒表面上吸附； (3)吸附的氧与碳发生化学反应； (4)反应产物的解吸； (5)反应产物由碳粒表面通过界面层向气相扩散。 限制性环节（1、3两步的速率最小）： • a 氧向含碳表面的扩散； • b 相界面上的化学反应。
碳粒燃烧速度
D D (C O C
2
s O2
)
R R (C
D (C O C
2
s O2
)
n
s O2
) RC C O2
s O2
C
s O2

D D R
碳粒燃烧的总速度


D

R
D R D R
C O2 C O2

D
—界面层内传质系数（内扩散系数）
最适宜的燃料用量应保证所获得的烧结矿具有足够的强度和 良好的还原性。（由试验确定）
1）磁铁矿烧结过程中，由于Fe3O4氧化放热，燃料用量小些；
2）赤铁矿缺乏磁铁矿氧化的热收入，故燃料用量要高些； 3）菱铁矿和褐铁矿则因为碳酸盐和氢氧化物的分解需要消 耗热量，－般则要求更高的燃料用量。 目前一般烧结的燃料用量为5～6%
燃烧比[CO／(CO十CO2)] 衡量烧结过程中碳的化学能的利用程度。
a）燃烧比大则碳素利用差，气氛还原性较强； b）反之碳素利用好，氧化气氛较强。
影响燃烧比的因素
a）燃料粒度变细，燃烧比增大（CO2+C=2CO） b）混合料中燃料含量增加，燃烧比增大（ CO2+C=2CO ） c）烧结负压增大，燃烧比增大（燃烧产生的CO来不及燃烧） d）料层高度提高,燃烧比增大 （烧结时间延长和烧结温度提高） e）返矿量减少,燃烧比增大 （燃料分布密度增大、烧结时间延长和烧结温度提高）
R —化学反应速率常数
C O2
0
—气流中氧浓度
令： k 1 k 1 kD 1 k
R
kDkR kD kR
或者
1 k

1 kD

1 kR
称为反应的总阻力 称为扩散阻力 称为化学反应阻力
扩散阻力 化学反应阻力
反应的总阻力
氧气浓度 气流速度 燃料粒度 燃烧温度
在低温下，化学反应速度很慢，过程的总速度取决于化学反 应速度，称为“动力学燃烧区”。燃烧速度主要受温度的影 响，次之为氧气的浓度。
（3）预热由水分干燥基本结束时开始，燃料着火为止；
（4）焦粉燃烧，温度迅速升高,进行烧结过程； （5）燃烧基本结束，烧结料开始冷却，固结成烧结矿。
1400 1200
1000
料层温度/℃
800 600 400 200 0
焦粉着火温度（700℃）
原料带
水汽 冷凝带
干燥 预热带
燃烧带
烧结矿带
第1章 烧结过程燃料燃烧 与传热规律
在烧结精矿时(-lmm，其中-0.074mm占30％)，焦粉粒度 0.5~3mm最好；
1.3.2 固体燃料的种类
碎焦粉粉末和无烟煤
焦碳是炼焦煤在隔绝空气高温加热后的固体产物
碎焦粉末是高炉Байду номын сангаас的焦碳的筛下物，粒度一般小于25毫米
焦 粉
衡量焦碳的质量—化学成分、物理机械性能、物理化学性质。 化学成分－工业分析（固定炭、灰分、挥发分和含硫量） 物理机械性能－机械强度 （如耐磨性和抗冲击强度、抗压强度）及筛分粒度组成 物理化学性质－燃烧性和反应性。 燃烧反应速度越快，燃烧反应性越高， 反应性好的焦碳燃烧性也好。
温度，K
在烧结料层中可能进行的反应
• 高温 CO稳定，低温 CO2稳定； • 氧过剩生成 CO2 碳过剩生成 CO； 燃料所处状态： 燃料群→燃烧前沿有C →生成CO 单颗粒→燃烧前沿有O2→生成CO2 对于烧结料层，碳完全燃烧的可能性大，但在高温 燃烧带，或者当燃料太多时，也可能生成CO。
烧结料层中，总体是氧化气氛，局部存在还原气氛。
无烟煤的着火温度为750-770 ℃，挥发物的分解挥发 温度为380－400℃
挥发物不可能燃烧而进入废气，与废气－起进入抽风除尘 系统，而在管道壁、排灰阀、除尘器，以及抽风机的内壁 和转子的叶片上沉积下来，危及和妨害整个抽风系统的正 常工作。
原 则
1）尽量使用焦粉;
2）当焦粉供不应求时，可考虑使用无烟煤;
1.2 烧结料层中燃烧带的特性分析
1.2.1 烧结过程中燃烧带的特性分析
研究烧结过程中碳粒燃烧速度的目的之一是要研 究燃烧带的厚度和燃烧带的移动速度。
假定烧结料是由惰性物料与燃料组成，并不发生 任何化学反应，同时燃料的燃烧反应以扩散为主。 此外，在推算中考虑到燃料颗粒相对表面积的作 用及影响燃烧速度的化学反应速度的因素。
烧结矿带(成矿带): 熔融物（液相）冷凝 矿物析晶 空气得到预热
预热干燥带： 水分蒸发， 结晶水及石灰石分解 矿石氧化还原 固相反应 热交换迅速 废气温度 从1500 ℃下降到60~70 ℃
水分冷凝带(过湿带): 上层高温废气带入较多的水气 进入下层冷料时水分析出 影响烧结透气性 破坏已造好的混合料小球
C和CO2的反应则在1200℃时才转入。
烧结过程影响燃烧速度的因素
在点火后不到1min，料层温度升高到1200-1350℃
烧结过程燃烧反应基本上是在扩散区内进行。 一切能够增加扩散速度的因素，都能提高燃烧反应
速度，强化烧结过程：
减小燃料粒度
增加气流速度（改善料层透气性、增大风机风量等）
气流中的氧含量
在高温下，化学反应速度很快，氧的扩散速度相对很慢，过 程的总速度取决于氧的扩散速度，称为“扩散燃烧区”。 燃烧速度主要受气流速度，燃料的粒度等因素。
氧气浓度 气流速度 燃料粒度 燃烧温度
在“动力学燃烧区”与“扩散燃烧区”存在一个过渡燃烧 区。 不同反应由动力学区进入扩散区的温度不同： C和O2的反应于800℃左右开始转入；
1.1.1 固体燃料燃烧热力学
固体炭在温度达700℃以上即着火燃烧，发生如下反应： 碳的不完全燃烧反应： 2C＋O2＝2CO △G0＝－223426—175.31T J 碳的完全燃烧反应： C＋O2＝CO2 △G0 ＝－394133－0.84T J CO的燃烧反应： 2CO＋O2＝2CO 2 △G0 ＝－564840＋173.64T J 布都尔反应（歧化反应、碳素沉积反应）： CO 2＋C＝2CO △G0 ＝170707－174.47T J
本章内容
1.1 燃料燃烧基本原理 1.2 燃烧带的特性分析 1.3 固体燃料特性及用量对烧结过程的影响 1.4 烧结料层中的温度分布及蓄热 1.5 烧结过程传热规律及应用
1.1烧结料层燃料燃烧基本原理
烧结过程中，混合料中固体燃料燃烧所提供的热量占烧结 总需热量的90%左右，因此，主要介绍固体燃料燃烧规律。
烧 结 球 团 学
第一篇烧结理论与工艺
烧结工艺流程图（详细介绍）
烧结料层
1一烧结杯；2一炉篦；3一废气出口； 4一煤气点火器；5—铺底料
燃烧带(燃料燃烧带) 温度1100~1500℃ 混合料软化熔融,形成液相. 对烧结过程产量及质量影响很大 过宽则料层透气性差， 导致温度低,液相量不足， 烧结矿粘结不好，强度低。 宽窄受燃料粒度、抽风量等因素影响
燃料分散于烧结料中,碳含量少、粒度细而且分散，按重 量计燃料只占总料重的3％~5%，按体积计不到总料体积 的10％；烧结过程中的燃烧是介于单颗粒与燃料群的典型 的固定床燃烧。 空气过剩系数较高(常为1.4~1.5)，故废气中均含一定数量 的氧。烧结过程整体是氧过剩，局部碳过剩。
1.2.2 燃烧带特性与燃烧废气组成
燃料的粒度过小时： a.烧结速度快，燃烧所产生的热量难以使烧结料 达到所需的高温，从而使烧结矿的强度下降 b.小的燃料颗粒（小于0.5毫米）使烧结料层的透气性变坏， 并有可能被气流带走。 燃料最适宜的粒度为0.5～3毫米，日本规定燃料粒度下限为 0.25毫米，我国一般烧结厂只要求控制在3～0毫米范围内。
I 0 ut 0
nwd ln( C O / C H ) 6 2 (1 m ) ( a 1 f a 2 f )( 1 b arctg 1 b )
燃烧带的宽度由燃料颗粒的直径d，空气流速w， 原始气体中的氧的浓度CH，料层的透气性质m 及n以及系数b来决定。
1.2.2 燃烧带特性与燃烧废气组成
原始烧结料带 物料的物理、化学性质基本不变
①冷却再氧化过程 ②熔体结晶 ③固相反应，氧化还原，原氧化物、 碳酸盐、硫化物的分解 ④燃料燃烧,液相熔体生成,高温分解 ⑤挥发,分解,氧化还原,水分蒸发 ⑥水汽冷凝
烧结过程
（1）混合料接受高温饱和废气中的水分，料层水分提
高而逐渐成为过湿层；
（2）当废气水分由饱和过渡到不饱和时，烧结混合料 开始干燥；
3）不能使用高发挥份的烟煤。 焦粉和无烟煤中的挥发分含量，不应超过5％。 燃料的灰分尽可能低些。燃料中灰分含量增多必然引起烧结 料含铁量降低和酸性氧化物增多（灰分中SiO2的数量高达 50%以上）因而必然相应需要增加熔剂的消耗量 。
1.3.3 固体燃料的用量
燃料用量影响烧结的温度和烧结气氛。 燃料用量高时： 1）烧结温度高，有利烧结液相的发展，烧结矿强度高； 2）还原性气氛强，不利于铁酸钙体系的发展，烧结矿FeO含 量高，强度低，还原性差。