Влияние гранулометрического состава агломерационной шихты на про­цесс спекания связано с газодинамикой, с диффузией кислорода к топливным частицам и условиями внутренней и внешней теплопередачи. В спекаемом
слое существуют две явно выраженные зоны теплообмена: над зоной горения твердого топлива, где тепло готового агломерата передается просасываемому холодному воздуху, и под зоной горения, где теплом горячих газов нагрева­ется неспеченная шихта. Движение газового потока через спекаемый слой, таким образом, определяет перемещение зоны горения и теплообмен в слое. Фильтрация стимулируется не только градиентом давления, но и воздействи­ем со стороны протекающих в слое реакций, активно потребляющих окисли­тель и выделяющих газообразные продукты реакции. Скорость перемещения зоны горения, например, линейно зависит от скорости фильтрации просасы­ваемых через слой газов и является функцией и теплофизических свойств шихты, и параметров горения твердого топлива. Она зависит также и от удельного расхода воздуха, а соответственно и от удельного выхода продук­тов горения, который в зависимости от конкретных условий изменяется от

700 до 1000 м3 / т. При высоких скоростях фильтрации газов, просасываемых через слой, пониженном содержании кислорода в них и высоком содержании топлива в шихте скорость перемещения зоны горения лимитируется скоро­стью выгорания топливных частиц в слое.

Свойства шихты и агломерата - теплоемкость, объемная масса, пори­стость, крупность шихтовых материалов и образованных из них агрегатов оказывают существенное влияние на процессы теплообмена в слое.

Чем крупнее гранулы шихты и ниже суммарный коэффициент теплоот­дачи, тем хуже усваивается тепло газовым потоком. Аналогично влияет и увеличенная макропористость агломерата.

Уменьшение крупности гранул способствует увеличению скорости нагрева всей массы шихты. Тепло твердого топлива концентрируется в узкой зоне агломерируемого слоя. Однако лимитирующим фактором в этом случае является диффузия кислорода к топливным частицам.

С увеличением скорости фильтрации перемещение горизонта макси­мальной температуры прогрессивно отстает от горизонта температуры, рав­ной температуре воспламенения твердого топлива, что приводит к расшире­нию зоны формирования агломерата. При улучшении газопроницаемости слоя увеличиваются скорость фильтрации и количество просасываемых га­зов, что повышает максимальную температуру в зоне горения. Коэффициент теплоотдачи повышается в меньшей степени, ввиду чего шихта под зоной го­рения прогревается недостаточно и процессы дегидратации и декарбониза­ции заканчиваются в зоне горения. Эндотермичность этих процессов приво­дит к температурному торможению перемещения зоны горения.

При решении задач интенсификации агломерационного процесса невоз­можно ограничиваться лишь оптимизацией свойств шихты, необходимо учи­тывать свойства агломерируемого слоя и возможности эксгаустера. Это свя­зано с тем, что с изменением крупности окомкованной агломерационной шихты изменяется скорость фильтрации газов через слой, а это, в свою оче­редь, определяет поступление кислорода к горящим частицам твердого топ­лива. Если крупность окомкованной шихты уменьшается, уменьшается ско­рость фильтрации воздуха. Но в этом случае можно уменьшить высоту агло­мерируемого слоя. Поступление кислорода к горящим частицам твердого топлива не изменится, и интенсивность агломерационного процесса останет­ся на прежнем уровне.

В агломерационном процессе тепло, выделяемое при сжигании топлива в верхней части слоя или поступающее от зажигательного горна, использует­ся многократно. В верхней части слоя значительное количество тепла посту­пает от зажигательного горна и регенерация тепла незначительна в отличие от нижней части слоя, в которой регенерированное тепло составляет суще­ственную часть теплового баланса. Поэтому, когда в нижних частях слоя приход тепла превышает технологически оправданный уровень, целесооб­разно уменьшить удельный расход твердого топлива, увеличив приход тепла в верхние горизонты от зажигательного горна, либо перераспределить топли­во по горизонтам слоя обратно пропорционально количеству регенерирован­ного тепла, приходящего из верхних горизонтов.

При оценке гранулометрического состава агломерационной шихты необходимо ставить вопрос определения не "оптимальной", а предельной крупности гранул. Многочисленные исследования [43 - 60] и промышленная практика функционирования аглофабрик ряда заводов показали, что верхним пределом крупности аглоруды и возврата являются частицы крупностью до 8 мм, а в ряде случаев до 10 мм. Более крупные зерна руды и возврата, не со­держащие топлива, медленно прогреваются, слабо спекаются с соседними участками и являются концентраторами напряжений, очагами разрушения аглопирога.

По-иному встает вопрос определения предельной крупности гранул окомкованной шихты. В отличие от кусочков руды и возврата, гранулы со­держат твердое топливо. В процессе спекания они нагреваются не только ре­генерированным теплом отходящих газов, но и теплом от сгорания твердого топлива, которое закатано вовнутрь гранул. Гранулы аглошихты, в отличие от необожженных окатышей, получаемых из тонких и суперконцентратов, имеют высокую пористость и в процессе спекания к ним поступает кислород воздуха в достаточном для горения количестве.

Для определения влияния крупности гранул на показатели агломераци­онного процесса автором были проведены спекания агломерата из шихты, содержащей в рудной части 100 % концентрата, 20 % возврата. Основность была равной 1,2. Такой состав аглосмеси продиктован необходимостью по­лучения гранул различной крупности, но одинакового химического состава. В основу исследований была положена гипотеза о том, что определенной крупности гранул окомкованной агломерационной шихты соответствует определенная высота агломерируемого слоя. Поэтому при спекании шихты крупностью менее 3 мм высота слоя была равной 200 мм, шихты крупностью 5 - 3 мм высота слоя равнялась 300 мм, шихты крупностью 10 - 5 мм высота равнялась 600 мм и при спекании шихты крупностью 15 - 10 мм высота слоя была равной 800 мм. Разрежение под колосниковой решеткой во всех опытах было равным 9 кПа. Известно [47], что для нагрева гранул повышенной крупности необходимо определенное время пребывания при высокой темпе­ратуре. При спекании шихты в слое высотой до 300 мм в верхней части спека развивается высокая температура - до 1200 - 1300°С. Однако зона высоких температур очень мала. Тепла недостаточно для проплавления гранул круп­ностью 5 мм.

С целью создания благоприятных условий спекания шихты крупностью 10 - 5 мм и 15 - 10 мм в верхнюю часть слоя укладывали зажигательный слой высотой 100 мм, представленный гранулами всех классов крупности, который создавал тепловой импульс, способствующий успешному прогреву верхней части гранул повышенной крупности.

Результаты исследований приведены на рис. 2.4 и рис. 2.5. Характерной особенностью спеканий является повышение выхода годного агломерата и

удельной производительности с увеличением крупности гранул окомкован - ной шихты.

Количество мелочи, частиц менее 5 мм, в готовом агломерате непрерыв­но уменьшается. Вертикальная скорость спекания достигает максимума при спекании агломерата из гранул 5 - 3 мм, а затем несколько снижается. Это объясняется, видимо возросшим отрицательным влиянием скорости горения твердого топлива в крупных гранулах перед положительным влиянием воз­росшей газопроницаемости агломерируемого слоя.

Спекания агломерата из гранул класса крупности 15 - 10 мм с одновре­менным повышением высоты слоя до 800 мм позволили получить удельную

производительность 1,39 т/м час и высокое качество агломерата. Это говорит о том, что потенциальные возможности агломерационного производства ис­пользуются в настоящее время далеко не полностью. Для достижения высо­ких показателей спекания железорудного агломерата, необходимо расширить представление относительно величины оптимальной крупности гранул.

С целью совершенствования технологии агломерационного производ­ства автором были исследованы показатели процесса при спекания шихты постоянной крупности, постоянной влажности в слое постоянной высоты. Для этого использовалась агломерационная смесь крупностью 10 - 7, 7 - 5, и 5 - 3 мм. Шихту спекали в слое 300 мм. Время зажигания 1,5 мин. Результа­ты представлены на рис. 2.6.

Уменьшение скорости фильтрации газов через слой способствует повы­шению прочности агломерата независимо от крупности окомкованной ших­ты. При постоянной высоте агломерируемого слоя для шихты постоянного гранулометрического состава имеется определенное значение скорости фильтрации газов соответствующее максимальной производительности агло­установки. Причем, чем крупнее шихта, тем меньшее значение имеет опти­мальная скорость фильтрации (рис. 2.6). Однако это не значит, что потенци­альные возможности увеличения производительности аглоустановки здесь исчерпаны: для интенсификации аглопроцесса при увеличении скорости фильтрации выше "оптимальной" необходимо добавить тепла в слой. Для этого следует либо добавить твердого топлива, либо увеличить тепловую нагрузку при зажигании, либо увеличить высоту агломерируемого слоя.

а

'■о

о

50

§

О

§

а:

л

§

£

При спекании в высоком слое крупной шихты (5 - 10 мм) создаются условия не свойственные ни для основного, ни для начального периодов аг­ломерации. Во-первых, на нижнем горизонте уложены наиболее крупные гранулы. Во-вторых, при выходе зоны сушки на колосниковую решетку уве­личивается условная скорость фильтрации газов. Кроме того, здесь по осо­бенному проявляет себя процесс диссоциации карбонатов. Если предполо­жить (этой точки зрения придерживаются многие исследователи [38, 40, 89 - 93]), что в агломерируемом слое при нормальном расходе твердого топлива в зоне горения не происходит догорания CO до CO2, то взаимное расположе­ние графиков функций kco = f (г) и ксо = f (г) можно объяснить различны­ми интенсивностями горения твердого топлива и диссоциации карбонатов. При этом могут наблюдаться четыре случая (рис. 2.7):

Рис. 2.7 - Изменение во времени содержания CO и CO2 в зоне го-
рения твердого топлива и диссоциации карбонатов

1. Процесс горения твердого топлива начинается одновременно и закан­чивается раньше процесса диссоциации карбонатов;

2. Процесс диссоциации карбонатов начинается ранее горения твердого топлива, а затем заканчивается одновременно с окончанием горения твердого топлива;

3. Процесс горения твердого топлива начинается и заканчивается одно­временно с диссоциацией карбонатов;

4. Процесс диссоциации карбонатов начинается раньше, чем процесс го­рения твердого топлива, но затем затягивается и функция ксо = f (г) раньше, чем функция ксо = f (г) достигает нулевого значения.

Длительность процесса диссоциации карбонатов зависит от крупности флюса, диаметра гранул шихты, скорости фильтрации газов, температуры, концентрации CO2 в газовой фазе и от других факторов. Отсутствие CO в газовой фазе в заключительный период агломерации свидетельствует о том, что процесс горения твердого топлива закончился. Даже при полном сгора­нии твердого топлива до CO при наличии свободного углерода, доступного

фильтрующемуся через слой воздуха, оксид углерода должен был образо­ваться по реакции взаимодействия углерода с влагой воздуха. В противном случае, наличие двуокиси углерода в отходящих газах дает основание пола-

гать, что горение топлива закончилось и имеет место диссоциация карбона­тов.

В связи с разработкой технологии рециркуляционного окомкования аг­лошихты, сопровождаемой необходимостью спекания агломерата из шихты повышенной крупности в высоком слое, автором были выполнены исследо­вания аглопроцесса при использовании шихты с содержанием мелких гранул 2 - 0 мм в количестве 5 и 20 % по массе. Высота слоя 200 мм позволяла иметь высокую (0,4 м/с) условную скорость фильтрации газов. Кроме того, были выполнены спекания окомкованной шихты узкого класса крупности (монофракционный состав шихты): 3 - 5 мм в слое высотой 210 мм; 5 - 7 мм в слое высотой 370 мм; 7 - 10 мм в слое высотой 630 мм при постоянной условной скорости фильтрации газов, равной 0,4 м/с. Увеличение количества мелких гранул 2 - 0 мм в окомкованной шихте способствует увеличению со­держания CO в отходящих газах при условной скорости фильтрации 0,4 м/с. Уменьшение скорости фильтрации с 0,4 м/с до 0,1 м/с при постоянной круп­ности шихты способствовало снижению содержания CO в отходящих газах и некоторому увеличению содержания CO2 (рис. 2.8).

Это, прежде всего, связано с увеличением коэффициента, использования воздуха, просасываемого через слой.

Спекания монофракционной шихты показали, что при равной во всех опытах условной скорости фильтрации газов особенно заметно снижение со­держания CO в отходящих газах с увеличением крупности шихты (рис. 2.9). Здесь имеет место и снижение содержания CO2 в газовой фазе, что свиде­тельствует о снижении интенсивности горения твердого топлива. Высокое содержание кислорода в отходящих газах связано с уменьшением степени использования воздуха, обусловленное трудностью доступа кислорода к топ­ливным частицам, закатанным в крупные гранулы. Спекание шихты, состоя­щей из гранул 10 -7 мм, в высоком слое (630 мм) позволяет увеличить условную скорость фильтрации газов во второй половине основного периода агломерации до 0,4 м/с, повысив при этом содержание CO2 в отходящих га­зах и интенсивность горения твердого топлива. Причем, такое увеличение скорости фильтрации не привело к росту содержания CO в газовой фазе

Рис. 2.9 - Состав отходящих газов при спекании монофракционной

шихты

Выполненные исследования дали основания для разработки технологии агломерации с дросселированием вакуум-камер за зажигательным горном. При этом несколько улучшить экологическую обстановку, снизив содержа­ние монооксида углерода в отходящих газах.

Наложение графика функции ксо = f (г) на график функции Ic = f (г) свидетельствует о том, что при максимальном установившемся значении со­держания оксида углерода в газовой фазе на начальном участке высокотем­
пературной зоны, процесс горения твердого топлива отсутствует. Образую­щийся при этом диоксид углерода может быть только результатом диссоциа­ции карбонатов (рис. 2.10). Следовательно, участок АВ функции Л1С = f (г) характеризует интенсивность разложения известняка в гранулах. Участок АВ соответствует нагреву гранул после завершения диссоциации карбонатов в верхних слоях. На участке CD начинается соединение углерода топлива с кислородом воздуха. Причем, при горении топлива на поверхности гранул, воспламенение топливных частиц скорость изменения интенсивности высо­кая, так как воздух имеет свободный доступ к углероду. Г орение топлива в расплаве затягивает процесс и увеличивает эту зону (рис. 2.10).

1. Обоснован механизм образования гранул при окомковании агломера­ционной шихты в рециркуляционном режиме. При низкой интенсивности увлажнения шихты состоящей из тонкодисперсного материала во взаимодей­ствие вступают гранулы возрастающей крупности без образования промежу­точной фракции. С изменением условий окомкования и в частности конечной влажности шихты. Качество окомкования шихты зависит не только от гео­метрических параметров, но и от степени диспергирования (разбрызгивания) воды, что в значительной мере сказывается на кинетике грануляции шихты.

2. Уточнен метод расчета коэффициентов грануляции. При размывке окомкованых гранул с последующим рассевом наблюдается миграция цен­тров окомкования из одного класса крупности в другой.

3. Разработан метод расчета интенсивности увлажнения агломерацион­ной шихты с учетом конструктивных особенностей окомкователя и режима движения сыпучего материала.

4. Для достижения высоких показателей спекания железорудного агло­мерата, необходимо стремиться получить однородный состав гранул с пре­обладанием в шихте фракций 3 - 8 мм 80 - 90 %. При этом с возрастанием высоты агломерируемого слоя верхняя граница крупности может увеличи­ваться.