Автором были проведены исследования процесса спекания влажной WB = 7,5% и сухой WB = 0,5% окомкованной аглосмеси. Для того чтобы ми­нимизировать влияние на показатели аглопроцесса других факторов, кроме влаги, шихту сушили газом с температурой 200°С в чаше, а затем охлаждали. Температура шихт подвергаемых спеканию была одинаковой. Перед уклад­кой из половины пробы отсеивали фракцию 5 - 0 мм и укладывали в верхний горизонт слоя. Фракцию +5 мм смешивали с остальной шихтой. Для умень­шения потерь тепла и бортовых прососов между слоем окомкованной шихты и стенкой чаши засыпали сухой концентрат. Спекание осуществляли с посто­янной скоростью фильтрации воздуха через шихту равной 0,3 м/с. Шихту, состоящую из 25 % руды и 75 % концентрата в железорудной части спекали в слое высотой 300 мм. Для измерения температуры по высоте слоя были уста­новлены 4 термопары. Под колосниковой решеткой отбирали пробы газа на содержание CO2 CO и O2.

Существенное различие в условиях агломерации имеет место при спека­нии сухой и влажной шихты на начальной стадии: прямой контакт высоко­температурных горновых газов с влажной шихтой приводит к интенсивному испарению влаги, а затем к ее конденсации, что ведет к ухудшению газопро­ницаемости слоя. Термограммы, характеризующие изменение температуры на различных горизонтах слоя сухой шихты, отличаются от термограмм спе­кания влажной шихты более высоким значением максимальных температур на верхнем, среднем и нижнем уровнях (рис. 5.1), что объясняется потерями тепла на испарение влаги шихты.

Особого анализа требует восходящая и нисходящая ветви температур­ных кривых. До температуры 150°С (по некоторым источникам 200 - 250°С) влага в шихте играет существенную роль, ускоряя процесс нагрева материала [6]. После того, как влага из гранул будет удалена, условия теплопередачи в зоне интенсивного нагрева, в зоне горения твердого топлива становятся оди­
наковыми с условиями нагрева аглосмеси при спекании сухой шихты на го­ризонте, где материал прогрет до температуры свыше 150°С.

2

Рис. 5.1 - Термограммы спеканий сухой и влажной шихты

При равных скоростях фильтрации газа, крупности и вещественном со­ставе гранул, равной температуре, других факторов, влияющих на условия теплопередачи, практически нет. Поэтому на участке постоянной скорости нагрева материала восходящие ветви температурных кривых для влажной и сухой шихт практически параллельны.

Одним из показателей процесса горения твердого топлива в агломериру­емом слое следует считать интенсивность горения. Причем, интенсивность необходимо рассматривать исходя из анализа условий теплопереноса при го­рении, а также исходя из анализа массопереноса. [145]

Тепловая интенсивность горения твердого топлива в агломерируемом слое сухой и влажной шихты характеризовалась отношением количества тепла, выделяющегося при горении твердого топлива в слое, к площади спе-

где Q - количество тепла горения углерода, кДж;

S - площадь спекания, м2; т - время спекания, мин.

По составу отходящих газов определяли количество тепла горения твер­дого топлива по формуле

12

Q = <вг ■ S ■ т ■ — -(q, ■ CO'2+ q2 ■ CO) (5.2)

где (дг - скорость фильтрации сухих отходящих газов, м/мин;

q1, q2 - теплота сгорания углерода топлива до CO2 и CO соответствен­но, кДж/кг.

Подставим выражение (5.2) в (5.1)

12

Iq =Щ,-(q, ■ CO2+ q2 ■ CO') (5.3)

Введем систему координат (x, y, z, t) связанную со скелетом, в порах ко­торого движется газовая фаза со скоростью фильтрации Wф. Для смеси газов она представляется как скорость центра масс и определяется соотношением

— - ws >

Рг S

где Рг = ZPs - плотность газовой фазы.

s

Рассмотрим баланс вещества газа в некотором произвольном микрообъ­ёме V, ограниченном поверхностью S [153]. Выбрав в качестве нормали к ней единичный вектор П, обращенный во внешнюю среду, найдем изменение массы s - го компонента газа в выделенном объеме за единицу времени. Это изменение определяется как потоком вещества через поверхность S, так и фазовыми превращениями внутри объёма V:

где Is - отнесенная к единице объёма интенсивность изменения содержания в шихте s - го компонента за счет химических превращений.

Для характеристики массопереноса при горении углерода в агломериру­емом слое можно использовать массовую интенсивность горения, показыва­ющую, какое количество углерода переносится через единицу площади спе­кания агломерата в единицу времени [145]

т _ mC

C = О S • т

2

где Ic - массовая интенсивность горения, кг/м мин;

mC - масса углерода, перешедшая в газообразную фазу, кг.

Количество газифицированного углерода, выходящего из зоны горения, равно:

mC =юг • S • т • 12 • (CO2 + CO)/22,4, (5.7)

подставим значение mc из выражения (5.6) в (5.7), получим:

IC =юг-12 • (CO2 + CO) / 22,4. Применяя к (5.5) преобразование Гаусса-Остроградского

IA • n • dS = | divA • dV,

S V

получим

откуда вследствие произвольности выбора объема V найдем искомое диффе­ренциальное уравнение

arr + divr • ws = Is, (511)

at

суммируя (5.11) по s и учитывая, что Wф - скорость центра масс, получим уравнение неразрывности газовой фазы

Фг j-

—- + divрг ■ w™ дт

или в проекциях на прямоугольные оси координат

В силу того, что в принятой системе отсчета скелет пористой среды по­коится, то изменение содержания вещества твердых фаз в макрообъеме V определяется только межфазными переходами, обусловленными протекани­ем химических реакций, т. е.

f~TV=1 idV

V V

или

др = I, (5.15)

дт

Ввиду того, что в составе газовой фазы находится ряд компонентов, со­гласно теореме Коши-Гельмгольца, движение газовой фазы носит сложный характер и его можно разложить на составляющие. Наряду с фильтрацией га­зовой фазы как целого со скоростью w (молярный перенос) ей присущи ин­дивидуальные движения составляющих относительно центра масс (молеку­лярный перенос) с диффузионной скоростью vs, причем vs = ws - Wф. Вводя

понятие относительной массовой концентрации компонентов газовой фазы Cs = ps/рг, преобразуем уравнение (5.11) к виду

упростив его с помощью (5.13),:

Использование этого уравнения возможно лишь при условии конкрети­зации дивергентного члена, связанного с диффузионными потоками р • v. Его можно представить воспользовавшись первым законом Фика:

Ps • Vs = Ра • kD • gradCs,

где kD - макроскопический коэффициент диффузии компонентов газовой смеси.

Для агломерационного слоя, где движение газовой фазы протекает по извилистым каналам в сравнении со свободной диффузией менее интенси­вен. Поэтому влияние пористой среды на коэффициент диффузии может быть учтен поправочным коэффициентом.

где kD - коэффициент свободной диффузии компонента;

є - порозность слоя;

L - литологический фактор, учитывающий извилистость пор.

Литологический фактор определяется на основе принятой модели пори­стой среды, составляющей слой.

Функциональная зависимость теплоемкости газовой фазы определялся согласно [170] на основе принципа аддитивности.

Полученные уравнения решаются при начальных условиях, определяе­мых условиями организации процесса спекания. Например

т=о; у=о; p=Ратм; c02 = CO™; сШг = о и др.

Решение уравнений позволяет получить профили температур, давлений, концентраций газов.

Тепловая отдача горения углерода твердого топлива агломерируемого слоя сухой и влажной шихты определялась отношением тепловой интенсив­ности к массовой.

i=I^=qllCO2+qllCO[ IC CO'2+ CO'

Полученные уравнения имеется возможность использовать только при ана­лизе горения углерода твердого топлива в слое инертного материала при фильтрации через зону горения сухого воздуха с содержанием кислорода 21 % и азота 79 %. При спекании железорудных материалов в слое происхо­дят окислительно-восстановительные процессы, диссоциация карбонатов, в слой подается влажный атмосферный воздух. Поэтому при определении теп­ловой и массовой интенсивности горения необходимо состав продуктов го­рения углерода рассчитывать по уравнениям В. А. Шурхала [71]:

CO2 = тф - со"	(5.19)
CO = COф - СО”	(5.20)

где СОф, СОф - фактическое содержание диоксида и оксида углерода в от­ходящих газах;

CO", CO" - теоретическое количество диоксида углерода реакций дис­социации карбонатов и количество оксида углерода реакций взаимодей­ствия влаги воздуха с углеродом.

Значения CO" и CO" определяются по следующим уравнениями:

Коэффициент расхода воздуха определяется по известной формуле [71]:

где N[ - содержание азота в отходящих газах, %;

О2 - содержание свободного кислорода в отходящих газах, %;

у - отношение содержания азота к содержанию кислорода в воздухе.

В формуле (5.22) r - количество молей водяных паров, приходящееся на 1 моль кислорода воздуха. При H2O = 2% r = 0,097.

При агломерации железорудных материалов наблюдается физический и химический недожог твердого топлива. Коэффициент полезного действия тепла горения в агломерируемом слое показывает, какая часть углерода твер­дого топлива от всей его массы в шихте используется с наибольшей тепловой отдачей [145].

где тО - остаточный углерод агломерата, %;

тШ - содержание углерода в шихте, %.

Первый сомножитель уравнения (5.24) характеризует физический недо­жог углерода, второй - химический.

Анализ состава отходящих газов (рис. 5.2) показывает, что на начальной стадии спекания содержание СО в опыте 1 (спекание сухой шихты) было меньше, чем в опыте 2 (спекание влажной шихты). Несмотря на это темпера­турный уровень на верхнем горизонте был выше в опыте 1, чем в опыте 2. Это можно объяснить тем, что в опыте 1 монооксид углерода в основном об­разовывался за счет горения твердого топлива с выделением тепла, а в опыте 2 за счет влаги горновых газов и влаги шихты монооксид углерода образо­вался в основном за счет эндотермической реакции взаимодействия углерода с водой.

„ „ „ „ Bрeмя, мин сухая шихта —о— "влажная" шихта Рис. 5.2 - Состав отходящих газов при спекании "сухой" и "влаж­ной" шихты

При спекании сухой и влажной шихты содержание диоксида углерода на начальной и основной стадиях агломерации были выше в опыте 1, чем в опы­те 2. Если учесть, что скорость фильтрации воздуха в обоих опытах была по­стоянной и равной, то следовало ожидать более высокий тепловой эффект в опыте 1.

На рис. 5.3 представлены графики функций тепловой отдачи i = f (т), на рис. 5.4 - КПД тепла горения р = f (т). Изменения этих показателей следует рассматривать в связи с изменением свойств шихты по высоте агломерируе­мого слоя. В результате сегрегации в верхней части слоя сосредоточены мел­кие фракции шихты с наиболее высоким содержанием твердого топлива. Кроме того, в верхней части слоя выше и основность. Это необходимо учи­тывать при расчете CO2 и CO горения.

------- "сухая” шихта -------------- "влажная” шихта Время, мш

Графики функций i = f (т) и р = f (т) построены с учетом изменения свойств шихты по высоте слоя. Характерной особенностью этих функций яв­ляется увеличение КПД тепла горения к концу процесса спекания. Здесь на вид функции оказывает влияние величина остаточного углерода в агломерате и соотношение CO/CO2 газа, уменьшающееся к моменту окончания процес­са спекания. Из графика функции i = f (т) видно, что при спекании сухой

шихты (опыт 1) тепловой эффект горения выше, чем при спекании влажной 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

------ "сухая" шихта ------------ "влажная" шихта Время, мт

Рис. 5.4 - Изменение во времени КПД горения твердого топлива

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 ------- "сухая" шихта -------------- "влажная" шихта Время, мин Рис. 5.5 - Изменение во времени массовой интенсивности горения твердого топлива

Тепловая отдача процесса горения твердого топлива зависит от интен­сивности горения. На рис. 5.5 представлен графики функции Ic = f (г). Из

приведенных графиков видно, что массовая интенсивность горения твердого топлива при спекании сухой шихты (опыт 1) выше, чем при спекании влаж­ной шихты (опыт 2). Это в первую очередь связано с более высокой скоро­стью спекания шихты в опыте 1.

Тепловая интенсивность горения при спекании сухой шихты значитель­но выше, чем при спекании шихты влажной. Это связано, как с более интен­сивным переходом твердого углерода в газообразную фазу, так и с более вы­соким тепловым эффектом горения.

При спекании сухой и влажной шихты условия охлаждения спека не из­менялись, так как скорость фильтрации воздуха была постоянной и равной. Наложение термограмм опытов № 1 и № 2 дает полное совпадение их восхо­дящих и нисходящих ветвей. На рис. 5.6 представлены термограммы нижних горизонтов слоя при спекании шихты по опытам № 1 и № 2.

о

о

ж

ж

ж

о

ж

ж

S

ж

ж

>5$

О

Ж

о

ж

ж

ж

Здесь же представлены функции AIq = f (т), характеризующие прира­щение тепловой интенсивности, горения твердого топлива по высоте зоны горения. Из рисунка видно, что фронт горения твердого топлива (восходящая ветвь функции AI = f (т)) при спекании влажной шихты расположен ближе

к фронту нижней ступени теплопередачи (восходящая ветвь термограммы T = f (т)), чем при спекании сухой шихты. Однако максимум тепловой ин­тенсивности горения здесь опережает максимум "тепловой волны", что явля­ется одной из причин расширения температурной зоны и снижения значения максимальной температуры. В опыте 1 максимум функции AIq = f (т) прак­тически совпадает с максимумом функции T = f (т), что способствует увели­чению значения максимальной температуры в слое.

При спекании сухой и влажной шихты было определено, что скорость спекания, измеренная как по температуре отходящих газов, так и по химиче­скому составу отходящих газов, в опытах № 1 и № 2 примерно равны. Для анализа факторов, влияющих на скорость горения углерода твердого топли­ва, были определены изменения коэффициента расхода воздуха. Исследова­ния показали, что на начальной стадии агломерации коэффициенты расхода воздуха в опыте № 1 и № 2 примерно одинаковы, а вторая половина спекания проходит с коэффициентом расхода воздуха в опыте № 1 несколько боль­шим, чем в опыте № 2.

Были проведены исследования по определению показателей процесса спекания сухой и влажной шихты равной крупности. При влажности агло­шихты близкой к нулю выход годного агломерата возрастает, производи­тельность аглоустановки увеличивается (табл. 5.1).

После укладки шихты на колосниковую решетку вода становится неже­лательным компонентом аглосмеси, так как вызывает ухудшение газодина­мических свойств, обусловленных процессами переувлажнения, и ведет к по­терям тепла. Топливо в сухой шихте равной крупности с влажной горит бо­лее интенсивно, с большей теплоотдачей. Значения максимальных темпера­тур в агломерируемом слое подсушеной шихты выше, чем в слое влажной шихты, что связано с отсутствием потерь тепла на испарение влаги, более высокой интенсивностью горения углерода твердого топлива и совпадением

максимума тепловой интенсивности зоны горения с максимумом "тепловой волны" высокотемпературной зоны.

Таблица 5.1 Показатели спеканий шихты равной крупности № опыта Влажность шихты Высота слоя, мм Содержание топлива, % Вертикальная скорость спекания, мм/мин Выход годного, % Удельная произво­дительность, т/м2 1 Сухая 300 4,4 19,6 76,2 1,4 2 Влажная 300 4,4 18,5 61,1 1,1

Были также проведены исследования по определению производительно­сти аглоустановки при влажности, соответствующей нормальным условиям грануляции (7 - 8 %) и высушенной до влажности аглосмеси не равной нулю. Железорудная часть содержала 70 % криворожских концентратов, остальное - Михайловская аглоруда. Основность аглосмеси составила 1,2; содержание топлива - 4,5 %.

Разделив всю окомкованную шихту на части, равные по массе количе­ству материала, необходимого для одного спека, одну пробу спекали сразу же после грануляции, а остальные - с различной выдержкой времени вне ча­ши на воздухе, в течение которого шихта подсыхала. Для того чтобы гранулы меньше разрушались в подсушенном состоянии, в воду добавляли до 5 % жидкого стекла. Спекание агломерата проводили в аглочаше диаметром 200 мм. Перед укладкой шихты в аглочашу ее пропускали через лаборатор­ный сегрегатор и производили разделение материала по фракциям. Для срав­нения полученных данных проводили 3 - 4 серии спеканий.

Исследования показали, что с уменьшением влажности агломерацион­ной шихты, подсушенной вне агломерационной чаши, вертикальная скорость уменьшается, а выход годного возрастает.

Несмотря на использование жидкого стекла при окомковании, с умень­шением влажности увеличивается разрушение гранул. Зависимость произво­дительности аглоустановки от влажности шихты носит экстремальный ха­рактер (рис. 5.7).Максимальная производительность аглоустановки соответ­ствует влажности 4 - 4,5 %.

2 4 6 8 Влажность, % Рис. 5.7 - Зависимость удельной производительности от влажности шихты

Влажность, соответствующая наилучшим условиям грануляции, лежит в пределах 7,2 - 7,5 %. Шихта, имеющая оптимальную влажность с точки зре­ния ее грануляции, не соответствует оптимуму с точки зрения ее спекания.