При анализе состава продуктов горения углерода при агломерации необходимо различать состав газа выходящего из-под колосников агломашины и состав продуктов горения углерода шихты. Отличие состоит в том, что отходящий агломерационный газ является продуктом одновременно про­текающих процессов: горения углерода, диссоциации карбонатов, разложения паров воды, восстановления оксидов железа и последующего окисления низших оксидов железа до высшего.

Горение коксовой мелочи при агломерации протекает в узкой по высоте зоне. В зависимости от крупности топлива ее толщина может меняться в пределах от 10 (размером <1 мм коксовой мелочи) до 40 мм (фракция <10 мм). При работе на коксовой мелочи фракции <3 мм можно считать в большинстве случаев толщину зоны горения равной 20-25 мм.

Процесс агломерации происходит при значительном избытке воздуха (а = 1,5-2,0), и часть воздуха проходит зону горения, не соприкасаясь с горящими частицами топлива. Вследствие этого при нормальном расходе коксовой мелочи выходящие из спекаемого слоя газы содержат 3-4% 02. Как уже отмечалось при агломерации твердое топливо горит до С02 и СО (рис. 4.12). При нормальном расходе топлива С02:СО = 4-6, но может значительно снижаться с увеличением расхода углерода. Так, при 8-12% коксовой мелочи в шихте это отношение составляет 3-2, а при производстве металлизованного агломерата при содержании в шихте до 25% коксовой мелочи - 2-3. В условиях повышения расхода коксика возрастает потребность в кислороде и происходит повышение температуры в зоне горения, способствующее сгоранию углерода до монооксида углерода.

Анализ отходящих газов позволяет рассчитать баланс кислорода при спекании шихт различного типа. Отходящие газы содержат свободный кислород (02), С02 и СО. Если исключить вредные подсосы, то сумма

O2+CC>2+0,5CO должна быть приближенно равна 21%, т. е. содержанию кислорода в воздухе. В действительности при спекании гематитов, мартитов, бурых железняков эта сумма составляет 23-27%. Эта реакция объясняется тем, что углерод окисляется кислородом шихты, при восстановлении оксидов железа.

В случае агломерации магнетитовых руд и концентратов с низким расходом топлива происходит частичное окисление магнетита шихты до гематита, на что затрачивается кислород воздуха, всасываемого в слой. Величина суммы 02 + С02 + 0,5СО снижается при этом до 18,5-20%. В первом случае характер агломерации восстановительный, а во втором - окисли­тельный. Существует два возможных режима агломерации, в каждом из которых общая скорость движения зоны высоких температур лимитируется различными факторами. При спекании со средним и высоким расходами (в среднем >6% коксовой мелочи в шихте) общая скорость движения зоны горения определяется исключительно скоростью горения частиц коксовой мелочи, которая в свою очередь зависит главным образом от количества кислорода, подводимого в единицу времени к зоне горения твердого топлива. В этом режиме частицы коксовой мелочи, расположенные под зоной горения, не горят, так как зона горения поглощает почти весь кислород воздуха, просасываемого через слой. Из-за нехватки кислорода эти коксовые частицы не могут гореть даже в том случае, если они раскалены до температуры, превышающей температуру их воспламенения.

При агломерации с низким расходом коксовой мелочи (<6%) общая скорость движения зоны высоких температур определяется скоростью теплообмена под зоной горения. При этом частицы коксовой мелочи под зоной горения получают достаточное количество кислорода, но не горят, так как не нагреты до температуры воспламенения.

На рис. 4.13 приведена характерная форма температурных кривых при агломерации. Под зоной горения твердого топлива (нижняя ступень теплообмена) отходящие газы проходят между комками сырой шихты с большой кажущейся теплоемкостью. При огромной поверхности теплообмена в этих условиях отходящие газы на пути в 25-40 мм охлаждаются до 40-60°С. Таким образом, теплообмен в нижней ступени оказывается полностью завершенным. Лишь в конце спекания, когда зона горения твердого топлива подходит к постели, т. е. когда не остается сырой шихты, температура отходящих газов под колосниковой решеткой начинает быстро возрастать.

Последующее падение температуры отходящих газов под решеткой свидетельствует о прекращении горения углерода и служит сигналом к окончанию спекания. Регулируя скорость движения паллет, можно с помощью автоматически действующей системы обеспечить постоянное положение температурного максимума по длине ленты (например, на последней или предпоследней вакуум-камерах), что предотвращает недопек шихты.

Выше зоны горения (верхняя ступень теплообмена) всасываемый в слой воздух нагревается готовым агломератом. Воздух вносит это так называемую «регенерированную» теплоту в зону горения, подогреваясь до 200-900°С в зависимости от толщины слоя готового агломерата. После зажигания, когда слой агломерата еще тонок, воздух почти не подогревается, регенерация теплоты отсутствует. Как показали расчеты и эксперименты, при последующем опускании зоны горения твердого топлива роль регенерированной теплоты в тепловом балансе зоны горения возрастает. При толщине слоя готового агломерата 180-200 мм и более регенерированная теплота составляет до 50-55% общего прихода теплоты в зоне горения. Следствием этого при одинаковом содержании коксовой мелочи по высоте спекаемого слоя является значительное повышение температуры в зоне горения твёрдого топлива по мере её движения к колосниковой решетке (рис. 4.14).

Рис. 4.14 Схематическая диаграмма изменения максимальных температур х
по высоте спекаемого слоя Ah при движении зоны горения сверху вниз (АВС)
и оптимальный температурный режим (EBD) (по Шурхалу В. А.)

Регенерация теплоты значительно повышает тепловой к. п.д. агломерации, снижает расход коксовой мелочи и улучшает качество агломерата. С этой точки зрения выгодно спекать шихту, если это позволяет ее газопроницаемость, в высоком слое (до 450-500 мм). Уровень регенерации теплоты, приход теплоты в средних и нижних горизонтах спекаемого слоя будет при этом особенно высок, что обеспечит получение качественного агломерата при минимальном расходе кокса.

Поскольку поверхность пор пирога агломерата не столь велика, как поверхность комков шихты, теплообмен в верхней ступени оказывается незавершенным. Средняя температура пирога агломерата на сходе с ленты близка к 600°С. Окончательное его охлаждение ведут на специальных охладителях после дробления и отделения возврата. Температура агло­мерационного процесса растет с увеличением расхода твердого топлива на спекание, но он зависит также и от теплопотребности шихты. Кроме того, температура в зоне горения меняется, при движении этой зоны к колосниковой решетке. На рис. 4.14 кривая ЛВС показывает реальное распределение температур по высоте спекаемого слоя. В верхней части слоя из-за отсутствия регенерации теплоты ощущается его нехватка. Температура в зоне горения здесь низка, прочность агломерата неудовлетворительна. В нижней части слоя температуры настолько высоки и приход теплоты так велик, что получается переоплавленный агломерат, прочность которого высока, а восстановимость понижена. Для получения пирога агломерата с одинаковыми оптимальными свойствами желательно иметь одинаковые темперары в зоне горения в течение всего процесса спекания (1250-1350°С) (см. рис. 4.14, кривая EBD). Для выхода на этот режим спекания необходимо устранить нехватку тепла и низкие температуры (Л ЛЕВ), а также избыток теплоты и слишком высокие температуры (Л BCD).

Вторую из поставленных задач решают методом двухслойного спекания шихт. По этому методу на ленту двумя питателями последовательно укладыва­ют две шихты, из которых нижняя содержит на 1-1,5% коксовой мелочи меньше, чем верхняя. После зажигания шихты зона горения движется последовательно через два слоя. В связи с уменьшением расхода углерода в нижнем слое шихты температура и приход теплоты снижаются здесь до нормального уровня (устранение Д BCD), а изменение температур в зоне горения описывается ломаной линией ЛВС.

При укладке агломерационной шихты на аглоленту происходит сегрегация шихты по содержанию углерода и крупности. Более легкая коксовая мелочь в большой мере концентрируется в средних и верхних горизонтах спекаемого слоя. Содержание углерода в зоне шихты, прилегающей к колосниковой решетке, оказывается пониженным, что позволяет в какой-то мере приблизиться к идеальному распределению температур при спекании. Таким образом, сегрегация шихты при укладке на агломерационную ленту в определенных пределах является желательной и должна учитываться при обработке оптимального теплового режима агломерации.

Нехватку регенерируемой теплоты в верхней части спекаемого слоя (АЛЕВ) можно компенсировать подачей к слою нагретого воздуха.

С теплотехнической точки зрения всякий дополнительный подвод теплоты в верхние слои целесообразен только в начальной стадии процесса. Когда сверху образуется слой агломерата достаточной толщины, то он успешно выполняет роль теплообменника, обеспечивая необходимый подогрев воздуха для горения углерода нижележащих слоев шихты.

Подачу нагретого воздуха к слою осуществляют путем установки за зажигательным горном над лентой дополнительных газовых горелок, которые нагревают воздух перед входом в спекаемый слой до 1000-1100°С. Такая технология позволяет, с одной стороны, увеличить приход теплоты в верхних зонах спекаемого слоя, перейти к температурной кривой ЕВС (см. рис. 4.14) улучшить качество агломерата, т. е. снизить количество возврата, что могло бы увеличить производительность установки. Но, с другой стороны, газовые горелки требуют значительного количества кислорода воздуха, в связи с тем, что концентрация кислорода во всасываемом в слой газе уменьшается и горение коксовой мелочи в слое замедляется.

В зону дополнительного обогрева целесообразно в данном случае вводить кислород или сжатый воздух. При использовании дополнительных газовых горелок, установленных над первой третью длины ленты, удается сохранить производительность машины на постоянном уровне, значительно улучшая качество спека. Резкое увеличение расхода газа на горелки позволяет заменить до 25% твердого топлива газообразным, что представляет большой практический интерес.

В производственных условиях от 60 до 90% всего прихода теплоты связано с горением углерода в С02 и СО, а также с горением сульфидов.

Зажигательным горном и дополнительными газовыми горелками слою поставляется 7-15% теплоты; 1-3% теплоты вводится нагретой перед спеканием до 50-70°С шихтой и 1-5% тепла выделяется в процессе экзотермических реакций между твердыми компонентами шихты. От 20 до 40% расхода теплоты составляет энтальпия готового пирога агломерата. На тепловые потери приходится 7-10%, остальное тепло расходуется на эндотермические процессы. Тепловой к. п.д. процесса агломерации близок к 75-80%.