CN111004638B - 一种铁焦生产竖炉尺寸确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铁焦生产竖炉，包括：成型压块装入装置；竖炉本体，与成型压块装入装置相连，接收并作为配合煤的炭化区域；煤气处理装置，设置于竖炉本体的上部，用于接收炭化产生的竖炉煤气，并进行处理；燃烧废气余热回收装置，用于接收经过煤气处理装置处理后的竖炉煤气；燃气供给装置，用于对燃烧废气余热回收装置提供燃气，以使燃烧废气余热回收装置将处理后的竖炉煤气与燃气混合；烧嘴，接收燃烧废气余热回收装置提供的燃气混合物后输送至燃烧室。以及提供了一种铁焦生产竖炉本体的尺寸确定方法，炭化竖炉的热源在竖炉外部，为竖炉外部的温度更加均匀，且控制更方便、更精确；提高温度更加均匀，能充分利用能源。

Description

一种铁焦生产竖炉尺寸确定方法
技术领域
本发明涉及铁焦生产竖炉改进技术领域，尤其涉及一种铁焦生产竖炉尺寸确定方法。
背景技术
目前，高炉操作已经十分接近理论平衡，想要进一步降低高炉的燃料消耗就需要改进工艺或者提供新的炉料。铁焦是一种新型的高炉复合炉料，是通过将配合煤和铁矿粉以一定比例混合后在炭化室炭化得到。由于铁焦的反应性比普通焦炭高，替代部分焦炭在高炉中使用可以降低高炉的热保存区温度，提高炉身效率，从而实现降低高炉燃料比的效果。
铁焦生产方式主要有压块-竖炉发和室式焦炉法，其中室式焦炉法生产铁焦的铁矿粉配比较低，且其热强度还需要进一步改善才能在高炉中使用；而公开专利CN102471693、CN102822315等介绍的压块-竖炉法工艺流程复杂，且需要进一步扩大其产能才能实现工业应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种铁焦生产竖炉本体的尺寸确定方法，旨在炭化竖炉的热源在竖炉外部，为竖炉外部的温度更加均匀，且控制更方便、更精确；提高温度更加均匀，能充分利用能源。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种铁焦生产竖炉，包括：
成型压块装入装置，用于接收混合铁矿粉的配合煤压块；
竖炉本体，与所述成型压块装入装置相连，接收并作为配合煤的炭化区域；
煤气处理装置，设置于所述竖炉本体的上部，用于接收炭化产生的竖炉煤气，并进行处理；
燃烧废气余热回收装置，用于接收经过所述煤气处理装置处理后的竖炉煤气；
燃气供给装置，用于对所述燃烧废气余热回收装置提供燃气，以使所述燃烧废气余热回收装置将处理后的竖炉煤气与燃气混合；
烧嘴，接收所述燃烧废气余热回收装置提供的燃气混合物后输送至燃烧室。
一种实现方式中，所述竖炉本体的外侧壁上设置有热源。
一种实现方式中，所述竖炉本体内包括预热区、高温区和冷却区。
一种实现方式中，所述竖炉本体包括两个竖炉，且对称设置，在每一个竖炉的一侧设置有多个所述烧嘴。
此外，本发明还公开了一种铁焦生产竖炉本体的尺寸确定方法，所述方法包括：
构建竖炉的二维导热模型，其中，所述二维导热模型的热微分方程为：
Figure GDA0002835717510000021
其中，ρ为配合煤密度，单位为kg/m3；c为配合煤的比热；λ为配合煤的导热系数；S为内热源；T为温度，x和y为选取平面的横纵坐标，τ为时间；
对铁焦的基本性质分析，获得铁焦的参数包括：MFe、TFe、金属化率、灰分、挥发分、全硫；
获取温度与炭化时间的关系曲线；
根据二维导热模型的热微分方程和所述铁焦的参数，以及温度与炭化时间的关系曲线，执行：
调整竖炉的长度，得到不同长度下，竖炉的炭化时间与生产效率的关系，并根据所确定的关系和实际场地条件确定竖炉的长度范围；
调整竖炉的宽度，得到不同宽度下，竖炉的炭化时间与生产效率的关系，根据所确定的关系和实际场地条件确定竖炉的宽度范围。
一种实现方式中，所述内热源包括：水分蒸发吸收热量、配合煤的热解化学反应热量以及铁矿粉的还原反应热量。
一种实现方式中，所述对铁焦的基本性质分析的步骤，包括：
对配合煤进行性质分析，获得分析参数，其中，所述分析参数包括：水分、灰分、挥发分、全硫、粘结指数；
对铁矿粉进行化学分析，获得铁矿粉的化学成分包括：TFe、FeO、SiO2、Al2O3、CaO、MgO、S、P、K2O、Na2O；
根据所述分析参数和所述化学成分，对铁焦的基本性质分析。
应用本发明的铁焦生产竖炉本体的尺寸确定方法，具有的有益效果包括不限于：
1)炭化竖炉的热源在竖炉外部，其优点为竖炉外部的温度更加均匀，且控制更方便、更精确；
2)由于温度更加均匀，装置中竖炉的数量可根据实际条件进行调整，生产更加灵活；
3)燃烧废气的余热用于燃气的加热，能充分利用能源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的铁焦生产竖炉的一种结构示意图；
图2为本发明实施例提供的二维导热模型示意图；
图3为本发明实施例提供的炭化时间与温度的曲线示意图；
图4为本发明实施例提供的炭化时间与炭化室长度的曲线示意图；
图5为本发明实施例提供的生产效率与炭化室长度的曲线示意图；
图6为本发明实施例提供的炭化时间与炭化室宽度的曲线示意图；
图7为本发明实施例提供的生产效率与炭化室宽度的曲线示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明是实施例中提出了一种新的铁焦生产竖炉，如图1所示，成型压块装入装置1，用于接收混合铁矿粉的配合煤压块；竖炉本体3，与所述成型压块装入装置1相连，接收并作为配合煤的炭化区域；煤气处理装置4，设置于所述竖炉本体3的上部，用于接收炭化产生的竖炉煤气，并进行处理；燃烧废气余热回收装置5，用于接收经过所述煤气处理装置4处理后的竖炉煤气；燃气供给装置6，用于对所述燃烧废气余热回收装置5提供燃气，以使所述燃烧废气余热回收装置5将处理后的竖炉煤气与燃气混合；烧嘴2，接收所述燃烧废气余热回收装置5提供的燃气混合物后输送至燃烧室。
此外，所述竖炉本体3包括两个竖炉，且对称设置，在每一个竖炉的一侧设置有多个所述烧嘴2。
本发明实施例中，热源指的是为铁焦生产提供热量的来源，实例中热源由来自竖炉本体3外部燃烧室中燃烧的燃料，在其他竖炉中指竖炉下部的高温煤气。
先将混合铁矿粉的配合煤在压块成型后通过成型压块装入装置1进行接收，然后再将成型的压块放入竖炉本体3内进行炭化，产生的气体通过竖炉本体3的上部排除，可以通过气孔引入到煤气处理装置4进行处理，然后煤气处理装置4处理后的气体与预热回收装置5相连，且预热回收装置5与燃气供给装置6再次实现气体回收与新气体的混合。因此，配合煤炭化产生的竖炉煤气由上部排出，经过处理后与外部供给燃气混合，被燃烧废气加热后通过烧嘴2进入燃烧室燃烧，为炭化提供热量。
具体的，加入的外部供给燃气可为钢铁工业煤气、天然气、液化石油气、煤制气中的一种或多种。
本发明实施例中，将铁焦生产的热源放在竖炉本体3的外部，这样可以保证外部温度控制的准确性，也能根据实际条件调整装置中竖炉本体3的数量，实现铁焦产量的灵活调节。
此外，铁焦生产配合煤从上部进入，经过竖炉本体3中的预热区、高温区和冷却区到达下部，其中竖炉本体3中的预热区、高温区为配合煤的炭化区域。
本发明还公开了该竖炉本体尺寸的确定方法，具体实例如下：
如图2所示，因为竖炉为轴对称形状，取其1/4构建二维导热模型(这里的竖炉认为是长方形的对称图形，根据其中心点取1/4)，对于二维非稳态传热过程，其导热微分方程为：
Figure GDA0002835717510000051
其中，ρ为配合煤密度，单位为kg/m3；c为配合煤的比热，单位为J/(kg.K)；λ为配合煤的导热系数，单位为W/(m.K)；S为内热源，单位为W/m3，T为温度，x和y为选取平面的横纵坐标，τ为时间。
S＝φ1S1+φ2S2+S3
其中，S1为配合煤热解化学反应热量，S2为铁矿粉还原热量，S3为水分蒸发热量。
计算公式(1)中的内热源S主要包括：水分蒸发吸收热量、配合煤的热解化学反应热量以及铁矿粉的还原反应热量。
特别的，在铁焦炼制过程中，配合煤的热解和铁矿粉的还原的热量是相互耦合的，需要对两者进行校正，耦合系数φ1和φ2由实验分析得到。
使用的配合煤和铁矿粉的性质列在表1(配合煤的性质分析)和表2(铁矿粉的化学成分)中，质量比为1：9，装料堆密度为1.1t/m3，水分调整为5％，得到的铁焦性质见表3。
表1
Figure GDA0002835717510000061
表2 /％
Figure GDA0002835717510000062
表3 /％
Figure GDA0002835717510000063
假设竖炉的长为1.5m，宽为0.5m，预热段和高温段的总高度为8m，当竖炉中心A点配合煤的温度达到炼焦终点温度Tend时，炭化结束，铁焦经过冷却段的冷却到规定温度然后排出竖炉外。具体的，Tend的区间为900-1050℃，实例中取950℃。其中，A点是上面说的轴对称图形(前面说的长方形)的中点，C点为竖炉最外边的点，B点为1/4图形的中间点。
预热段外部温度范围为700-1050℃，高温段的外部温度范围为1000-1100℃，在产量最大时，假定预热段和高温段的外部温度相同，实例中取1000℃。
根据上述条件计算得到铁焦的炭化时间如图3所示。具体的，公式(1)为非稳态微分方程，左边项是温度对时间的变化，可以计算通过迭代算出中心点A达到Tend所需的时间。
调整竖炉的长度分别为1.3m、1.4m、1.6m、1.7m进行计算，算出炭化所需时间和生产效率(计算过程同上)，生产效率是根据前面计算得到的时间确定炉料在炉内的停留时间，然后根据停留时间将预热段和高温段等分为相应的块数，根据块的体积和炉料的密度计算出重量，然后算出单位时间的生产效率，分别如图4和图5所示，与标准情况相比，延长竖炉长度，铁焦炭化时间增加，但是生产效率提高，根据计算结果和场地条件，可以确定竖炉的长度范围。
调整竖炉的宽度分别为0.3m、0.4m、0.6m、0.7m进行计算，算出炭化所需要的时间和生产效率，分别如图6和图7所示，与标准情况相比，缩短竖炉的宽度，铁焦的炭化时间减少，竖炉的生产效率提高，根据计算结果和操作条件，可以确定竖炉宽度范围。
该方法可以通过二维模拟计算得到铁焦的炭化所需时间以及竖炉的生产效率，为铁焦生产竖炉尺寸的确定提供参考。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种铁焦生产竖炉的尺寸确定方法，其特征在于，所述方法包括：
构建竖炉的二维导热模型，其中，所述二维导热模型的热微分方程为：
Figure FDA0002835717500000011
其中，ρ为配合煤密度，单位为kg/m3；c为配合煤的比热；λ为配合煤的导热系数；S为内热源；T为温度，x和y为选取平面的横纵坐标，τ为时间；
对铁焦的基本性质分析，获得铁焦的参数包括：MFe、TFe、金属化率、灰分、挥发分、全硫；
获取温度与炭化时间的关系曲线；
根据二维导热模型的热微分方程和所述铁焦的参数，以及温度与炭化时间的关系曲线，执行：
调整竖炉的长度，得到不同长度下，竖炉的炭化时间与生产效率的关系，并根据所确定的关系和实际场地条件确定竖炉的长度范围；
调整竖炉的宽度，得到不同宽度下，竖炉的炭化时间与生产效率的关系，根据所确定的关系和实际场地条件确定竖炉的宽度范围。
2.如权利要求1所述的铁焦生产竖炉的尺寸确定方法，其特征在于，所述内热源包括：水分蒸发吸收热量、配合煤的热解化学反应热量以及铁矿粉的还原反应热量。
3.如权利要求2所述的铁焦生产竖炉的尺寸确定方法，其特征在于，所述对铁焦的基本性质分析的步骤，包括：
对配合煤进行性质分析，获得分析参数，其中，所述分析参数包括：水分、灰分、挥发分、全硫、粘结指数；
对铁矿粉进行化学分析，获得铁矿粉的化学成分包括：TFe、FeO、SiO2、Al2O3、CaO、MgO、S、P、K2O、Na2O；
根据所述分析参数和所述化学成分，对铁焦的基本性质分析。
4.如权利要求1所述的铁焦生产竖炉的尺寸确定方法，其特征在于，铁焦生产竖炉包括：
成型压块装入装置(1)，用于接收混合铁矿粉的配合煤压块；
竖炉本体(3)，与所述成型压块装入装置(1)相连，接收并作为配合煤的炭化区域；
煤气处理装置(4)，设置于所述竖炉本体(3)的上部，用于接收炭化产生的竖炉煤气，并进行处理；
燃烧废气余热回收装置(5)，用于接收经过所述煤气处理装置(4)处理后的竖炉煤气；
燃气供给装置(6)，用于对所述燃烧废气余热回收装置(5)提供燃气，以使所述燃烧废气余热回收装置(5)将处理后的竖炉煤气与燃气混合；
烧嘴(2)，接收所述燃烧废气余热回收装置(5)提供的燃气混合物后输送至燃烧室。
5.根据权利要求4所述的铁焦生产竖炉的尺寸确定方法，其特征在于，所述竖炉本体(3)的外侧壁上设置有热源。
6.根据权利要求4或5所述的铁焦生产竖炉的尺寸确定方法，其特征在于，所述竖炉本体(3)内包括预热区、高温区和冷却区。
7.根据权利要求6所述的铁焦生产竖炉的尺寸确定方法，其特征在于，所述竖炉本体(3)包括多个竖炉。
8.根据权利要求7所述的铁焦生产竖炉的尺寸确定方法，其特征在于，所述多个竖炉为两个竖炉，且对称设置，在每一个竖炉的一侧设置有多个所述烧嘴(2)。
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