CN112393600B - 蒸汽降温式燃气喷吹烧结机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蒸汽降温式燃气喷吹烧结机及其控制方法，包括烧结机轨道(6)、烧结机台车(3)、点火装置、以及燃气喷吹装置，所述燃气喷吹装置设于烧结机的燃气喷吹位置以在所述烧结机台车(3)从其所在的位置经过时向所述烧结机台车(3)的烧结料面喷吹燃气；进一步包括蒸汽降温装置(9)，所述蒸汽降温装置(9)设于所述点火装置与燃气喷吹装置之间的位置，以在所述烧结机台车(3)从其所在的位置经过时向所述烧结机台车(3)的烧结料面喷吹蒸汽，使烧结料面温度降低至燃气着火温度以下。该烧结机设置了蒸汽降温装置，可有效解决燃气喷吹装置存在的易着火、生产不稳定等问题。

Description

蒸汽降温式燃气喷吹烧结机及其控制方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及在烧结矿生产过程中所使用的带蒸汽降温功能的燃气喷吹烧结机。本发明还涉及用于控制所述燃气喷吹烧结机的方法。

背景技术

烧结工艺是炼铁流程中的一个关键环节，其原理是将各种粉状含铁原料，配入适量的燃料和熔剂，加入适量的水，经混合和造球后在烧结设备上使物料发生一系列物理化学变化，烧结成块，从而送往高炉进行下一步工序。

烧结是我国钢铁冶炼主要的原料加工工艺，75％以上的高炉原料来源于烧结矿。但烧结是典型的高能耗、高污染行业，其能耗居钢铁工业第二位，污染负荷占钢铁工业的40％而居首位。随着环保要求的日益严格，研究和开发高能效低排放烧结清洁生产技术及其装备，对支撑我国钢铁工业产业升级、实现绿色可持续发展具有重大意义。

燃气喷吹强化烧结技术是现阶段较先进的一种烧结绿色化改造技术。它是通过在点火段之后往烧结料层表面喷射稀释到燃烧浓度以下的燃气的方式用来代替烧结添加的部分焦粉，使部分燃料从顶部进入烧结料层并在燃烧带上部附近燃烧。该技术可有效避免烧结峰值温度过高，延长烧结有益温度的持续时间，从而提高烧结矿强度和还原度，降低高炉生产时的焦比，并且有效降低整个生产工序中CO₂的排放量。

燃气喷吹方法虽能给烧结工艺带来显著的节能和减排效果，但同时也仍然存在着缺陷，制约了该技术的推广和应用。主要表现在以下几点：

1)燃气喷吹起始点如果设置过前，则容易在料面着火。

燃气喷吹的起始点位置，如果设置得太靠近烧结机机头，则刚出点火炉的红热料面容易将喷出燃气点燃，这样不但燃气没有强化烧结效果，而且容易烧坏罩内管排设施，影响正常生产。

2)燃气喷吹起始点如果设置过后，则强化烧结效果不明显。

燃气喷吹的起始点如果设置过后，则着火现象能够得到有效压制，但是由于烧结机为抽风作业式生产，其上部料层没有得到热风蓄热效应，是最需要补热的区域。而燃气如果太晚喷入，此时燃烧带已经下移到料层中部位置，上部料层无法得到燃气补热，从而导致整体燃气喷吹强化烧结效果不明显，甚至有可能出现烧结矿次品率上升的现象。

综上，目前的燃气喷吹技术，在喷吹起始点的位置选择上存在关键性待解决问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蒸汽降温式燃气喷吹烧结机。该烧结机针对燃气喷吹装置存在的易着火、生产不稳定的问题，设置了蒸汽降温装置，能有效的避免上述问题。

本发明的另一目的是提供一种用于控制所述蒸汽降温式燃气喷吹烧结机的方法。

为实现上述目的，本发明提供一种蒸汽降温式燃气喷吹烧结机，包括烧结机轨道、设于烧结机轨道的烧结机台车、位于烧结机头部的点火装置、以及燃气喷吹装置，所述燃气喷吹装置设于烧结机的燃气喷吹位置以在所述烧结机台车从其所在的位置经过时向所述烧结机台车的烧结料面喷吹燃气；进一步包括蒸汽降温装置，所述蒸汽降温装置设于所述点火装置与燃气喷吹装置之间的位置，以在所述烧结机台车从其所在的位置经过时向所述烧结机台车的烧结料面喷吹蒸汽，使烧结料面温度降低至燃气着火温度以下。

优选地，所述蒸汽降温装置包括蒸汽主管和沿管长方向设于所述蒸汽主管的蒸汽喷头。

优选地，所述蒸汽喷头的至少一部分沿管长方向均匀、对称地布置于所述蒸汽主管前后两侧。

优选地，进一步包括往复运行机构，所述蒸汽降温装置设于所述往复运行机构，以在烧结料面上方做往复运动。

优选地，所述往复运动机构包括导引部件以及能够沿所述导引部件所确定的方向移动的运动部件，所述蒸汽降温装置设于所述运动部件。

优选地，所述导引部件所确定的方向平行于所述烧结机台车的运行方向，所述蒸汽降温装置的蒸汽主管架设在烧结料面上方，其管长方向与所述烧结机台车的运行方向垂直；

或者，所述导引部件所确定的方向垂直于所述烧结机台车的运行方向，所述蒸汽降温装置的蒸汽主管架设在烧结料面上方，其管长方向与所述烧结机台车的运行方向平行；

或者，所述导引部件所确定的方向与所述烧结机台车的运行方向呈一定角度，所述蒸汽降温装置的蒸汽主管架设在烧结料面上方，其管长方向与所述烧结机台车的运行方向呈一定角度。

优选地，所述导引部件包括轨道，所述运动部件包括滚轮，所述蒸汽降温装置的蒸汽主管通过支架和所述滚轮安装于所述轨道，以沿所述轨道在烧结料面上方做往复运动。

为实现上述另一目的，本发明提供一种蒸汽降温式燃气喷吹烧结机控制方法，用于控制上述蒸汽降温式燃气喷吹烧结机，包括：

测量点火装置后部的料面温度T_测；

计算喷吹蒸汽量Q_蒸汽；

判断Q_蒸汽是否小于Q_max，若判断结果为是，则转入静止喷吹模式，若判断结果为否，转入跟随喷吹模式；

在静止喷吹模式下，调节喷吹流量至Q_蒸汽；

在跟随喷吹模式下，将Q_蒸汽调节至等于0.7～0.9×Q_max，确定V_气，开始喷吹蒸汽，以速度V_气使蒸汽降温装置在点火装置与燃气喷吹装置之间做一次往复运动。

进一步地，在跟随喷吹模式下，将Q_蒸汽调节至等于0.8×Q_max。

进一步地，根据公式(2)、公式(3)和公式(4)计算喷吹蒸汽量Q_蒸汽；

Q_蒸汽＝k·(T_测-T_目标)·V_料-气 公式(3)

式中

式中，D和L分别是冷却深度和台车宽度；ρ_料、C_料和C_蒸汽分别是烧结料的密度、烧结料平均比热和蒸汽平均比热；T_测和T_目标分别烧结料面冷却前后温度，ΔT_蒸汽是蒸汽换热前后温差，V_料-气是料面与喷吹管的相对速度。

进一步地，根据公式(5)计算V_气；

本发明在点火装置之后、燃气喷吹装置之前的区域设有蒸汽降温装置，利用蒸汽降温装置可以向烧结料面喷吹少量蒸汽，利用蒸汽较空气比热容大和扩散能力强的特点，将烧结矿表面温度迅速降低至燃气着火温度以下，消除该区域料面红热高温点，进而降低燃气着火几率，保证后续燃气喷吹的安全性，这样便能够将燃气喷吹起始点往前移，而又不易着火，解决了燃气喷吹起始点无法在不着火的前提下前移的问题，可达到进一步强化烧结效果的目的。

本发明提供的蒸汽降温式燃气喷吹烧结机控制方法用于上述蒸汽降温式燃气喷吹烧结机，由于所述蒸汽降温式燃气喷吹烧结机具有上述技术效果，则蒸汽降温式燃气喷吹烧结机控制方法也应具有相应的技术效果。

附图说明

图1为本发明第一实施例公开的蒸汽降温式燃气喷吹烧结机的结构示意图；

图2为图1所示蒸汽降温式燃气喷吹烧结机的俯视图；

图3为蒸汽喷头的端部示意图；

图4为本发明第二实施例公开的蒸汽降温式燃气喷吹烧结机的结构示意图；

图5为本发明第三实施例公开的蒸汽降温式燃气喷吹烧结机的结构示意图；

图6为本发明所提供蒸汽降温式燃气喷吹烧结机控制方法的流程图。

图中：

1.点火炉罩 2.点火烧嘴 3.台车 4.风箱 5.大烟道 6.轨道 7.燃气喷吹罩 8.燃气喷吹管 9.蒸汽降温装置 91.蒸汽主管 92.蒸汽喷头 93.轨道 94.滚轮

具体实施方式

本发明拟解决现有技术存在的燃气喷吹起始点无法在不着火的前提下前移的问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

在本文中，“上、下、内、外”等用语是基于附图所示的位置关系而确立的，根据附图的不同，相应的位置关系也有可能随之发生变化，因此，并不能将其理解为对保护范围的绝对限定；而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

请参考图1，图1为本发明第一实施例公开的蒸汽降温式燃气喷吹烧结机的结构示意图。

如图所示，在一种具体实施例中，本发明所提供的烧结机在头部位置设置有点火炉罩1，点火炉罩1内安装有点火烧嘴2，若干个烧结机台车3首尾相连安装在烧结机上，烧结机台车车轮安装在烧结机轨道6上，台车3沿烧结机轨道6运行，轨道6下方安装有底部风箱4，风箱4上部正台车底部，风箱4下部与烧结大烟道5相连接。

烧结开始前，先将铁矿石和焦炭、白云石等的混合料从烧结机前部装填进烧结台车3。装填满烧结料台车3在经过点火炉罩1下方时，由点火烧嘴2将烧结料表面的焦炭等点燃，在料层表面形成一层薄薄的燃烧带，台车继续沿轨道向烧结机尾部运行。烧结大烟道5内维持一定的负压(一般约14kPa)，保证烧结机上部台车3处于抽风状态，料层上方的空气被抽入烧结料层内。在抽风作用下，料层下部的物料逐渐被上部燃烧带点燃，表层的燃烧带最终移动至台车3底部，完成物料的烧结。烧结完成的成品矿从烧结机尾部排出，烧结过程形成的废气则从底部烧结大烟道5抽走。

为强化烧结效果，在点火炉罩1后方的烧结机台车上部增设了燃气喷吹罩7，喷吹罩7内设置有燃气喷吹管8。在烧结配料时，适当降低料层配煤比，将烧结所需的一部分热量以燃气喷吹的形式送入料层。烧结过程中，通过燃气喷吹管8将稀释到爆炸极限以下的燃气喷洒在烧结料层表面空间，使其被抽入料层内，利用燃气对烧结料层进行补热，强化烧结过程。研究表明，该技术可以显著改善传统烧结方法燃料偏析严重、料层供热不合理的问题，对烧结过程的节能和减排效果明显。

蒸汽降温装置9设于点火炉罩1与燃气喷吹罩7之间的位置，处于烧结料面的上方，其喷雾范围具有一定长度和宽度，能够覆盖其所在位置的烧结机台车3的烧结料面，以在烧结机台车3从其所在的位置经过时，自上而下向烧结机台车3的烧结料面喷吹水蒸气等冷却介质，使烧结料面温度降低至燃气着火温度以下。

与现有技术相比，本发明在点火炉罩1后部、燃气喷吹罩7前部增设了蒸汽降温装置9，通过在烧结机前部料面(靠近点火炉的烧结料面)上喷吹少量蒸汽，将蒸汽喷吹和燃气喷吹技术相结合，利用蒸汽较空气比热容大和扩散能力强的特点，将烧结矿表面温度迅速降低至燃气着火温度以下，保证后续燃气喷吹的安全性。

请参考图2、图3，图2为图1所示蒸汽降温式燃气喷吹烧结机的俯视图；图3为蒸汽喷头的端部示意图。

如图所示，蒸汽降温装置9主要由蒸汽主管91、蒸汽喷头92、轨道93、以及滚轮94等部分组成，由于设有轨道93和滚轮94，蒸汽主管91沿横向方向架设在烧结料面上方，与烧结机台车3的运行方向垂直，蒸汽主管91上沿管长方向均匀、对称地布置有蒸汽喷头92，轨道93沿平行于烧结机台车3的运行方向铺设，蒸汽主管91通过支架和滚轮94安装在轨道93上，因此可以沿轨道93做往复运动。

工作时，蒸汽从蒸汽主管91送入，最后由各蒸汽喷头92喷洒至烧结料料面，实现蒸汽的均匀撒布。运行过程中，可以根据料面温度状况，灵活的调整蒸汽主管91的运行方向和速度，调节蒸汽主管91对下方料面的跟随时间，从而达到特定的冷却效果。

在其他实施例中，轨道93可以垂直于烧结机台车3的运行方向，蒸汽主管91的管长方向平行于烧结机台车3的运行方向，蒸汽主管91的往复运动方向垂直于烧结机台车3的运行方向(见图4)；或者，轨道93与烧结机台车3的运行方向呈一定角度，在俯视图上，蒸汽主管91沿斜向方向架设在烧结料面上方，其管长方向与烧结机台车3的运行方向呈一定角度，例如两者的夹角可以是30°、45°或60°等。

在这些实施例中，与实施例一相同的部分，给予相同的附图标记，并省略相同的文字说明。

上述实施例仅是本发明的优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。例如，蒸汽主管91采用其他结构实现往复运动，或者，将蒸汽喷头92设计成其他形状，又或者，采用滑块和滑轨来代替滚轮94和轨道93等等。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。

请参考图6，图6为本发明所提供蒸汽降温式燃气喷吹烧结机控制方法的流程图。

在烧结机生产过程中，烧结机产量和点火强度等参数存在波动，为获得稳定的料面冷却效果，喷吹装置的喷吹蒸汽量和运动需要进行相应控制。因此，本专利技术同时提供了该装置的相应控制方法，以实现蒸汽喷吹量和蒸汽主管运动等随烧结机产量、机速和点火强度等烧结工况参数的自动调节。

在忽略系统散热的情况下，蒸汽升温带走的热量与烧结料面温度降低释放的热量相等，则有：

Q_蒸汽·C_蒸汽·ΔT_蒸汽＝Q_料·C_料·(T_测-T_目标)

Q_料＝D·L·ρ_料·V_料-气

推导得到，蒸汽量计算公式Q_蒸汽：

式中，D和L分别是冷却深度和台车宽度；ρ_料、C_料和C_蒸汽分别是烧结料的密度、烧结料平均比热和蒸汽平均比热，属于物料和蒸汽的物性参数；T_测和T_目标分别烧结料面冷却前后温度，ΔT_蒸汽是蒸汽换热前后温差，V_料-气是料面与喷吹管的相对速度。

结合烧结实际工况，对式(1)进行分析。冷却深度D和蒸汽温升ΔT_蒸汽是表征特定工艺要求的常数，ρ_料、C_料和C_蒸汽是物性参数，L是台车几何参数。因此，上式可写成：

Q_蒸汽＝k·(T_测-T_目标)·V_料-气 公式(3)

由上式可知，冷却料面所需的蒸汽量，与料面降温幅度和料面相对蒸汽喷吹管的相对速度的乘积呈正比。因此，当烧结点火强度波动导致出点火炉的料面温度升高时，或当因提升产量导致烧结机机速增加时，可以通过增加喷吹量和减小料面速度两个措施提高冷却能力，从而保证稳定的料面降温效果。但是，由于蒸汽量过大，会导致烧结料层含水率增加较大，过高的含水率会增加料层透气性，对烧结工艺产生不利影响。因此，不能单纯通过增加蒸汽量的方法，提高冷却能力，喷吹蒸汽量不宜超过因料层湿度限定的上限Q_max。

从以上分析结论出发，提出了如下的控制策略：

当出点火炉料面温度T_测和料面速度V_料在较小的范围内波动时，蒸汽降温装置静止，通过调节蒸汽量，实现稳定的换热效果；当料面温度出现脉动式阶跃时，增加蒸汽量的同时，喷吹管与台车同向运动，增加料面跟随时间，增强料面冷却效果。

喷吹管运行速度V_气：

具体控制步骤如下：

步骤1：程序开始；

步骤2：测量点火炉罩1后部烧结料面温度T_测；

步骤3：根据公式(2)、(3)、(4)计算喷吹蒸汽量Q_蒸汽；

步骤4：判断Q_蒸汽是否小于Q_max，若判断结果为是，则转入步骤5，若判断结果为否，则转入步骤6；

步骤5：采用静止喷吹模式，调节喷吹流量至Q_蒸汽，转步骤8；

步骤6：开启跟随喷吹模式，令Q_蒸汽＝0.8Q_max，根据公式(5)计算V_气；

步骤7：调节蒸汽喷吹量至Q_蒸汽，开始喷吹蒸汽，使蒸汽主管91以速度V_气在点火炉罩1与燃气喷吹罩7之间做一次往复运动；

步骤8：程序结束。

由于在出点火炉后的料面上喷洒蒸汽，使得料面上的红热高温点消失，煤气的喷吹起始点可以有效前移，基于烧结抽风作业料层自蓄热效应原理，煤气喷吹起始点越往前移动，料层内的偏析燃料分布效果越明显，从而燃气喷吹强化烧结的效果也就更显著。

以上对本发明所提供的蒸汽降温式燃气喷吹烧结机及其控制方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.蒸汽降温式燃气喷吹烧结机，包括烧结机轨道(6)、设于烧结机轨道(6)的烧结机台车(3)、位于烧结机头部的点火装置、以及燃气喷吹装置，所述燃气喷吹装置设于烧结机的燃气喷吹位置以在所述烧结机台车(3)从其所在的位置经过时向所述烧结机台车(3)的烧结料面喷吹燃气；其特征在于，进一步包括蒸汽降温装置(9)，所述蒸汽降温装置(9)设于所述点火装置与燃气喷吹装置之间的位置，以在所述烧结机台车(3)从其所在的位置经过时向所述烧结机台车(3)的烧结料面喷吹蒸汽，使烧结料面温度降低至燃气着火温度以下。

2.根据权利要求1所述的蒸汽降温式燃气喷吹烧结机，其特征在于，所述蒸汽降温装置(9)包括蒸汽主管(91)和沿管长方向设于所述蒸汽主管(91)的蒸汽喷头(92)。

3.根据权利要求1所述的蒸汽降温式燃气喷吹烧结机，其特征在于，所述蒸汽喷头(92)的至少一部分沿管长方向均匀、对称地布置于所述蒸汽主管(91)前后两侧。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的蒸汽降温式燃气喷吹烧结机，其特征在于，进一步包括往复运行机构，所述蒸汽降温装置(9)设于所述往复运行机构，以在烧结料面上方做往复运动。

5.根据权利要求4所述的蒸汽降温式燃气喷吹烧结机，其特征在于，所述往复运动机构包括导引部件以及能够沿所述导引部件所确定的方向移动的运动部件，所述蒸汽降温装置(9)设于所述运动部件。

6.根据权利要求5所述的蒸汽降温式燃气喷吹烧结机，其特征在于，所述导引部件所确定的方向平行于所述烧结机台车(3)的运行方向，所述蒸汽降温装置(9)的蒸汽主管(91)架设在烧结料面上方，其管长方向与所述烧结机台车(3)的运行方向垂直；

或者，所述导引部件所确定的方向垂直于所述烧结机台车(3)的运行方向，所述蒸汽降温装置(9)的蒸汽主管(91)架设在烧结料面上方，其管长方向与所述烧结机台车(3)的运行方向平行；

或者，所述导引部件所确定的方向与所述烧结机台车(3)的运行方向呈一定角度，所述蒸汽降温装置(9)的蒸汽主管(91)架设在烧结料面上方，其管长方向与所述烧结机台车(3)的运行方向呈一定角度。

7.根据权利要求6所述的蒸汽降温式燃气喷吹烧结机，其特征在于，所述导引部件包括轨道，所述运动部件包括滚轮，所述蒸汽降温装置(9)的蒸汽主管(91)通过支架和所述滚轮安装于所述轨道，以沿所述轨道在烧结料面上方做往复运动。

8.蒸汽降温式燃气喷吹烧结机控制方法，用于控制上述权利要求4、5、6或7所述蒸汽降温式燃气喷吹烧结机，包括：

测量点火装置后部的料面温度T_测；

计算喷吹蒸汽量Q_蒸汽；

判断Q_蒸汽是否小于Q_max，若判断结果为是，则转入静止喷吹模式，若判断结果为否，转入跟随喷吹模式；

在静止喷吹模式下，调节喷吹流量至Q_蒸汽；

在跟随喷吹模式下，将Q_蒸汽调节至等于0.7～0.9×Q_max，确定V_气，开始喷吹蒸汽，以速度V_气使蒸汽降温装置在点火装置与燃气喷吹装置之间做一次往复运动。

9.根据权利要求8所述的蒸汽降温式燃气喷吹烧结机控制方法，其特征在于，在跟随喷吹模式下，将Q_蒸汽调节至等于0.8×Q_max。

10.根据权利要求8所述的蒸汽降温式燃气喷吹烧结机控制方法，其特征在于，根据公式(2)、公式(3)和公式(4)计算喷吹蒸汽量Q_蒸汽；

Q_蒸汽＝k·(T_测-T_目标)·V_料-气公式(3)

式中

式中，D和L分别是冷却深度和台车宽度；ρ_料、C_料和C_蒸汽分别是烧结料的密度、烧结料平均比热和蒸汽平均比热；T_测和T_目标分别烧结料面冷却前后温度，ΔT_蒸汽是蒸汽换热前后温差，V_料-气是料面与喷吹管的相对速度。

11.根据权利要求8所述的蒸汽降温式燃气喷吹烧结机控制方法，其特征在于，根据公式(5)计算V_气；

Images