CN1676631A - 竖炉炉内热能控制方法及实现该方法的内燃式球团竖炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种竖炉炉内热能控制方法及实现该方法的内燃式球团竖炉，其彻底抛弃了传统竖炉采用外置式燃烧室的工艺布置思路，将燃烧室巧妙地布置于竖炉内部水平方向的中心位置且直接座落于炉体本体下部的钢结构炉体支撑架上，在燃烧室与竖炉墙体间是导风通道，导风通道中设置有导风量调节阀，燃烧室顶部还设有冷风混掺装置。本发明有效解决了传统竖炉在大型化发展中所遇到的关键障碍(如导风墙大水梁结构尺寸的限制、齿辊排料机由于炉体热变形而引起的结构设计问题等)，在竖炉大型化发展道路上迈出了关键的一步，年产量大于100万吨的酸性氧化球团竖炉通过本发明将可变为现实。

Description

竖炉炉内热能控制方法及实现该方法的内燃式球团竖炉

技术领域  本发明涉及到一种冶炼领域中生产酸性氧化球团矿的竖炉炉内热能控制方法，该方法运用科学的热平衡原理，将冷却风、助燃风、焙烧风和干燥风“四风合一”，使各种气体相互沟通，平衡协调。本发明还涉及到应用该方法对生产高炉炼铁原料的设备，特别是竖炉法生产酸性氧化球团矿竖炉的改进。

背景技术  球团矿是用于高炉炼铁的一种原料，其基本生产工艺是将铁精粉加入适量黏合剂后，由造球机制造成直径6～16毫米的球状颗粒，然后进行烘干、焙烧，成为物化指标符合炼铁高炉生产要求的含铁原料。酸性氧化球团矿的生产方式有多种，竖炉法生产工艺是广泛适用于中小钢铁企业或矿山的常见方法。其生产是从配料、烘干、造球，到加入竖炉焙烧，再到排料、冷却的过程，其中关键工艺在炉内焙烧过程。竖炉法生产酸性氧化球团矿的最大特点在于其一次性投资低，能源利用率高且又能充分利用低热值的二次能源等。其产量和质量通常又都能满足中型钢铁企业高炉生产的要求，实践证明了竖炉法在球团矿生产中应有的地位和作用。

然而，竖炉法生产酸性氧化球团矿也存在着诸多制约其发展的缺陷。竖炉本体部分生产工艺的合理性，生产设备的先进性，影响和制约了球团矿生产的质量和规模。首先是竖炉本体的工艺结构现状和设备缺陷很大程度上限制了其大型化生产的可能。竖炉的大小以焙烧段的截面积计算，通常有8平方米、12平方米等，其年生产能力一般在40-50万吨，目前国内最大的单座竖炉为16平方米，年生产球团矿能力仅为70万吨左右。二是竖炉对原料的要求相对其它球团矿生产方法较为苛刻。除国内个别企业已在试验配加高比例(大于30％)赤铁矿生产氧化球团矿外，目前所有的竖炉都要求有较高比例的磁铁精粉才能质量稳定地生产球团矿。

传统竖炉的上部为布料口和生球干燥床，经造球机造好的生球由布料口加入炉内，并在干燥床完成烘干、升温；中部为焙烧段，燃料与助燃风在两只外置燃烧室燃烧产生高温气体，经喷火口，使高温气体进入竖炉，对炉内球团矿进行焙烧、氧化，高温废气排入干燥段；下部为成品球团矿的排料部位，排出的成品球团矿经冷却设备冷却后送往高炉料场。该种传统的竖炉结构存在着诸多缺陷，主要表现在以下方面：

1.由于外置燃烧室处于竖炉中部，其沉重而庞大的体积必须依靠坚固的厂房平台支撑；

2.外置燃烧室与竖炉本体由于温度的差异，其接口处容易变形、开裂，造成漏气与冒火；

3.导风墙处于炉内中间位置，沉重的墙体依靠不断通以冷却水的空心钢梁(俗称大水梁)支撑，大水梁在长时间的高温环境中容易变形、磨损，导致导风墙的损坏；

4.炉内导风墙和大水梁的工艺布置，成为影响竖炉大型化的最大障碍，使其不可能超过大水梁的承受能力而继续扩大炉体空间；

5.处于炉体下部排料部位的齿辊排料设备长度较大，长时间处于高温环境下，承受较大的弯扭荷载，也容易变形、开裂，且更换非常困难，同样也是影响竖炉大型化的主要障碍。

6.刚出炉的成品球团温度很高，达500～600摄氏度(甚至更高)，需经过专门设计制造的设备冷却后才能送往高炉系统；

7.纵观整个传统竖炉的工艺结构，其中冷却风、助燃风、焙烧风和干燥热风四者关系相互影响，使排料成品球的热能得不到很好的回收和利用，造成能源浪费，恶化工作环境。

在传统竖炉的工艺布局中，各类风道相互独立，结构复杂，由于竖炉上下热平衡的要求，在理论上已不能加大冷却风量的流量，导致出料成品为热球，造成热能资源的浪费现象。由于竖炉排出的成品球团矿的温度较高，达500℃～600℃(甚至更高)，不但带走了大量宝贵的热能，无法在冷却的过程中得到有效的利用，而且要配置专门设计制造的设备将成品球团矿进行强制冷却后才能送往高炉系统，给成品球团矿的冷却和运输设备提出了很高的要求，也给保持现场良好的工作环境带来了很大的困难。

有鉴于此，国内很多企业和技术研究开发单位都在针对竖炉的这两大缺陷进行多方面的改进和试验，以期从某种程度上解决竖炉法生产球团矿的设备和工艺缺陷，如TCS竖炉、某公司在竖炉生产中增加红矿比例的试验等，对竖炉法生产球团矿的推广使用起到了一定的促进作用。

但是，要真正使竖炉法球团矿生产工艺得到彻底的改进，还必须从根本上解决和改善竖炉的固有缺陷，充分利用竖炉的原有优点，结合现代工业技术的成果，重新研究开发一种全新的球团竖炉，方能从实质上赋予竖炉法生产酸性氧化球团工艺新的技术生命。

发明内容  本发明的发明人专注于竖炉生产球团矿技术开发和能源技术的综合利用，多年从事竖炉生产酸性氧化球团的工程设计和专用设备研究开发，根据对目前各类竖炉的调查发现，现行的竖炉球团生产工艺在能源介质的利用上尚存在较大的提升空间。为此，本发明的发明人对竖炉法生产球团的物化反应和热工过程进行了详细、深入的研究，开发出了能够良好回收球团显热的竖炉炉内热能控制模式，并应用该方法研究开发出一种高效全自立内燃式球团竖炉，使燃料的利用率得到大幅度的提高，并取消了球团的炉外冷却或竖冷器工艺，具有良好的环保效果。

为解决上述传统竖炉生产球团矿中存在的问题，本发明的目的是在竖炉内部直接将排出的成品球团温度冷却到150℃以下，并将得到的高温气体完全引入竖炉内部燃烧室，在补充较小热量的条件下，能够有效地完成球团的氧化、焙烧过程。

实现本发明的目的的技术方案是这样的：

一种竖炉炉内热能控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)根据竖炉的球团矿产量和换热平衡条件的要求，控制进入竖炉下部进风口的冷却风Q1的流量，对炉内的高温热球进行冷却，使竖炉排出的成品球的温度低于冷却目标值；

(2)汇集对炉内高温热球冷却换热得到的高温气体，将其中一部份作为助燃风Q2引入竖炉燃烧室内，加入燃料Qb燃烧加热，将Q2温度升至1150℃～1350℃，成为球团预热、焙烧风，用Q2’表示；另一部份过剩的高温气体Q3则经由燃烧室两个相对的侧面与竖炉墙体间的导风通道进入竖炉烘干床，Q3的流量由导风通道中的导风量调节阀进行调节；

(3)上述步骤中的焙烧风Q2’对烘干后的生球焙烧后的废气Q4上行后汇入竖炉烘干床内，对烘干床上的球团进行烘干；

(4)在烘干床下方通过冷风混掺装置补充适量的冷空气Qc，平衡烘干床下混合气体2Q3+2Q4的温度，使之控制在400℃～550℃范围内；

(5)上述所有气体汇集通过烘干床后形成的含尘废气Q5经除尘净化处理后排入大气中。

上述的换热平衡条件的要求是指：(1)炉内成品热球达到冷却目标值时与空气的换热平衡；(2)生球预热、焙烧的换热平衡；(3)生球干燥的换热平衡。

上述使竖炉排出的成品球的温度低于冷却目标值是指出炉的成品热球温度低于150℃。

竖炉排出的含尘废气Q5的温度被控制在120℃～150℃范围内。

根据竖炉热炉的热平衡计算及物化反应理论，须对竖炉内部各通道内的气流进行检测和有效的控制，以满足竖炉氧化球团生产工艺的要求，上述导风通道中的高温气体Q3的流量可由下述公式计算得到：

               Q3＝α(ΔP/K)^1/2

其中α-与导风通道的面积、气体温度有关的系数

    K-导风通道总阻力系数

    ΔP-导风通道前后气体的压力差，ΔP＝P2-P3，

    P2-燃烧室下部集气室炉气压力

    P3-烘干床下气体压力

P2、P3可由导风通道中的导风量调节阀进行调节。

助燃风Q2的流量则应与生产工艺所要求通过焙烧段的气体量相符，其计算公式为：

                  Q2＝Q1-2×Q3

所述的竖炉燃烧室内燃料Qb的添加量是根据燃烧室上部焙烧段的预热、焙烧气体Q2’的温度T2’的要求确定。

所述的烘干床下方的冷风Qc的补充量是根据烘干床下的混合气体2Q3+2Q4的温度及其流量确定。

根据上述竖炉炉内热能控制方法理论，本发明的发明人进一步设计开发了实现该方法的内燃式球团竖炉，其包括烟罩、布料设备、烘干床、燃烧室、冷风管道、齿辊排料设备、出料系统等，其特征在于：所述的燃烧室被设置在竖炉内部中心位置，在燃烧室与竖炉墙体间设有导风通道，导风通道中设置有导风量调节阀，烘干床下方空间还设有冷风混掺装置。

所述的燃烧室位于竖炉内部水平方向的中心位置且直接座落在竖炉炉体下部的竖炉支撑架上。

所述的导风通道位于燃烧室两个相对的侧面与竖炉墙体之间。

所述的冷风混掺装置是补冷管道，该补冷管道被设置在燃烧室顶部与烘干床之间所形成的空间内。

所述的导风量调节阀是耐高温调节阀。

本发明的竖炉炉内热能控制方法及球团竖炉建立在对冷却风、助燃风、焙烧风和干燥风的统一认识基础上，运用科学的热平衡原理，设计出“四风合一”的热能控制方法，使各种气体相互沟通，平衡协调，通过正确处理和控制其中的变量关系，运用特制的调节阀板将通道内的进风量、燃烧气体和废气排放量调节至最佳状态，使生产平稳进行，使竖炉实现了真正意义上的高效节能模式。这种多因素热能控制方法的设计模式不仅适用于竖炉生产，同时可推广至各类工业炉窑，有望成为我国工业炉窑能源利用的一个范例。

本发明的竖炉炉内“四风合一”的热能回收控制方法以及实施该方法的球团竖炉是从竖炉下部冷却风进风开始，经过对高温成品球团(温度达1150摄氏度)的冷却，与高温成品球团进行热交换，使成品球团的排出温度下降至150摄氏度以下，而冷却风在上升过程中温度逐步升高，成为1000摄氏度左右的高温热风，高温热风一部分经导风通道送往上部干燥床，对入炉生球进行干燥、升温；另一部分作为助燃风直接进入燃烧室，经燃料燃烧后进一步加热成为焙烧风。焙烧风对炉内球团矿进行预热焙烧，上行废气通往炉体上部的烘干床，成为干燥热风。因汇集在烘干床下方的气体温度较高，应配入适量的冷风，使干燥气体温度控制在400℃～550℃范围内。该热平衡系统使能源得到最充分的利用，在正常条件下，竖炉燃烧室仅需补充少量燃料就能满足生产需要，同时还意味着即便采用低热值的燃料也能得到较高温度的焙烧气体。

在竖炉生产中，若采用较高比例的赤铁矿作为原料，因需要炉内有较高的焙烧温度和氧气分压值，焙烧温度约需1200摄氏度至1350摄氏度，传统竖炉难以达到。而运用本发明的竖炉炉内热能控制方法可使竖炉轻松实现这一温度要求，且焙烧气体的含氧量也能得到满足，这一优势为竖炉应用高比例赤铁矿生产球团奠定了基本的工艺条件。

同样，在高海拔地区，因高原缺氧和冰冻期铁精粉冻结而使生产一筹莫展，而运用本发明的竖炉炉内热能控制方法使高海拔地区利用竖炉法生产球团矿同样成为可能。这为国内外众多的高海拔地区的铁矿企业自行生产酸性氧化球团矿带来了福音。

本发明的竖炉炉内热能控制方法和传统竖炉的控制方法在热回收效果上的不同，其根本原因是本发明的方法和传统方法对于冷却风、助燃风、焙烧风、干燥风这四者的认识处理和控制存在本质上的区别。传统方法将其四者孤立地看待、处理和控制，但在实际使用中又很难避免四者的相互影响而得不到理想的效果，这是由传统竖炉的工艺结构形式造成且无法避免的。

统一认识和处理冷却风、助燃风、焙烧风和干燥风这四者的关系，是本发明最为关键的特点，本发明将这四者关系有机地融为一体，妥善而灵活地考虑了炉内气流的各种特点，正确处理、控制好其中的变量关系，使竖炉在工作中既满足炉内对成品球团的冷却要求，又使换热回收后的空气可分别合理地用于助燃空气和焙烧风以及干燥风。

基于合理的工艺结构设计，本发明可将成品球团炉内排出温度降至≤150℃(理论上甚至可以更低)，助燃空气升至900～1000℃(理论上甚至可以更高)，已接近一般氧化球团焙烧风所需1050～1150℃的工艺温度要求，燃烧室内仅需补充少量燃料助燃。在很高的助燃空气温度和少量的合理燃料供给情况下，竖炉实际需要的燃烧空间较以前传统方法下竖炉燃烧室的空间大大缩小，因此本发明的竖炉燃烧室的空间尺寸比传统竖炉的导风墙空间尺寸增加不多。

目前钢铁企业的竖炉绝大部分都使用高炉煤气作为竖炉的燃料，但此原因一直影响着竖炉的性能发挥。由于竖炉在焙烧较高比例赤铁矿(Fe₂O₃)时要求炉内有较高的焙烧温度和有较高氧气分压的焙烧气氛。现在采用本发明的竖炉，即使使用高炉煤气作为燃料，较高的焙烧温度(1200～1350℃)和较高的焙烧气体含氧量都能够容易达到。

本发明的竖炉炉内燃烧室里的助燃风就是完全回收炉内高温成品球团矿热量后升至高温的冷却风，因此竖炉已没有必要设置单独的高压助燃风机，仅需一台高压冷却风机即可。

采用本发明，若将齿辊排料设备布置于竖炉下端冷却风进风口的稍稍上方，成品球团在此部位的温度已≤150℃，加上冷却风的上行冷却作用，齿辊实际工作温度很低。因此，既可适当降低对齿辊工作段的材质要求，也相应延长了齿辊工作段的使用寿命。

基于上述本发明的竖炉炉内热能控制方法而设计制造的本发明的内燃式球团竖炉，彻底抛弃了传统竖炉采用外置式燃烧室的工艺布置思路，将燃烧室巧妙地布置于竖炉内部水平方向的中心位置且直接座落于炉体本体下部的钢结构炉体支撑架上，这一关键性的改变给竖炉带来了革命性的效果，体现在以下几个方面：

(一)全自立式的外部结构特征

外置燃烧室的取消使竖炉有条件摆脱复杂而高耸的钢筋混凝土框架结构厂房支撑方式，而依靠自身稳定的炉体外部结构直接座落于地基上，形成独立简洁的空间形象，使本发明的竖炉具有全自立式的外部结构特征。必要的检修、操作平台均设置于炉体外部钢结构的各相应标高位置上，并与炉体钢结构连接为一体。各座平台间设有连接钢梯，所有的工作均可在外部平台上完成。这种全自立的结构形式，不仅可以大幅度地降低竖炉项目的建设投资，也方便了竖炉的安装和检修，大大缩短了竖炉建设的施工工期。根据竖炉内置燃烧室断面工艺结构形状的不同，本发明的竖炉外形又可有矩形和圆形或其它多种结构形式。

(二)内置中心燃烧室结构

1.燃烧室直接砌筑于炉内下部本体结构的中间位置，其结构尺寸较传统竖炉的导风墙要宽，燃烧室墙体上同时布置有助燃风和干燥风通道，使中心燃烧室不仅兼备了原有导风墙的功能，而且使传统竖炉中的大水梁结构方式得以取消。这样燃烧室的墙体结构已不存在以往竖炉由于大水梁受热变形而引起的导风墙墙体倒塌问题，燃烧室墙体结构非常稳定，竖炉大型化的障碍基本得以排除。

2.内置中心燃烧室的特殊而简洁的高温助燃风进风方式在结构上也克服了传统竖炉由于需设置高温助燃空气(800～1000℃)管道而带来的工艺结构布置上的复杂性。虽然本发明的竖炉内置中心燃烧室与传统竖炉的导风墙有本质的区别，但内部工艺结构位置的类似使其实际上仍可起到导风和消除炉内中心“死料柱”的双重作用。

3.在球团生产过程中，生球干燥烘干床需要干燥热风，本发明的竖炉通过在中心燃烧室和竖炉墙体间另行设置导风通路，使其与炉体外部墙体融为一体，并在导风通路中增设了耐高温的调节阀板，从而使以往竖炉难以实现的高温导风量调节难题得以解决。

4.本发明的竖炉同时又增加了冷风混掺工艺系统，即在中心燃烧室顶部和烘干床之间所形成空间内设置补冷管道，既控制了生球烘干床面的烘干气流温度，防止生球过多爆裂，又由于总体上烘干气流量的加大而提高了干燥效果，因此本发明的竖炉的生球烘干床上的生球干燥效果要明显优于传统形式的竖炉。另外，由于内置中心燃烧室的结构特征而使竖炉上部的烘干床实际面积较传统竖炉烘干床面积明显增大，进一步改善了生球干燥效果，对于传统竖炉来说，影响竖炉产量和利用系数的生球干燥床瓶颈问题将得到很大的改善。

5.本发明的竖炉由于取消了两只外置燃烧室这种传统竖炉结构，克服了以前传统竖炉外置燃烧室与竖炉本体连接处容易热变形而损坏，从而造成冒火、烧红或烧坏现象。

(三)高效的热能回收和极佳的燃烧效果

由于本发明的竖炉内置式中心燃烧室结构，给竖炉带来了理想的热能回收和燃烧效果，对低热值燃料的使用、降低燃料消耗和高比例应用赤铁矿进行生产创造了极为有利的条件，直接效果可体现在如下几个方面：

1.内置中心燃烧室的结构形式，使以前任何一种竖炉无法做到的完全直接回收利用炉内成品球团的热量变为可能，回收的高温热量可用于循环预热助燃空气，同时又省却了炉外复杂的成品球团冷却系统，简化了球团竖炉的冷却风和助燃风供给调节系统。

本发明的竖炉将经过焙烧氧化完成后的高温成品球团作为蓄热载体，高温成品球团(1150～1250℃)在下行过程中与竖炉下部送入而上行的冷却风经过足够时间的热交换而降至≤150℃，上行的冷却风可被高温成品球团加热至900～1000℃，这一效果在本发明的竖炉中得到实现。通过简单的热平衡计算，只要有足够的冷却风量和合适的热交换料层高度，新型竖炉完全能做到这一点。

2.在很高的助燃空气温度和少量的合理燃料供给情况下，竖炉实际需要的燃烧空间较以前传统竖炉外置式燃烧室的空间大大缩小。因此本发明的竖炉内置中心燃烧室的空间尺寸比传统竖炉的导风墙空间尺寸增加不多。传统竖炉在外置式燃烧室火道进入竖炉两侧的焙烧风喷火口之间尚须分别设置气流均布通道，而本发明的竖炉在同样有效的焙烧面积情况下，其炉体外形横向尺寸小，这个明显的优点给以后传统竖炉改造为本发明的竖炉创造了极好的空间位置条件，改造工作可在不影响原有厂房结构的基础上完成。

3.由于本发明的竖炉优越而合理的燃烧系统工艺设计，高温助燃风加以少量的补充燃料燃烧后得到的焙烧风温度已足以满足氧化球团焙烧温度的需要，而且焙烧风的含氧量将大大高于以前传统竖炉燃烧室中产生的燃烧废气，这将显著有利于氧化球团的焙烧工艺条件。这意味着本发明的竖炉即便采用低热值燃料也能得到较高温度的焙烧风气体，还可保证焙烧风气体有较高的含氧量，这一点在传统竖炉采用低热值高炉煤气作为燃料时是较难做到的。

由于内置中心燃烧室为一基本独立的耐火砌体，设计考虑了高温工况和在较高温度下的结构特点，内置中心燃烧室可工作在1400℃的高温下，这一优势为本发明的竖炉今后应用高比例赤铁矿生产球团矿奠定了基本的工艺条件。

4.由于本发明的竖炉在内部工艺结构中取消了以往竖炉必不可少的导风墙大水梁结构方式，不但明显降低了竖炉本体冷却水的主要消耗，也明显减少了炉内的热量损失，提高了竖炉的热能利用效率。

5.本发明的竖炉，由于其高效的热能回收方式，排出的成品球团温度已经很低，可以完全取消外部投资较高的成品球团矿冷却系统(如带式冷却机等)，进一步明显降低竖炉球团生产系统的工程投资。

(四)明显优越的工艺操作性能

本发明的竖炉由于其独特的工艺结构设计，对其在生产中的工艺操作便利性能和工艺控制效果将较以前传统竖炉要优越得多，主要反映在：

1.生球烘干床面下的干燥气体由于有了本发明的竖炉特有的高温导风量调节阀和混掺冷风量后的综合控制，生球烘干效果和速度都较以前传统竖炉好得多，给竖炉的顺行操作提供了主要的有利因素。

2.燃烧室大墙内外的风量比例由于内置中心燃烧室在炉内对风压的短路作用，只要在结构设计中计算选择合适的燃烧室进风口至出风口之间的墙外料柱高度。而且由于本发明的竖炉炉内优良的焙烧氧化性气氛和温度控制手段，工艺均热带高度在本发明的竖炉中可仅主要起调节墙外风量比例的作用。

3.由于燃烧室空间体积大大缩小，补充升温燃烧量又很少，因此焙烧温度的控制和反映速度都较传统竖炉迅速和灵敏，给精确控制竖炉内的焙烧温度和气氛条件提供了很好条件。

4.竖炉的外部冷却风量调节主要取决于排出成品球团矿的温度和竖炉实时产量，而焙烧风温度主要由控制补充燃烧强度决定。烘干床干燥风温度和流速由控制高温导风量和冷风混掺量决定，各工艺控制目标和手段都简单明了，几乎是单因素的独立调节，使竖炉的操作变得极为方便容易。

(五)对其它竖炉类焙烧工艺具有广泛的适应性

本发明的竖炉特有的内置中心燃烧室结构，具有投资小、热能回收效率高、控制手段灵活高效的特点，给类似于生产酸性氧化球团铁矿的其它竖炉法焙烧工艺提供了很好的借鉴参考范例，其技术方案的广泛适应性在于其能够很容易地实施于绝大多数的其它种类工业竖炉中，因此可以认为本发明的竖炉已不是一个酸性氧化球团矿生产设备概念，而可以广义地把它认同为适合各类工业竖炉上应用的技术方案。

高海拔地区的矿山或选矿厂往往由于冰冻期铁精粉冻结问题而使生产一筹莫展，本发明的竖炉的高效热能回收方式和简洁合理的燃烧系统特点，使得在较高海拔地区利用竖炉法生产酸性氧化球团并获得较高的产量同样成为可能，这主要是得益于本发明的竖炉在高海拔地区仍能获得较高含氧量的焙烧气氛和较高焙烧气体温度的因素，这一特点将为国内外许多高海拔地区的铁矿山自行生产酸性氧化球团矿带来福音。

另外，本发明的竖炉采用的燃烧器设计时考虑到环保因素，采用了成熟的高温低氧燃烧技术(HTAC)烧咀设计，因此燃烧过程有效抑制了NO_X的生成，加上本发明竖炉本身燃料消耗要较传统竖炉少很多，因此环保效果也明显优于传统竖炉和其它类竖炉。

综上所述，本发明的全自立内燃式球团竖炉已经基本解决了传统竖炉在大型化发展中所遇到的关键障碍(如导风墙大水梁结构尺寸的限制、齿辊排料机由于炉体热变形而引起的结构设计问题等)，在竖炉大型化发展道路上迈出了关键的一步，年产量大于100万吨的酸性氧化球团竖炉通过本发明将可变为现实。

附图说明  图1是本发明的竖炉炉内气体流程示意图；

          图2是本发明的内燃式球团竖炉内部结构的侧面示意图；

          图3是本发明的内燃式球团竖炉内部结构的正面示意图；

图4是本发明的内燃式球团竖炉内部风道示意图。

具体实施方式  为便于理解本发明，下面结合附图及实施案例对本发明作进一步的详细描述：

请参见图1，所示是本发明的竖炉炉内气体流程示意图。本发明的竖炉实现了冷却风、干燥风、助燃风、焙烧风“四风合一”的热能回收系统，从竖炉下部进风口冷却风Q1进风开始，经过对高温成品球团(温度达1150℃)的冷却，与高温成品球团进行热交换，使成品球团的排出温度下降至150℃以下，而冷却风Q1在上升过程中温度逐步升高，成为1000℃左右的高温热风，将其中一部份作为助燃风Q2引入竖炉燃烧室内，加入燃料Qb燃烧加热，将Q2温度升至1150℃～1350℃，成为球团预热、焙烧风Q2’，另一部份过剩的高温气体Q3则经由燃烧室与竖炉墙体间的导风通道进入竖炉烘干床，Q3的流量由导风通道中的导风量调节阀进行调节，焙烧风Q2’对烘干后的生球焙烧产生的废气Q4汇入竖炉烘干床内，对烘干床上的球团进行烘干。通过在烘干床下方的补冷管道补充适量的冷空气Qc，以平衡烘干床下混合气体2Q3+2Q4的温度，并将其控制在400℃～550℃范围。所有气体汇集通过烘干床后形成的含尘废气Q5经除尘设备净化处理后排入大气中。

图2至图4是根据本发明的竖炉炉内热能控制方法理论设计的内燃式球团竖炉实施例结构以及内部风道示意图。

请参见图2、图3，所示分别是本发明的竖炉形状为矩形时的侧面及正面结构示意，竖炉的燃烧室6位于竖炉内部水平方向的中心位置，并直接砌筑在竖炉的钢结构支撑架17上，成为内置中心燃烧室。燃气管道9将气体燃料引入燃烧室6，在燃烧室6两个相对的侧面15与竖炉墙体16间各有一条导风通道7，用于干燥风的导入，每条导风通道7中各设有一个耐高温的导风量调节阀8，补冷管道4位于燃烧室6的顶部和烘干床3下方所形成的空间内，外界冷风通过该补冷管道4通入燃烧室6顶部与烘干床3下方的空间中。补冷管道4的上方是烘干床3，经造球机造好的生球由布料设备2加入炉内，在烘干床3上完成烘干、升温并沿导料床5进入竖炉预热焙烧段14，由燃烧室6燃烧产生的高温气体进入竖炉对炉内球团矿进行预热、焙烧、氧化，经过焙烧、氧化后并下行的成品球团矿通过布置在冷风管道10进风口稍稍上方的齿辊排料设备11进行排料、松料后，经由出料系统12排出竖炉。竖炉的最上部设有烟罩1，烟罩1的出口接至除尘净化设备。

再请参见图4，所示是本发明的竖炉内部示意图。从竖炉下部进风口18冷却风Q1进风开始，经过对高温成品球团(温度达～1150℃)的冷却，与高温成品球团进行热交换，使成品球团的排出温度下降至150℃以下，而冷却风Q1在上升过程中温度逐步升高，成为1000℃左右的高温热风，将其中一部份作为助燃风Q2引入竖炉燃烧室6内，加入燃料Qb燃烧加热，将Q2温度升至1150℃～1350℃，成为球团预热、焙烧风Q2’，另一部份过剩的高温气体Q3则经由燃烧室6两个相对的侧面与竖炉墙体16间的导风通道7进入竖炉烘干床3，Q3的流量由导风通道7中的导风量调节阀8进行调节，焙烧风Q2’对烘干后的生球焙烧后上行的废气Q4汇入竖炉烘干床3内，对烘干床3上的球团进行烘干。通过在烘干床3下方的补冷管道4补充适量的冷空气Qc，以平衡烘干床3下混合气体2Q3+2Q4的温度，并将其控制在400℃～550℃范围。所有气体汇集通过烘干床3后形成的含尘废气Q5经除尘设备净化处理后排入大气中。

根据竖炉热炉的热平衡计算及物化反应理论，须对竖炉内部各通道内的气流进行检测和有效的控制，以满足竖炉氧化球团生产工艺的要求。为使计算过程明晰，忽略一些次要因素，其主要计算步骤可表示如下：

(1)根据竖炉入炉干基生球的流量Qp(kg/h)和成品球出球的温度要求，通过下列公式即可计算得到所需冷却空气Q1的流量：

            Q1×ΔTair×Cair＝Qp×ΔTp_c×Cp

其中：ΔTair-空气换热前后的温度差[K]

      ΔTp_c-球团冷却前后的温度差[K]

      Cair-空气平均热容[kJ/(kg.K)]

      Cp-球团平均热容[kJ/(kg.K)]

因此：

Q1＝Qb×ΔTp_c×Cp/(ΔTair×Cair)(kg/h)

(2)Q1进入竖炉燃烧室6下部后，将分为两部分，一部分2×Q3通过旁路导风通道7直接进入烘干床3下部，另一部分作为助燃风Q2进入燃烧室6中上部，经燃料Qb燃烧加热后生成高温的焙烧、预热气体Q2’。

在上述过程中，Q2’的值是根据球团通过焙烧段14时所需的物理当量热量Gb和磁铁矿氧化反应热G0计算得到。具体计算如下：

                 Gb＝ΔT′p×Cp×Qp

其中：Gb-球团通过焙烧段所需吸收的物理当量热量[kg/h]

      ΔT′p-球团通过焙烧段温度差[K]

      Cp-球团平均热容[kJ/(kg.K)]

      Qp-通过焙烧段的球团流量[kg/h]

球团在焙烧氧化时的氧化反应放热量：

          G0＝Q_氧化(n_Feo/0.31)(TFe/0.724)

      G0-球团内氧化亚铁氧化反应放热[kJ/h]

      Q_氧化-磁铁矿(Fe₃O₄)氧化放热[0.644×10³kJ/kg]

      n_Feo-铁精矿中Feo的百分含量

      TFe-铁精矿中全铁的百分含量

在预热焙烧段14内不足部分的热量Gg应由Q2’予以补充(因球团中Feo的耗氧量引起的气体失重很小，故气体重量减少可不计算)

                  Gg＝Gb-G0

因             Gg＝Q2’×ΔTg×Cg

            Q2’＝Gg/(ΔTg×Cg)(kg/h)

其中：ΔTg-焙烧气体的降温[K]

      Cg-焙烧气体的平均热容[kJ/(kg.K)]

因此，根据燃料的热值Hb、焙烧气体的目标温度T2’即可求出燃料需求量Qb和助燃气体需求量Q2

                 Q2’＝Q2+Qb

     Qb×Hb＝Q2’×ΔT2’×C2’-Q2×ΔT2×C2

其中：ΔT2’-燃烧产物的温差(T2’-20)[K](Q2’的温度)

      C2’-燃烧产物的平均热容[kJ/(kg.K)]

      ΔT2-高温助燃风的温差(T2-20)[K]

      C2-高温助燃风的平均热容[kJ/(kg.K)]

因此对于不同的燃料，助燃风的需求量Q2是各不相同的。在得到了Q2目标要求的基础上，我们就能够通过对导风通道7中旁通风Q3的调节来间接的控制助燃风Q2：

                  Q2＝Q1-2×Q3

                  Q3＝α(ΔP/K)^1/2

其中：α-与导风通道7的面积、气体温度有关的系数

      K-导风通道7总阻力系数

      ΔP-导风通道7的前后压力差

(3)由竖炉从竖炉下部进入的所有气体最终都汇集在烘干床3下部，应该要注意到Q3是从竖炉燃烧室6下部直接进入烘干床3，其温度很高(约为900℃～1000℃)，对生球烘干有很大的影响。为了减少生球在高温气体中的爆裂，故应该在烘干床3下方混入冷却风Qc进行冷却，将温度控制400℃～550℃的状态(Q4的温度与其目标温度接近，不参与计算)。

      Qc＝2×Q3×ΔT3×C3/(ΔTc×Cc)(kg/h)

其中：ΔT3-导风通道7中旁通气体进入烘干床3后的降温[K]

      C3-导风通道7中旁通气体的热容[kJ/(kg.K)]

      ΔTc-混掺冷风温升[K]

      Cc-混掺冷风的热容[kJ/(kg.K)]

Claims (12)

1.一种竖炉炉内热能控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)根据竖炉的球团矿产量和换热平衡条件的要求，控制进入竖炉下部进风口(18)的冷却风Q1的流量，对炉内的高温热球进行冷却，使竖炉排出的成品球的温度低于冷却目标值；

(2)汇集对炉内高温热球冷却换热得到的高温气体，将其中一部份作为助燃风Q2引入竖炉燃烧室(6)内，加入燃料Qb燃烧加热，将Q2温度升至1150℃～1350℃，成为球团预热、焙烧风，用Q2’表示；另一部份过剩的高温气体Q3则经由燃烧室(6)两个相对的侧面与竖炉墙体(16)间的导风通道(7)进入竖炉烘干床(3)，Q3的流量由导风通道(7)中的导风量调节阀(8)进行调节；

(3)上述步骤(2)中的焙烧风Q2’对烘干后的生球焙烧后的废气Q4上行汇入竖炉烘干床(3)内，对烘干床(3)上的球团进行烘干；

(4)在烘干床(3)下方通过冷风混掺装置补充适量的冷空气Qc，平衡烘干床(3)下混合气体2Q3+2Q4的温度，使之控制在400℃～550℃范围内；

(5)上述所有气体汇集通过烘干床(3)后形成的含尘废气Q5经除尘净化处理后排入大气中。

2.根据权利要求1所述的竖炉炉内热能控制方法，其特征在于：所述的换热平衡条件的要求是指：(1)炉内成品热球达到冷却目标值时与空气的换热平衡；(2)生球预热、焙烧的换热平衡；(3)生球干燥的换热平衡。

3.根据权利要求1所述的竖炉炉内热能控制方法，其特征在于：所述的冷却目标值是指出炉的成品热球温度低于150℃。

4.根据权利要求1所述的竖炉炉内热能控制方法，其特征在于：所述的含尘废气Q5的温度被控制在120℃～150℃范围内。

5.根据权利要求1所述的竖炉炉内热能控制方法，其特征在于：所述的助燃风Q2的流量应与生产工艺所要求通过焙烧段(14)的气体量相符，即：

                    Q2＝Q1-2×Q3

6.根据权利要求1所述的竖炉炉内热能控制方法，其特征在于：所述的竖炉燃烧室(6)内燃料Qb的添加量是根据燃烧室(6)上部焙烧段(14)的预热、焙烧气体Q2’的温度T2’的要求确定的。

7.根据权利要求1所述的竖炉炉内热能控制方法，其特征在于：所述的烘干床(3)下方的冷风Qc的补充量是根据烘干床(3)下的混合气体2Q3+2Q4温度及其流量确定的。

8.实现权利要求1所述竖炉炉内热能控制方法的内燃式球团竖炉，包括烟罩(1)、布料设备(2)、烘干床(3)、燃烧室(6)、冷风管道(10)、齿辊排料设备(11)、出料系统(12)等，其特征在于：所述的燃烧室(6)被设置在竖炉内部中心位置，在燃烧室(6)与竖炉墙体(16)间设有导风通道(7)，导风通道(7)中设置有导风量调节阀(8)，烘干床(3)下方空间还设有冷风混掺装置。

9.根据权利要求8所述的内燃式球团竖炉，其特征在于：所述的燃烧室(6)位于竖炉内部水平方向的中心位置且直接座落在竖炉炉体下部的竖炉支撑架(17)上。

10.根据权利要求8所述的内燃式球团竖炉，其特征在于：所述的导风通道(7)位于燃烧室(6)两个相对的侧面(15)与竖炉墙体(16)之间。

11.根据权利要求8所述的内燃式球团竖炉。其特征在于：所述的冷风混掺装置是补冷管道(4)，该补冷管道(4)被设置在燃烧室(6)顶部与烘干床(3)之间所形成的空间内。

12.根据权利要求8所述的内燃式球团竖炉，其特征在于：所述的导风量调节阀(8)是耐高温调节阀。

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