摘要：为了提高烧结机利用系数，必须对烧结混合料进行制粒，制粒需要向混合料加水。日本新日铁住金公司通过烧结杯试验发现，采用高水分制粒后对颗粒进行干燥处理，能够提高烧结机利用系数。获得的主要结论如下：1）采用高水分制粒结合干燥处理工艺，能够缩短烧结料层湿润带水分蒸发时间，从而有效提高烧结火焰前锋速度；2）采用高水分制粒结合干燥处理工艺，由于烧结混合料的水分减小，提高了焦粉的燃烧效率，使烧结料层中产生的热量增加，从而可提高烧结矿成品率；3）当采用高水分制粒结合干燥处理工艺时，需要设定临界水分，以避免制粒后在干燥状态下发生塌料。
0引言
烧结机利用系数与烧结料层的透气性密切相关。烧结原料经制粒后称为准颗粒，通过增大准颗粒的粒度，可提高烧结料层的透气性。准颗粒由粒核及其外裹细粉涂层构成，使用圆筒混合机作制粒机，通过机械方法制成。准颗粒粒度与原料颗粒的特性和混合条件密切相关。原料颗粒的特性指的是粒度分布、黏结力、颗粒表面性质和颗粒形状等；混合条件指的是混合机技术参数，比如混合时间、混合机转速、颗粒在混合机内的滚动长度及水分和生石灰用量。首先，基于原料特性开发出预制粒工艺，替代在线制粒方案，以提高烧结矿质量和烧结机利用系数。预制粒工艺拥有两条以上制粒路线，经制粒后装入烧结机。该工艺已应用于日本多家烧结厂。其次，新日铁住金公司开发出控制料层结构的技术，称为提高料层透气性的MEBIOS（嵌入式铁矿烧结）技术。在该方法中，使用圆盘造球机制成大的准颗粒（粒度5-15mm），起到增大烧结料层孔隙比的作用。当采用该工艺时，必须事先对混合机的技术参数进行检测，以确定基本的机械参数，比如混合机倾度和转速。利用水和生石灰作制粒黏结剂，将干燥返矿加入到原料中，并使用阴离子聚合物分散剂（APD）。
1 试验
1.1烧结杯试验
本文将制粒后、干燥前的水分和干燥后的水分分别称为“制粒后水分”和“装料水分”。还对制粒后和装料时的准颗粒粒度进行测量，测量方法采用机械筛分法。烧结杯呈圆柱形，直径300mm、高500mm，放置于同样直径的风箱上。热电偶安装在烧结杯横截面的中央位置、距烧结杯顶沿240mm 和430mm 处。另一个热电偶安装在风箱内部。在风箱内部负压-5.2kPa 条件下，使用LPG 烧嘴对烧结料层表面进行时长1min 烧结。点火后，在风箱内部负压-10.3kPa 条件下，对烧结料层进行烧结。使用风道阀门上的开闭杆，将风箱内部负压控制在恒定值。使用安装于风箱内中央部位的热电偶测量废气温度，把烧结时长定义为从开始点火至达到最高温度所需时间。在烧结期间，经除尘后对废气取样并分析成分（CO、CO2 和O2）。采用红外线吸收光谱法分析CO 和CO2，使用便携式分析仪采用磁力方法分析O2。此处，使用安装于风道处的孔板流量计连续测定表观速度。从烧结杯排放的烧结饼经过称重之后，由2m 高度下落4 次，然后使用筛孔孔径尺寸为5mm的筛网进行筛分。假设在下落阶段铺底料没有出现塌料，那么烧结矿成品产量的计算方法是粒度大于 5mm 的烧结矿重量减去装入烧结杯的铺底料重量。烧结矿成品率的计算方法是烧结矿成品重量除以烧结饼重量。烧结机利用系数的计算方法是烧结矿成品重量除以烧结时间与烧结杯底表面积之积。火焰前锋速度（FFS）的计算方法是烧结料层厚度除以从开始点火至废气温度开始升高所需的时间。值得注意的是，根据烧结料层中干燥带到达底部位置的理论，把废气温度开始升高所需时间定义为达到100℃所需时间。
1.2 焦粉燃烧效率的评价
依据废气量及其成分（CO、CO2、O2），评价焦粉燃烧效率。根据四种成分计算气体平衡，忽略H2O 和SOx、NOx的痕量组分。入口气体由21vol%O2 和79vol%N2 组成。出口气体中N2 含量为100vol%减去CO、CO2、O2三者含量之和，然后由N2 平衡确定入口和出口气体量占比。出口气体量大于入口气体量，其差别相当于由石灰石产生的CO2 气体量和CO 气体量的一半，前者是由固体碳酸盐分解的气体产生的、无O2 消耗；后者是消耗1 摩尔O2 产生2 摩尔CO。并测定CO 气体量和碳酸盐分解产生的CO2 气体量。然后测定焦粉燃烧产生的CO2 气体量，用总CO2 气体量减去碳酸盐分解产生的气体量。此外，根据CO 和CO2 气体量、焦粉配入量及其固定碳含量，确定烧结后焦粉中未燃碳量。在本次试验中，连续测定废气成分，确定焦粉的燃烧状态（完全燃烧，C+O2→CO2；不完全燃烧：C+1/2O2→CO；未燃焦粉）。每种燃烧的热值如下：完全燃烧：C+O2=CO2408kJ/mol不完全燃烧：C+1/2O2=CO 125kJ/mol本文对焦粉燃烧状态的研究结果如下：1）焦粉燃烧效率：实际热值与可获得的最大热值之比，此处所有碳燃烧均为完全燃烧；2）考虑焦粉燃烧效率，给出焦粉燃烧产生的热量。除了焦粉燃烧之外，根据水分蒸发和碳酸盐分解计算热量平衡。
2 试验结果
2.1 透气性和火焰前锋速度
1）装料水分对粒度小于0.25mm 准颗粒占比的影响。在无干燥情况下，粒度小于0.25mm 准颗粒占比随装料水分的增大而降低。在制粒后水分不变情况下，经干燥处理后，粒度小于0.25mm 准颗粒占比提高；但在高水分制粒情况下，粒度小于0.25mm 准颗粒占比提高的幅度很小。此外，即使装料水分相同，在高水分（7.9%）制粒和干燥情况下的粒度小于0.25mm 准颗粒占比也比低水分（6.5%）制粒低。但是，在低水分（6.5%）制粒和干燥情况下，粒度小于0.25mm 准颗粒占比处于低水分（6.5%）制粒和更低水分（5.5%）制粒两个数据的连接线上。因此，制粒后干燥处理对降低粒度小于0.25mm 准颗粒占比的影响仅出现在高水分制粒情况下。
2）干燥处理对烧结料层透气性的影响。在无干燥情况下，烧结料层透气性随装料水分的增大而得到提高。在制粒后水分不变情况下，经干燥处理后、在低水分（6.5%）制粒情况下，料层透气性下降，但在高水分制粒情况下，会有一些轻微改变。此外，即使装料水分相同，在高水分（7.9%）制粒和干燥情况下的料层透气性也比低水分（6.5%）制粒好。
3）水分和细粉量对烧结料层透气性的影响。研究表明，烧结料层透气性取决于粒度小于0.25mm 准颗粒占比，与干燥处理无关。
4）烧结料层透气性对火焰前锋速度（FFS）的影响。研究显示，FFS 随料层透气性的改善而得到提高。尤其是高水分（7.9%）制粒后，进行干燥处理对提高FFS 效果明显，而对透气性没有影响。
5）在高水分（7.9%）制粒情况下，干燥处理对FFS 的提高效果。依据距烧结料层表面240mm 和430mm 处测量得到的烧结料层温度，计算上层、下层和整个料层（0-240mm、240-430mm、0-430mm）FFS。结果显示，由于水分减小，因此干燥处理对提高FFS 起到了促进作用。
6）干燥处理对在高水分（7.9%）制粒情况下，有、无干燥处理时水分蒸发和焦粉燃烧时间的改善效果。研究结果显示，干燥处理可有效缩短水分蒸发和焦粉燃烧所需时间，与表观速度存在微小差别无关。
2.2 热量平衡和成品率
焦粉完全燃烧、不完全燃烧和未燃烧状况显示，在高水分（7.9%）制粒三种情况下，完全燃烧比高、未燃烧比低。研究认为，由于焦粉颗粒大多暴露于空气下且烧结料层中未制粒的细粉量较少，因此，高燃烧活性促使高效燃烧。尤其是，在高水分（7.9%）制粒后进行干燥情况下，未燃烧比为零。焦粉燃烧产生的热量和焦粉燃烧效率显示，在高水分（7.9%）制粒三种情况下，尤其是在高水分制粒后进行干燥情况下，焦粉燃烧产生的热量和焦粉燃烧效率很高，这一结果与焦粉燃烧状态相对应。水分蒸发需要消耗的热量与烧结混合料的水分相对应，由于碳酸盐配比不变，因此碳酸盐分解也保持不变。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆本文通过焦粉燃烧、水分蒸发评价发热量是非常有效的。由于焦粉燃烧产生的热量超过水分蒸发需要抵消的热耗，因此热量还有剩余。烧结矿成品率随焦粉燃烧和水分蒸发产生的总热量变化情况显示，在水分为7.9%和6.5%制粒后无干燥处理与在水分为7.9%制粒后有干燥处理两种情况下，FFS 分别为22-23mm/min 和24-25mm/min。对有干燥处理和无干燥处理这两种情况进行对比，虽然焦粉燃烧加上水分蒸发的发热量存在差别，但烧结矿成品率几乎相同，这是由于发热量增加的影响，抵消了FFS 提高的影响。换句话说，由于烧结料层中产生的热量和烧结速度都得到提高，因此，高水分制粒后进行干燥处理对烧结矿成品率没有影响。高水分制粒后进行干燥处理对烧结矿成品率的影响显示，由于高水分制粒后进行干燥处理，能够提高焦粉燃烧效率、减少水分蒸发，因此，能够起到增加烧结料层中发热量的作用。对FFS 和成品率的二维评价结果是，由高FFS 引起高水分（7.9%）制粒的三种情况获得的利用系数很高，尤其是在高水分（7.9%）制粒后，进行干燥处理将水分降至6.2%的情况，利用系数达到最高。
3 讨论
3.1 准颗粒结构
在高水分制粒情况下，采用干燥处理，粒度小于0.25mm 准颗粒占比降低。在液桥力的作用下，制粒使颗粒之间的距离缩短。同时，水分移动至准颗粒表面。在高水分制粒下，准颗粒表面没有充足水分，经干燥处理后，准颗粒结构不会垮塌。为了测量准颗粒表面的水量，将粒径3-5mm 的准颗粒置于离心作用下。将离心作用前、后准颗粒的重量差定义为准颗粒表面的水量。施加离心作用的转子直径、转速和时间分别设定为500mm、2300rpm 和40min。把试样放入8 个试样夹，每个试样夹放5g 试样。在测试中，研究了旋转时间与重量差之间的关系，发现了饱和值。重量差的饱和值意思是当水分达到一定量时，处于不能从准颗粒表面脱离的临界状态。在制粒后，水分为7.9%、6.5%和5.5%情况下，分别示出了重量差为2.9%、1.2%和0.3%的结果。在低水分制粒（6.5%）后经干燥处理水分降至5.3%，意思是准颗粒表面的水分全部随干燥处理而蒸发，这是因为受离心作用重量差为1.2%，等于采用干燥处理（6.5%→5.3%）的重量差。研究认为，采用干燥处理，准颗粒中组成颗粒之间的组合互相脱离。相反，在高水分制粒（7.9%）后经干燥处理，水分降至6.2%，意思是准颗粒表面的水分随干燥处理仍有残留，这是因为受离心作用重量差为2.9%，大于采用干燥处理（7.9%→6.2%）的重量差。研究认为，采用干燥处理准颗粒中组成颗粒之间的组合大部分保持不变。
3.2 从水分凝结角度研究干燥处理对料层透气性的影响
研究显示，高水分制粒后采用干燥处理，粒度小于0.25mm 准颗粒占比的提高幅度下降。即除了水分存在差别之外，准颗粒的粒度分布几乎相等。另外，降低水分及准颗粒粒度分布相同，可有效缩短烧结料层的干燥和燃烧时间。此处，通过使用插入到烧结料层中央处的热电偶，测量开始升温至温度达到最高所需时间，据此计算水分蒸发时间。烧结料层中水分蒸发的原理是，烧结料层由水分凝结带、干燥带、燃烧带和冷却带组成。水分凝结带的水分变化率取决于由干燥带输入及向废气输出。前者是下面三个因素的乘积。
◆ 干燥前锋速度；
◆ 烧结料层的堆密度；
◆ 水分凝结带处烧结混合料中水分。此处，干燥前锋速度对应于FFS。计算单元是边长为1cm 的正方形，与烧结料层垂直方向呈正交，凝结带水分的初始值是上料水分。后者是下面两个因素的乘积。
◆ 气体温度下饱和水蒸汽堆密度；
◆ 穿过烧结料层的表观速度。
依据前者与后者在数量上的差别，能够计算对应于水分凝结现象的水分变化。此外，由于水分凝结，使水分凝结带的温度升高。为了计算温度，必须做出如下假设：
1）FFS 和表观速度是试验值。
2）在水分凝结带处，固体和气体温度的初始值均为15℃。此外，温度仅受到水分凝结产生的热量影响。
4）依据假设3），水分凝结产生的热量供给烧结料层中固体，气流穿过料层。
5）水分凝结带的温度和水分总是保持不变。换句话说，沿料层垂直方向上温度和水分梯度为0。在这些情况中，装料水分分别为6.2%和7.9%。对于有和无干燥处理两种情况，在开始烧结后不久的某一时间段，从干燥带至水分凝结带的水量比从水分凝结带至废气的水量高，这表明水分凝结带的水量较高。此后，从水分凝结带至废气的水量快速增加。由于水分凝结，引起水分凝结带中温度升高，使饱和蒸汽压力增大。在水量快速增加期间，从干燥带至水分凝结带的水量略有增加，这意味着由于水分凝结带的水分增加，加快了水分凝结带的水分蒸发。最终，从干燥带至水分凝结带的水量变成与从水分凝结带至废气的水量相等。在这种条件下，不会出现水分凝结，干燥带蒸发水分全部穿过水分凝结带，并随烧结废气溢出。在达到等量状态后，在高水分（7.9%）制粒后、烧结混合料上料前、无和有干燥处理两种情况下，干燥带的水分蒸发量分别为0.42g/min 和0.37g/min在高水分（7.9%）制粒、有和无干燥处理情况下，水分凝结带的水分变化显示，当装料水分分别为 7.9%和6.2%时，水分等量状态的水分分别为9.8%和7.9%。从初始状态至等量状态的增加值分别为1.9%和1.7%。因此，在有干燥处理的情况下该值比较小。水分等量状态过后，制粒后进行干燥处理起到降低水分蒸发比的作用，此时的蒸发比为0.88（=0.37/0.42）。水分凝结带的水分也得到了减小，蒸发比为0.80（=7.9/9.8）。两个蒸发比都小于1，但最重要的结果是后者比前者小，比值为0.91（=0.80/0.88）。这起到了缩短水分蒸发时间的作用，从而使FFS 得到提高。水分蒸发时间的缩短，同烧结料层的透气性无关。虽然透气性相同，有干燥处理与无干燥处理的情况相比，缩短水分蒸发时间对FFS 的影响与FFS 较高的结果相吻合。详细地说，在高水分（7.9%）制粒情况下，进行干燥处理可有效地提高FFS，FFS 从23.5mm/min提高至25.0mm/min，提高了6%。如上所述，水分凝结带的蒸发比降至0.91。其倒数为1.10，物理意义是在烧结料层透气性相同的条件下，FFS 提高比率。该倒数意味着FFS 提高了10%，这几乎与试验值（6%）完全相符。在高水分制粒情况下，进行干燥处理可有效提高FFS 及改善烧结料层的透气性。
4 结论
本文研究了制粒后装入烧结机的混合料水分对火焰前锋速度（FFS）和成品率的影响，得出的结论如下。1）在高水分制粒情况下，制粒后进行干燥处理可有效提高FFS 及烧结矿成品率。2）FFS 提高与料层透气性的改善和料层的干燥速度的提高有关，而高水分制粒可提高料层透气性，进行干燥处理可以提高料层的干燥速度。3）FFS 提高不会造成烧结矿成品率下降。由于采用干燥处理，使水分蒸发量降低及焦粉燃烧效率提高，从而保持烧结矿成品率不变。4）采用干燥处理可抑制准颗粒发生垮塌。高水分制粒使准颗粒表面的水量增多，准颗粒几乎不发生垮塌。
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论文作者:孙高鹏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/7/22
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