海绵铁隧道窑热工分析和节能途径

海绵铁隧道窑热工分析和节能途径李育林（中冶南方(武汉)威仕工业炉有限公司，武汉430223）摘要：介绍了海绵铁隧道窑的热工过程特性，分析了热工过程的热平衡项组成及主要漏损热，并以实例进行了热平衡计算与热源、热损分析，提出了海绵铁隧道窑的主要节能途径。关键词：海绵铁隧道窑；热工过程；热平衡；节能ThermalanalysisofDRITunnelKilnandenergy-savingwaysLIYu-lin（WISDRI(Wuhan)WISIndustrialFurnaceCo.,Ltd,Wuhan430223,China）Abstract:IntroducedthecharacteristicsofthermalprocessofDRIintunnelkiln,analysisofthethermalprocessofheatbalancecomponentsandmainleakageofheat,andanalyzingtheheatbalancecalculationandheatsource,theheatloss,andputsforwardsomewaysofmajorenergy-savingDRIintunnelkiln.Keywords:DRItunnelkiln;thermalprocess;thermalbalance;energyconservation隧道窑作为还原海绵铁的大型主体设备，其能耗成本占相关行业成本的大部分，对产品的成本具有决定性作用。正确地分析隧道窑的热工状况、探讨节能方法，对粉末冶金行业以及目前蓬勃发展的炼钢海绵铁行业的节能增效具有重要意义，同时也对海绵铁隧道窑的设计计算具有指导意义。1海绵铁隧道窑独特的热工过程一般的热工炉窑热工过程较为简单，纯粹是将物料加热和冷却，例如生产耐材和陶瓷的隧道窑。还原海绵铁用隧道窑却独具特性，其独特性在于海绵铁隧道窑的生产是三个过程的统一：1、加热冷却过程；2、煤气发生过程；3、还原反应过程。这三个过程相互影响，构成了海绵铁隧道窑相对于耐火材料和陶瓷隧道窑复杂得多的热工过程。1.1海绵铁隧道窑的供热热源是多样的一般炉窑只有单一的供热源，而海绵铁隧道窑的供热源除了燃料燃烧供热外，还有还原反应热以及还原剂氧化燃烧产生的热量。窑车上罐内装有氧化铁和固体碳还原剂，还原剂一般为煤粉或焦末，固体碳实际装入量要高于还原理论需要量[1]。在高温时罐外O2或者CO2渗入还原剂层，将碳气化为CO，同时向氧化铁层及罐外扩散。扩散到氧化铁层的CO进行还原反应，扩散到罐外的CO立即被燃烧掉。理论计算表明，还原100㎏品位为72%的氧化铁需要10.5㎏纯碳。但是，为了产生足够的CO和保护还原后的铁，还原剂实际装入量是还原理论需要量的4~6倍。加热完成后，还原剂大概消耗了装入量的40~60%，大部分的还原剂主要是被燃烧掉了。1.2氧化铁还原成海绵铁需要吸收热量氧化铁的还原是一个吸热反应。反应分两步进行，对于磁铁矿来说，其主要反应式如下：C＋CO2＝2COFe3O4＋4CO＝3Fe＋4CO2将其合并，得：2C＋Fe3O4＝3Fe＋2CO2，这是一个吸热反应，△H=－295839kJ。对于赤铁矿来说，反应式可以写为：3C＋2Fe2O3＝4Fe＋3CO2，△H=－422323kJ。可见，参与反应的C释放出的能量外加吸收的热量，全部转化为Fe的化学能，在进行海绵铁隧道窑热工分析时，必须考虑这些能量的转化。2海绵铁隧道窑热平衡的计算2.1热平衡项的组成对热工设备进行热平衡分析，是从系统整体角度来进行的，不必考虑过程，只需考虑初始条件和最终结果。此处只讨论以燃料燃烧进行加热的炉窑热工。对于用于生产耐材和陶瓷的隧道窑，其热平衡组成是：1）热供给——燃料燃烧热；2）热支出——包括烟气余热、物料蓄热、炉墙散热、漏损热。对于生产还原海绵铁用隧道窑，其热平衡组成比以上复杂：1）热供给——燃料燃烧热、还原剂燃烧热；2）热支出——烟气余热、物料蓄热、炉墙散热、海绵铁化学能、漏损热。下面分项进行论述：（1）燃料燃烧热：供给的煤气、煤或者油燃烧产生的热量。（2）还原剂燃烧热：不管还原剂在加热过程中的能量转化有多么复杂，也不管有多少还原剂用于还原，又有多少是被燃烧掉，总之最终的产物都是CO2，这是一个放热过程。对于整个隧道窑系统来说，C转化为CO2就释放了热量，其热量值按C的完全燃烧进行计算。（3）烟气余热：燃烧后的烟气经过了预热段后，将一部分热量传给窑车，自身温度降低，进入烟道时仍然有较高的温度，其所含热量就是烟气余热。烟气的来源有三部分：1）是燃料燃烧产物；2）是还原剂还原和燃烧产物；3）是炉窑吸入的冷风。烟气余热可以通过测量烟气温度和流量后计算出来。烟气量越少或烟气温度越低，余热就越少。（4）物料蓄热：窑车出高温段进入冷却段时，海绵铁、剩余还原剂、罐体和耐材都处于高温状态，积蓄着热量，这些热量在冷却段被散失掉。理论上，我们不需要这些热量，实际上只能要求物料蓄热越少越好。物料蓄热就是海绵铁、罐体和窑车吸热的总和，可以通过计算得到。（5）炉墙散热：通过炉墙内壁传导到炉墙外壁，最终通过空气自然对流散失掉的热量。可以通过测量炉墙外表温度，利用热工公式直接计算出来。（6）海绵铁化学能：氧化铁被还原成金属海绵铁，吸收的热量可以通过海绵铁的产量进行计算。在计算时，将其看作是铁氧反应的逆过程，对于Fe2O3来说，每还原形成1㎏纯海绵铁，需要吸收能量7362kJ,相当于0.252kg标准煤；对于Fe3O4则需要6628kJ/㎏纯海绵铁[2]，相当于0.226kg标准煤。海绵铁化学热是DRI隧道窑的唯一有效热。（7）漏损热：隧道窑因为尺度很长，窑内压力分布不均衡，前负后正，容易引起前段吸入冷风，后段热气外窜，这两者都会造成不容忽视的热量损失。漏损有三处：炉墙孔缝炉气漏损、车底炉气漏损、车底传导热损；尤其是通过车底的炉气漏损为甚。窑车底部强制通风，沙封不严密，加之窑车之间缝隙量多，上下窜气通道很大，在压力平衡制度和窑车密封不佳的情况下，将引起隧道窑炉况的严重恶化。结果是：热气下漏引起车底温度过高，威胁到窑车运行的安全，冷风上窜增加烟气量，影响炉压而且烟气余热增大。一般为保证安全，车底压力维持在略高于炉膛压力，所以漏损以车底吸冷风为主。但是漏损热是无法检测的，唯有通过热平衡方程式计算得到。2.2热平衡计算海绵铁隧道窑的热平衡方程式如下：燃料燃烧热＋还原剂燃烧热＝烟气余热＋物料蓄热＋炉墙散热＋海绵铁化学能＋漏损热等式两边除了漏损热之外，其它各项都可以通过测量参数计算得到，漏损热只有通过热平衡公式间接计算得到。通过计算可以得出各项热量所占比例，找到节能的关键所在。2.3表征漏损热和实际漏损热但是从热平衡方程式计算得到的漏损热只是一个表面值，并不是真正的全部漏损。实际上，从车底和孔缝泄漏进入高温段炉膛的冷空气被加热到工艺温度而成为烟气的一部分，然后随着烟气流动进入预热段，又将部分热量传给窑车。这部分热量随窑车前进返回高温段，剩下的热量就以烟气余热的形式排放掉了。也就是说烟气余热中有一部分是吸入冷空气造成的漏损热。所以，我们将通过热平衡方程式计算得到的漏损热称为表征漏损热；表征漏损热加上烟气余热中吸入冷空气包含的那部分热量称为实际漏损热。3验证按上述原理对某公司154米海绵铁隧道窑进行了热工分析和热平衡计算。生产工艺为：炉温1150℃，单车产量1.52吨海绵铁，推车速度14台/天，窑底温度150℃，助燃空气温度50℃。通过检测和计算得到隧道窑热收入项如表1，热支出项如表2表1154米海绵铁隧道窑热收入项煤气燃烧热还原剂燃烧热总计热量值（GJ/h）12.8111.4824.29百分比（%）52.7447.26100表2154米海绵铁隧道窑热支出项化学热物料蓄热炉墙散热烟气余热漏损热总计热量值（GJ/h）5.125.581.15.327.1724.29百分比（%）21.0822.974.5321.929.52100可见，物料蓄热和漏损热比例过大，造成隧道窑热效率低下。据此，进行了一系列针对性的技术改造，主要集中在三个方面：1）在隧道窑冷却段安装金属管换热器，将助燃风预热到250~300℃，回收部分物料蓄热。2）改造窑车。使窑车间的缝隙减小，并加贴耐火纤维来改善车底密封性能。3）改造窑底压力平衡系统，优化窑膛和窑底压力分布，减少漏损。改造后生产工艺为：炉温1150℃，单车产量1.52吨海绵铁，推车速度16台/天，窑底温度80℃，助燃空气温度350℃。改造后的热收入项见表3，热支出项见表4。表3154米海绵铁隧道窑改造后的热收入煤气燃烧热还原剂燃烧热总计热量值（GJ/h）8.2912.3620.65百分比（%）40.1559.85100表4154米海绵铁隧道窑改造后的热支出化学热物料蓄热炉墙散热烟气余热漏损热总计热量值（GJ/h）5.894.661.14.454.5520.65百分比（%）28.5222.575.3321.5522.03100改造后取得了明显的节能效果，并且改善了炉况，产能也扩大了15%；4节能途径4.1海绵铁隧道窑的热工特性1）还原剂燃烧热不仅不可忽视，而且是海绵铁隧道窑的主要热源之一。2）海绵铁化学能占热量总支出的比例很大，而且是海绵铁隧道窑唯一的有效热。理论需要量是：对于Fe2O3来说是7.362GJ/吨海绵铁，相当于252kg标准煤;对于Fe3O4来说是6.628GJ/吨海绵铁，相当于226kg标准煤。这是海绵铁隧道窑产品单位能耗的理论极限值，是节能的终极目标。3）海绵铁隧道窑表征漏损热比较小，实际漏损热比较大，尤其是窑车底部，是设计和生产需要注意的重点。4.2节能的途径1）尽可能多的利用还原剂的供热，减少煤气的用量。还原剂一般是煤、焦末等，价格便宜，而煤气是通过煤和焦炭转化而来，价格较贵。一种方法是通过选用气化活性强的还原剂并改善罐体的透气性，可以增加还原剂的燃烧率，减少煤气的用量，从而达到降低能耗成本的目的。另一种方法是尽量采用宽窑体，使还原剂燃烧热比例增大，既增加产量又节约能耗成本。2）剩余还原剂二次利用。剩余还原剂含炭量在50~60%，一般厂家将剩余还原剂当废渣处理或低价卖出，这是很大一笔浪费。二次利用的途径有两条：一是添加高碳量还原剂，重复使用。二是进入煤气发生炉转化成煤气，由于不含焦油，还能免去除焦的烦恼。3）做好车底密封，优化窑车上下压力平衡制度，减少热量漏损。在这方面采取措施成本不高，效益却很大。4）回收物料蓄热。最有效的方法是预热助燃空气，将热量直接返回窑内，具有路程短、沿途热损失小的优点。5）合理设计预热段长度，或采用强制手段，使窑车充分吸收烟气余热。参考文献[1]张华诚．粉末冶金实用工艺学[M]．北京：冶金工业出版社，2004．[2]王秉铨．工业炉设计手册[M]．2版．北京：机械工业出版社，2004．作者简介：李育林（1969—），男，工程师，主要从事冶金炉窑的设计和运行管理邮政编码：430205地址：湖北省武汉市东湖新技术开发区凤凰园一路中冶南方（武汉）威仕工业炉有限公司电话：[phone]