СПОСОБ СУШКИ ОКАТЫШЕЙ В СЛОЕ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПОДОГРЕВОМ
METHOD OF PELLET DRYING IN LAYER WITH PREHEATING

Изобретение относится к подготовке окомкованного металлургического сырья, в частности к производству обожженных окатышей в слоевых агрегатах, таких как конвейерные обжиговые машины.
Известно, что указанный технологический процесс начинается с сушки влажных окатышей потоком горячего газообразного теплоносителя, в процессе которой в слое окатышей высотой более 150-200 мм и при температуре теплоносителя выше 100°С неизбежно возникает переувлажнение окатышей (повышение влажности сверх начальной) вследствие того, что газ во входной области слоя быстро обогащается водяными парами, которые затем конденсируются, встречаясь с более холодными окатышами в выходной области слоя. Переувлажнение окатышей сопровождается потерей их прочности и увеличением газодинамического сопротивления слоя. Особенно опасно достижение полного насыщения окатышей влагой, сопровождающегося образованием в слое свободной (пленочной или капельной) влаги вследствие продолжающегося процесса конденсации водяных паров. Современные обжиговые машины работают при высоте слоя сырых окатышей 300-400 мм, а зона сушки обычно состоит из двух последовательных секций с продувом (снизу вверх) и прососом (сверху вниз) теплоносителя, то есть с одним реверсом теплоносителя на границе секций. Такая схема зоны сушки обеспечивает отсутствие переувлажнения окатышей в нижней части слоя - наиболее опасной области слоя с точки зрения потери газопроницаемости при прососе теплоносителя. Недостаток этой схемы заключается в наличии зоны переувлажнения окатышей в верхней половине слоя на участке продува теплоносителя. При этом следует различать два вида переувлажнения окатышей в слое. Первый вид возникает в объеме слоя, точнее на верхнем его участке (размер его зависит от параметров теплоносителя, а величина переувлажнения возрастает по ходу газа). И второй вид - это переувлажнение приповерхностного слоя окатышей (на глубине 1-3 калибров) за счет выноса свободной влаги газом из слоя и образования так называемого дождя - многократная циркуляция капельной влаги в пространстве над поверхностью слоя. Продолжительность первого вида зависит от параметров теплоносителя и от диаметра окатышей. Продолжительность второго вида переувлажнения больше и это переувлажнение может существовать до конца участка с продувом теплоносителя. Возникает второй вид переувлажнения при наличии в слое области предельного переувлажнения окатышей, сопровождающегося образованием свободной влаги.
т
т
т
т
Известен метод уменьшения переувлажнения слоя агломерационной шихты путем предварительного (до зажигания топлива шихты) подогрева слоя подачей теплоносителя с пониженной температурой сверху вниз, то есть прососом, как и в последующих зонах агломашины. В работе [1] (стр.69-72) рекомендуется с увеличением крупности шихты повышать температуру теплоносителя (T, °С) в зоне предварительного нагрева и уменьшать время термообработки в этой зоне (τ, мин) так, чтобы произведение Т·τ находилось в диапазоне 820-950 при среднем диаметре частиц от 1 до 4 мм. Однако этот метод пригоден только для слоя с мелкозернистой шихтой и для схемы сушки только с прососом теплоносителя.
3
2
Наиболее близким аналогом является авторское свидетельство СССР №580238 1977 [2], относящееся к способу сушки окатышей на обжиговых конвейерных машинах, в котором с целью устранения переувлажнения окатышей и интенсификации процесса сушки в начале процесса верхний слой окатышей нагревают до точки росы путем подачи 0,2-0,4 м/м·с теплоносителя с температурой 250-400°С в течение 1,0-3,0 мин.
В указанном техническом решении рассматривается только схема сушки с двумя реверсами теплоносителя, когда камера предварительного подогрева (КПП) окатышей работает с прососом теплоносителя, а собственно зона сушки состоит из двух последовательных секций с продувом и прососом и не затрагивается схема сушки с одним реверсом, то есть существующая на современных обжиговых машинах схема с продувом (первая секция) и прососом (вторая секция), в которой параметры в первой секции должны быть оптимизированы так, чтобы она выполняла функцию предварительного подогрева и только предотвращала интенсивное переувлажнение во второй секции. Кроме того, проведенные авторами эксперименты показали, что полностью устранить переувлажнение окатышей в слое высотой 300-400 мм (условия работы современных обжиговых машин) и более таким способом невозможно - устраняется только «дождь» над слоем в секции с продувом теплоносителя и предельное переувлажнение.
Существенно интенсифицировать процесс сушки путем организации еще одного реверса теплоносителя также невозможно без изменения условий в основной зоне сушки, так как реверсирование само по себе замедляет процесс сушки слоя в целом. Достижение поставленной цели путем «нагрева верхнего слоя окатышей до точки росы» также сформулировано некорректно. При подаче горячего теплоносителя в слой сверху в первых рядах окатышей происходит интенсивное испарение влаги, и их температура повышается мало (до равновесного значения, зависящего от температуры и скорости фильтрации теплоносителя). Значительно сильнее повышается температура окатышей на более низких (средних) горизонтах за счет теплоты конденсации водяных паров. Прогрев нижних горизонтов слоя зависит от параметров теплоносителя. В целом происходит повышение средней температуры с максимумом в середине слоя.
Кроме того, известно, что при прососе повышение температуры теплоносителя до 350-400°С для окатышей диаметром более 14 мм приводит к резкому росту напряжений в сухой оболочке окатышей и потере их прочности [Сталь, №1, 2003, с.20-22] [3], то есть верхний предел температуры теплоносителя 400°С явно завышен.
Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение перечисленных недостатков и повышение эффективности процесса термообработки окатышей за счет их предварительной подготовки перед сушкой, позволяющей практически полностью избежать появления свободной влаги, количество которой при обычной схеме составляет около 2% от начальной влажности материала, за счет чего в конечном итоге исключается вынос свободной влаги наверх слоя и появление дождя над поверхностью - наиболее опасного для сохранения прочности окатышей явления.
Поставленная техническая задача решается за счет того, что в способе сушки окатышей в слое, включающем сушку в двух и более секциях зоны сушки с продувом снизу вверх и прососом сверху вниз газообразного теплоносителя, для ограничения образования и полного предотвращения выноса конденсата из слоя перед началом сушки осуществляют предварительный подогрев слоя окатышей в секции с направлением движения нагретого теплоносителя, противоположным имеющемуся в первой секции зоны сушки, независимо от направления движения теплоносителя в последующих секциях, при этом параметры теплоносителя в секции предварительного подогрева и ее длину устанавливают в зависимости от скорости ленты, высоты слоя, температуры загружаемых окатышей и влажности теплоносителя, обеспечивающими при изменении производительности машины постоянный удельный расход теплоты на единицу массы влажных окатышей (q), равный 12-17 кДж/кг.
Удельный расход теплоты изменяют в зависимости от высоты слоя, начальной температуры окатышей и влагосодержания теплоносителя с учетом характеристик сырых окатышей. В секции предварительного подогрева температуру теплоносителя ограничивают величиной 250°С, а скорость фильтрации поддерживают не ниже 0,3-0,4 м/с. Для сушки с одним реверсом осуществляют предварительный подогрев донной постели до температуры теплоносителя в первой секции с продувом (±50°С), а после реверса снижают температуру теплоносителя в течение 1-2 мин до уровня не выше 100°С. Получение теплоносителя для секции предварительного подогрева осуществляют в зависимости от тепловой схемы обжиговой машины с учетом баланса газопотоков.
т
Определенно известно, что процесс сушки (нагрева) окатышей в слое лимитируется удельным расходом теплоты теплоносителя на единицу массы окатышей q [кДж/кг], но параметров, используемых в способе [2] (скорость фильтрации W, температура теплоносителя Т и время обработки τ), недостаточно для однозначного определения удельного расхода теплоты q. Это видно из соотношения:
г
3
где с - теплоемкость теплоносителя, кДж/ (м·°С);
W - скорость фильтрации, м/с;
τ - время, мин;
нас
3
ρ - насыпная масса окатышей в слое, кг/м;
с
Н - высота слоя сырых окатышей, мм;
д - длина участка предварительного подогрева, м;
л
U - скорость движения конвейерной ленты, м/мин.
г
нас
с
т
Если с и ρ возможно считать условно постоянными, то Н может изменяться в достаточно широких пределах даже на конкретной машине. Следует отметить очень широкий диапазон изменения всех параметров - произведение W·Т·τ может изменяться в 10 раз, то есть параметры способа весьма неопределенны и не учитывают свойства окатышей и теплоносителя.
Выбор параметров материала и теплоносителя для зон предварительного подогрева и сушки проводился с помощью математической модели, описывающей теплофизику процессов сушки и переувлажнения достаточно строго и адаптированной с учетом лабораторных исследований и масштабных экспериментов на промышленных объектах.
с
0
Результаты модельного анализа показали, что оптимальные параметры камеры предварительного подогрева наиболее существенно зависят от высоты слоя (Н), начальной температуры окатышей (t) и влагосодержания теплоносителя (f). Эту зависимость необходимо учитывать как при проектных разработках, так и для оперативного управления работой камеры предварительного подогрева.
Так, например, при изменении высоты слоя сырых окатышей (при постоянной производительности) удельный расход теплоты q на камеру предварительного подогрева нужно изменять примерно пропорционально высоте слоя (в пределах, ограниченных появлением предельного переувлажнения в нижней части слоя на участке КПП) или точнее по соотношению:
0
c
при t=20°С в диапазоне Н=350-550 мм. Здесь необходимо отметить, что при постоянной производительности по сырым окатышам изменение удельного расхода теплоты [кДж/кг] тождественно изменению тепловой нагрузки [кДж/ч] на КПП. При изменении же производительности нужно пропорционально ей изменять и тепловую нагрузку на КПП.
При изменении температуры загружаемых окатышей (например, за счет сезонных колебаний) нужно изменять q на КПП обратно пропорционально температуре в соответствии со следующими соотношениями:
Температура окатышей t<sub>0</sub>, °С
Относительное изменение q, %/°С
10-20
2,0
20-30
3,5
30-35
7,0
35-40
0
c
0
0
При высоте слоя сырых окатышей Н=400 мм и t=10-35°С зависимость оптимальной q на КПП от температуры окатышей t подчиняется соотношению:
При изменении влагосодержания теплоносителя в возможных на практике пределах от 1 до 4% (об.) q на камеру предварительного подогрева следует изменять обратно пропорционально на величину 10-12% (отн.) на 1% (об.) влажности теплоносителя.
Во всем диапазоне исследованных параметров работы КПП моделирование показало, что температура теплоносителя Т′ не должна превышать 230-250°С. При Т′≥250°С в области КПП развивается переувлажнение за счет конденсации паров воды в слое и до начала образования предельного переувлажнения вблизи границы с постелью слой не успевает существенно нагреться, т.е. в [2] диапазон Т′=250-400°С завышен.
Таким образом, оптимальной величиной удельного расхода тепла на предварительный подогрев слоя окатышей для существующих условий работы конвейерных обжиговых машин является диапазон 12-17 кДж/кг.
По средним данным [2] (W=0,3 м/с; T′=325°С; τ=2 мин) с учетом (1) при различной высоте слоя получается:
Н<sub>c</sub>, м
q, кДж/кг
0,30
23,7
0,35
20,4
0,40
17,8
c
То есть абсолютная величина q выше, но близка к результатам моделирования. Однако такая зависимость q(H) спорна, а соотношение между Т и W определенно неверно - КПП будет работать неэффективно. Тем не менее, q определенно является ключевым фактором в организации режима предварительного нагрева и он имеет оптимум.
Для схемы сушки с одним реверсом теплоносителя (продув/просос) результаты моделирования показали, что оптимальные значения q в зоне продува должны быть в два раза больше в отличие от схемы с двумя реверсами. Это объясняется тем, что в зоне продува температура теплоносителя на границе слой/постель в начале зоны практически равна начальной температуре постели, а затем постепенно повышается, приближаясь к значению температуры в дутьевой камере. При этом избежать предельного переувлажнения в обеих зонах (продув и просос) удается только при высоте слоя не более 350-400 мм.
В такой схеме необходимо исключить побочный сток тепла путем нагрева донной постели, загружаемой на колосники, до температуры подаваемого в зону продува теплоносителя, а в начале зоны прососа снизить температуру теплоносителя. В результате температурный режим на входе в слой сырых окатышей для обеих схем становится идентичным, т.е. оптимальные значения q становятся одинаковыми при высоте слоя до 550 мм.
Для получения теплоносителя в КПП в зависимости от конкретной тепловой схемы обжиговой машины можно использовать три способа: 1 - подвести теплоноситель из зон обжига, рекуперации или охлаждения; 2 - использовать специальные горелочные устройства для нагрева воздуха на входе в слой; 3 - использовать в качестве теплоносителя выдувы горячего воздуха через продольные уплотнения в зоне продува воздуха, забирая его из кожуха над этой зоной.
Примеры использования
Пример 1
На обжиговой конвейерной машине ОК-520 с трехсекционной схемой сушки с целью устранения условий возникновения переувлажнения при сушке слоя сырых железорудных окатышей организована камера предварительного подогрева длиной 6 м с прососом теплоносителя (за счет части площади секции с продувом).
0
с
г
нас
3
3
При начальной температуре окатышей t=20°С и высоте слоя Н=400 мм (а также с учетом с=1,34 кДж/(м·°С), ρ=2200 кг/м) в соответствии с (3) в слой необходимо подать тепла q=13,75 кДж/кг. Для этого в камере через слой (сверху вниз) просасывают теплоноситель со скоростью W=0,38 м/с и температурой Т′=200°С. На оставшейся площади секции с продувом теплоносителя при обычных для этой зоны параметрах происходит удаление влаги из материала до 40%. В последующих секциях с прососом теплоносителя температура теплоносителя постепенно повышается с 300 до 650°С.
Предварительная подготовка позволяет полностью избежать появления свободной влаги, количество которой при обычной схеме составляет около 2% от начальной влажности материала. В результате исключается вынос свободной влаги наверх слоя и появление дождя над поверхностью - наиболее опасного для сохранения прочности окатышей явления. При сохранении эффективности работы зон сушки объем области переувлажнения сокращается в 3 раза.
Пример 2
На этом же объекте организуется камера предварительного подогрева длиной 6 м с продувом (снизу вверх) теплоносителя с теми же параметрами, что и в примере 1. Предварительно постель, загружаемую на колосники под слой сырых окатышей, прогревают до 200°С. Все последующие секции работают с прососом теплоносителя, причем на первых 8 м температура его снижается до 100°С, а далее сохраняется прежний режим подъема температуры.
Такая организация позволяет достичь тех же результатов, что и в примере 1. Кроме того при сохранении площади машины продолжительность сушки сокращается на 10%. Также устраняется один реверс теплоносителя по сравнению с примером 1, что наряду с переводом большей части зоны на просос обуславливает сокращение потерь теплоносителя с выдувами в рабочую зону.
В обоих вариантах появляются резервы в повышении производительности.
Источники информации
1. Теплотехнические методы анализа агломерационного процесса. В.И.Клейн, Г.М.Майзель, Ю.Г.Ярошенко, А.А.Авдеенко. ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ, 2004. 224 с.
2. Способ сушки окатышей на обжиговых конвейерных машинах. Я.Л.Белоцерковский, Н.Н.Бережной, А.П.Буткарев, В.А.Кушниров, В.Л.Кренделев, Р.Ф.Кузнецов, Е.В.Некрасова, А.В.Петров. АС №580238.
3. Характер разрушения железорудных окатышей в процессе интенсивной сушки. В.М.Абзалов, А.А.Солодухин, А.В.Кононыхин. Сталь, №1, 2003, стр.20-22.