烧结过程燃烧与传热
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第四章 烧结过程燃烧与热量传输规律
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理 ４.2 烧结料层中燃烧带的特性分析 ４.3 固体燃料特性及用量对烧结过程的影响 ４.4 烧结料层中的温度分布及蓄热 ４.5 烧结过程传热规律及应用 ４.6 烧结节能的主要途径及措施
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（一）气体燃料燃烧的热力学
（一）气体燃料燃烧的热力学
（2）、主要煤气成分燃烧的热力学 主要成分：CO、H2、CH4
离解：
转化：
总反应：
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（一）气体燃料燃烧的热力学
（3）、气体燃烧发热量的计算
（4）、气体燃烧理论和实际空气需要量
过剩空气系数，人工操作时取1.15~1.20，自动操作取1.05~1.10
V kCO2 1 1 1 k kD kR
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（三）固体燃料燃烧动力学分析
对于-3mm的碳粒，在Re为100的情况下： ＜700℃为动力学燃烧区 700~1250℃ 为中间速度区 ＞1250℃ 为扩散燃烧区
烧结过程在点火后不到一分钟，料层温度升高到1200～1350℃，一 般在1300~1500℃，故其燃烧反应基本上是在扩散区内进行，因 此，一切能够增加扩散速度的因素，如减小燃料粒度、增加气流 速度（改善料层透气性、增风机风量等）和气流中的氧含量等， 都能提高燃烧反应速度，强化烧结过程。
①、高炉煤气
（1） 气 体 燃 料 种 类
成分
CO2
范围 % 9.0~15.5
CO 25~31
CH4 0.3~0.5
H2 2.0~3.0
②、焦炉煤气
成分 范围 %
H2 54~59
CO 5.5~7.0
CH4 23~28
CO2 1.5~2.5
③、天然气
N2 55~58
发热量/千卡/米3 850~1100
（2）影响燃烧比的因素有： ①燃料粒度和用量； ②料层负压大小； ③空气过剩系数； ④料层高度和返矿量。
一般燃烧废气中平均含CO1~2%，热量损失占总热量的10~25%。
４.3 固体燃料特性对烧结过程的影响
（1）固体燃料的粒度
烧结粉矿(-8mm)：1~2mm适宜 烧结精矿(-1mm)：0.5~3mm适宜
N2
O2
发热量/千卡/米3
3~5 0.3~1.7
3160~4580
成分
H2
CO
范围% 0.4~0.8 0.1~0.3
CH4 85~95
H2S
N2
O2
发热量/千卡/米3
0.9 1.5~5.0 0.2~0.3 8000~9000
④、液体燃料
重油：发热值高（大于9000千卡/公斤）、粘性大
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
③一般，燃烧带温度，即分布曲线上 的最高点温度随着烧结过程的进行有 所上升，这主要由于料层的蓄热作用。
1－燃烧带，2－预热干燥带，3－水分冷凝带，4－铺底料，5－烧结矿带
t （℃） －Δp （mmH2O）
烧结负压及料层温度的变化情况
1800
1500
1200
900
600
300
z1
0
0
5
1500
Δp
1200
900
600
z3
z2
300
0 10 15 20 25 30
τ （min）
料层: Z1 < Z2 < Z3
刚点火毕
点火终了后 பைடு நூலகம்～2分钟
开始烧结后 8—10分钟 烧结终了前
(1)烧结料层中的温度分布特点
①由低温到高温，然后又从高温迅 速下降到低温。
②燃烧带下部的热交换是在一个很窄 的加热及干燥带完成的，它的高度一 般小于50mm，尽管距离很短，但气 体可以自1400～1500℃冷却到50～ 60℃。主要是气流速度大，温差大， 对流传热量大。另一方面由于料粒有 很大的比表面积，彼此紧密接触，传 导传热也在迅速进行。
从燃烧带出来的氧浓度CO取决于燃料在烧结料中的比例及吸入空气中氧 的浓度，因此，在焦粉配比一定时，它是不变的。
系数b取决于燃料比表面积αT和其他混合料比表面积αm，以及混合料中 燃料的体积V
４.2 烧结料层中燃烧带的特性分析
（二）燃烧带特性与燃烧废气组成
（1）烧结料层的燃烧特点： ①烧结料层中碳含量少、粒度细而且分散； ②烧结料层的热交换十分有利，固体碳颗粒燃烧迅速， 二次燃烧反应不明显； ③烧结料层中一般空气过剩系数较高（常为1.4～1.5）。
CO2
①氧气向固体碳表面扩散迁移的速率为：
VD kD (CO2 CSO2 ) CSO2
②相界面上的化学反应速率为：
VR
k
R
(C
S O
2
)
n
k
R
C
S O
2
（1）氧由气流本体通过界面层扩散到固体碳的表面； （2）氧在碳粒表面上吸附； （3）吸附的氧与碳发生化学反应； （4）反应产物的解吸； （5）反应产物由碳粒表面通过界面层向所相扩散。
（二）固体燃料燃烧的热力学
（1）、热力学分析 C氧化 初级
气相氧化 次级
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（二）固体燃料燃烧的热力学
（2）、固体燃料燃烧计算 发热量
理论空气需要量
固体燃料燃烧温度
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（三）固体燃料燃烧动力学分析
固体燃料的燃烧属多相扩散燃 烧：首先要使氧气到达固体表 面，在相界面上发生多相化学 反应；其后，化学反应所需的 物质则靠自然扩散或强制扩散 形成的物质转移来提供。
４.2 烧结料层中燃烧带的特性分析
（一）烧结过程燃烧带厚度的计算
I0 ut 0 6
nd ln(CO / CH ) 2(1 m) (1f 2f )(1 barctg
1
)
b
b m (1 V) T V
燃烧带的宽度是由燃料粒的直径d，空气流速ω，原始气体中的氧的浓 度CH，料层的透气性质m及n，以及系数b来决定。
（2）固体燃料的种类
焦粉优于无烟煤 不能用烟煤
（3）固体燃烧的用量
磁铁矿，一般为5％～6％ 3~5% 赤铁矿，一般为7％～9％ 5~7% 菱铁矿和褐铁矿，更高。铬铁矿烧结有时高达10%以上。
（4）固体燃料在料层中的赋存状态
燃烧的添加方式
（5）固体燃烧燃烧催化剂的影响
４.4 烧结料层中的温度分布及蓄热
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（一）气体燃料燃烧的热力学
（5）、实际燃烧产物量
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（一）气体燃料燃烧的热力学
（6）、燃烧温度
理论燃烧温度
t i总 Q q燃 q空
Cp
Cp V
理论燃烧温度通常要比冶金炉内的实际温度高出10~25%
平衡燃烧温度
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理 ４.2 烧结料层中燃烧带的特性分析 ４.3 固体燃料特性及用量对烧结过程的影响 ４.4 烧结料层中的温度分布及蓄热 ４.5 烧结过程传热规律及应用 ４.6 烧结节能的主要途径及措施
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（一）气体燃料燃烧的热力学
（一）气体燃料燃烧的热力学
（2）、主要煤气成分燃烧的热力学 主要成分：CO、H2、CH4
离解：
转化：
总反应：
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（一）气体燃料燃烧的热力学
（3）、气体燃烧发热量的计算
（4）、气体燃烧理论和实际空气需要量
过剩空气系数，人工操作时取1.15~1.20，自动操作取1.05~1.10
V kCO2 1 1 1 k kD kR
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（三）固体燃料燃烧动力学分析
对于-3mm的碳粒，在Re为100的情况下： ＜700℃为动力学燃烧区 700~1250℃ 为中间速度区 ＞1250℃ 为扩散燃烧区
烧结过程在点火后不到一分钟，料层温度升高到1200～1350℃，一 般在1300~1500℃，故其燃烧反应基本上是在扩散区内进行，因 此，一切能够增加扩散速度的因素，如减小燃料粒度、增加气流 速度（改善料层透气性、增风机风量等）和气流中的氧含量等， 都能提高燃烧反应速度，强化烧结过程。
①、高炉煤气
（1） 气 体 燃 料 种 类
成分
CO2
范围 % 9.0~15.5
CO 25~31
CH4 0.3~0.5
H2 2.0~3.0
②、焦炉煤气
成分 范围 %
H2 54~59
CO 5.5~7.0
CH4 23~28
CO2 1.5~2.5
③、天然气
N2 55~58
发热量/千卡/米3 850~1100
（2）影响燃烧比的因素有： ①燃料粒度和用量； ②料层负压大小； ③空气过剩系数； ④料层高度和返矿量。
一般燃烧废气中平均含CO1~2%，热量损失占总热量的10~25%。
４.3 固体燃料特性对烧结过程的影响
（1）固体燃料的粒度
烧结粉矿(-8mm)：1~2mm适宜 烧结精矿(-1mm)：0.5~3mm适宜
N2
O2
发热量/千卡/米3
3~5 0.3~1.7
3160~4580
成分
H2
CO
范围% 0.4~0.8 0.1~0.3
CH4 85~95
H2S
N2
O2
发热量/千卡/米3
0.9 1.5~5.0 0.2~0.3 8000~9000
④、液体燃料
重油：发热值高（大于9000千卡/公斤）、粘性大
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
③一般，燃烧带温度，即分布曲线上 的最高点温度随着烧结过程的进行有 所上升，这主要由于料层的蓄热作用。
1－燃烧带，2－预热干燥带，3－水分冷凝带，4－铺底料，5－烧结矿带
t （℃） －Δp （mmH2O）
烧结负压及料层温度的变化情况
1800
1500
1200
900
600
300
z1
0
0
5
1500
Δp
1200
900
600
z3
z2
300
0 10 15 20 25 30
τ （min）
料层: Z1 < Z2 < Z3
刚点火毕
点火终了后 பைடு நூலகம்～2分钟
开始烧结后 8—10分钟 烧结终了前
(1)烧结料层中的温度分布特点
①由低温到高温，然后又从高温迅 速下降到低温。
②燃烧带下部的热交换是在一个很窄 的加热及干燥带完成的，它的高度一 般小于50mm，尽管距离很短，但气 体可以自1400～1500℃冷却到50～ 60℃。主要是气流速度大，温差大， 对流传热量大。另一方面由于料粒有 很大的比表面积，彼此紧密接触，传 导传热也在迅速进行。
从燃烧带出来的氧浓度CO取决于燃料在烧结料中的比例及吸入空气中氧 的浓度，因此，在焦粉配比一定时，它是不变的。
系数b取决于燃料比表面积αT和其他混合料比表面积αm，以及混合料中 燃料的体积V
４.2 烧结料层中燃烧带的特性分析
（二）燃烧带特性与燃烧废气组成
（1）烧结料层的燃烧特点： ①烧结料层中碳含量少、粒度细而且分散； ②烧结料层的热交换十分有利，固体碳颗粒燃烧迅速， 二次燃烧反应不明显； ③烧结料层中一般空气过剩系数较高（常为1.4～1.5）。
CO2
①氧气向固体碳表面扩散迁移的速率为：
VD kD (CO2 CSO2 ) CSO2
②相界面上的化学反应速率为：
VR
k
R
(C
S O
2
)
n
k
R
C
S O
2
（1）氧由气流本体通过界面层扩散到固体碳的表面； （2）氧在碳粒表面上吸附； （3）吸附的氧与碳发生化学反应； （4）反应产物的解吸； （5）反应产物由碳粒表面通过界面层向所相扩散。
（二）固体燃料燃烧的热力学
（1）、热力学分析 C氧化 初级
气相氧化 次级
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（二）固体燃料燃烧的热力学
（2）、固体燃料燃烧计算 发热量
理论空气需要量
固体燃料燃烧温度
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（三）固体燃料燃烧动力学分析
固体燃料的燃烧属多相扩散燃 烧：首先要使氧气到达固体表 面，在相界面上发生多相化学 反应；其后，化学反应所需的 物质则靠自然扩散或强制扩散 形成的物质转移来提供。
４.2 烧结料层中燃烧带的特性分析
（一）烧结过程燃烧带厚度的计算
I0 ut 0 6
nd ln(CO / CH ) 2(1 m) (1f 2f )(1 barctg
1
)
b
b m (1 V) T V
燃烧带的宽度是由燃料粒的直径d，空气流速ω，原始气体中的氧的浓 度CH，料层的透气性质m及n，以及系数b来决定。
（2）固体燃料的种类
焦粉优于无烟煤 不能用烟煤
（3）固体燃烧的用量
磁铁矿，一般为5％～6％ 3~5% 赤铁矿，一般为7％～9％ 5~7% 菱铁矿和褐铁矿，更高。铬铁矿烧结有时高达10%以上。
（4）固体燃料在料层中的赋存状态
燃烧的添加方式
（5）固体燃烧燃烧催化剂的影响
４.4 烧结料层中的温度分布及蓄热
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（一）气体燃料燃烧的热力学
（5）、实际燃烧产物量
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（一）气体燃料燃烧的热力学
（6）、燃烧温度
理论燃烧温度
t i总 Q q燃 q空
Cp
Cp V
理论燃烧温度通常要比冶金炉内的实际温度高出10~25%
平衡燃烧温度
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理