矩形竖炉

竖炉球团焙烧车间设计(engineering design of shaft furnace pellet induration plant)
将生球用竖炉焙烧成球团矿的车间设计。
竖炉为立式炉，生球自竖炉上部炉口装入，在自身重力作用下，通过各加热带及冷却带，达到排料端。在炉身中部两侧设有燃烧室，产生高温气体喷入炉膛内，对球团进行干燥、预热和焙烧。在炉内初步冷却球团矿后的一部分热风上升通过导风墙和干燥床，以干燥生球。
竖炉球团焙烧车间设计主要内容包括：物料平衡与热工计算、竖炉生产能力及规格选定、燃料选用、竖炉炉体设计、布料设备选择、排矿设备设计与选择、炉外冷却设备选择、工艺风机选择、工艺除尘装置选择、成品球上料系统设计、汽化冷却系统设计、自控与监测系统设计和主要设计技术经济指标等。
竖炉球团厂工艺流程见图1。


物料平衡与热工计算 根据原料和燃料的条件，求出燃料消耗量及其它有关参数；计算通过导风墙内外的冷风量。为了校核和计算各带界面上的物料和气体温度，还需分别对干燥带、预热焙烧带、均热带、冷却带进行区域热平衡计算，最后绘制竖炉内气体平衡图(包括空气、煤气、燃烧产物之间的体积、温度等的变化与平衡)，其示意图见图2。


竖炉生产能力及规格选定 竖炉焙烧磁铁精矿球团的利用系数为4～5t／(m2?h)。8m2竖炉(面积指炉口长×宽)的单炉年产量为25～30万t。当生产规模不足50万t时，一般优先选用8m。竖炉。
燃料选用 竖炉用燃料有液体和气体两种。欧美一些国家竖炉多建在矿山，使用天然气或重油。中国竖炉多建在冶金工厂内，常使用高炉煤气。
竖炉炉体设计 包括炉型、燃烧装置、炉体砌筑、炉体钢结构等设计。
炉型 竖炉是长方形炉型，有高炉身内冷型和中等炉身外冷型两种。由于前者排矿温度较高，从80年代开始，中国设计的竖炉均选择后者。在确定炉型时需要考虑：(1)在使用高炉煤气作燃料时，让部分冷却风通过焙烧带，以补充燃烧废气中含氧量的不足。这部分冷却风的数量可以根据原料和燃料条件进行计算。(2)喷火口以下的导风墙高度及其通道截面积是炉型设计的关键，一般可参照生产实例进行选取。当无实践经验时，应通过冷态模型试验确定。(3)正确设计风口形状及两侧风口的分布，合理配置冷风管路系统，以解决冷风进口处沿炉子截面上冷却风量分布不均的问题。在设计炉子各带尺寸时，一般根据试验条件及有关的经验公式来确定，并核算物料在各带的停留时间。选择其他燃料时，炉型需另行考虑。
燃烧装置 在竖炉炉膛两侧备有一个燃烧室，其形状有卧式圆柱形(高炉煤气用)和立

式圆柱形(重油和天然气用)两种。国外竖炉多用立式燃烧室，其底部有一个烧嘴供热，自动控制方便。中国竖炉烧嘴安装在卧式燃烧室的侧面，每侧数量为2～5个。
炉体砌筑 竖炉砌体的工作温度为1200～1300℃，工作压力为15～23kPa。炉膛部分砌体除了承受高温高压以外，还要承受炉料的摩擦及气流的冲刷。因此在砌体材料选取，墙体结构设计等方面均要考虑这些工作条件。此外，保证炉体的气密性是砌体设计的基本原则。中国竖炉一代砌体设计寿命为5a。
炉体钢结构 由于竖炉是正压操作，为保证气密性须采用钢外壳，其中关键是如何处理炉壳热膨胀所产生的应力。根据工艺要求，炉体的框架水梁与支柱应设计成刚性连接，不允许产生相对位移。支柱与土建平台间采用铰接结构。竖炉中最关键的部位是干燥床与导风墙的承重水梁。中国竖炉导风墙水梁的寿命达到3a。
中国竖炉炉型见图3。


布料设备选择 由于炉口截面呈矩形，国外竖炉常采用垂直相交的两条梭式胶带机进行“Z”字形布料。中国竖炉炉口有干燥床，改为由一条梭式胶带机进行直线布料，简化了布料设备。中国8m2竖炉的布料均采用悬臂式结构。随着炉子长度的加大，悬臂拉杆高度增加，使生球落差增大。因此大型竖炉的布料机不宜采用悬臂式结构，宜改为辊道支撑装置。梭式布料机在布料过程中应保证在前进与后退时料层厚度一致。
排矿设备设计与选择 排矿设备由齿辊卸料机及排料机组成。齿辊卸料机的作用主要是控制料面、活动料柱及破碎大块。国外竖炉的齿辊卸料机组通常分上下两层，交叉布置。中国竖炉则由一排齿辊组成。齿辊通水冷却。相邻齿辊的间隙为80～100mm。齿辊工作时转矩大、转速低，宜采用液压传动。齿辊两端宜采用迷宫式密封。由于齿辊间存在着间隙，需要在漏斗下部安设控制排料的装置。欧美一些国家竖炉采用“空气炮”排料装置，即用压缩空气吹动斜溜槽上的球团矿进行排料。中国竖炉通常采用电振给料机排料。
炉外冷却设备选择 对炉内热工过程的分析表明，过多的冷却风进入炉内将干扰正常的焙烧制度。因此在炉内把球团矿冷却到100℃以下是不可取的。常用的炉外冷却设备是带式冷却机。它分抽风与鼓风两种，其结构与烧结带式冷却机相似。
工艺风机选择 竖炉工艺风机包括助燃风机和冷却风机两种，均应采用离心式高压鼓风机。风机的风量、风压根据竖炉热工计算确定。在选型时应适当留有余地，一般应有备用风机。设计中还需采取防治风机噪音的措施。
工艺除尘装置选择 为了改善竖炉炉顶平台操作环境，延长布料设

备的寿命，需从竖炉炉顶抽出废气并进行净化，一般采用静电除尘器。
成品球上料系统设计 在开炉及调节炉况时，需添加成品球团矿。一般采用专设带式输送机或卷扬机把成品球运到焙烧车间上部的矿槽内备用。
汽化冷却系统设计竖炉导风墙及干燥床钢梁的工作温度分别为1000℃和600℃左右，需通水冷却。这两部分热损失约占竖炉全部热损失的15％，可采用汽化冷却法回收余热。一座8m2竖炉可回收蒸汽2～4t／h。
自控与监测系统设计 由于炉内存在活动料柱，给热工参数监测带来许多困难。中国竖炉的自动控制包括：燃烧室温度控制(含空煤气比例自动调节)和汽化冷却系统的汽包水位控制。监测包括：燃烧室温度、炉顶废气温度和各带气体温度的指示和记录；燃烧室压力、空煤气管道压力的指示和记录；空煤气流量的指示和记录，其中煤气流量要有累计值。在物料计量方面，应设精矿、粘结剂称量调节装置。入炉的生球和成品球团矿也要有计量装置。
主要设计技术经济指标 竖炉球团厂的技术经济指标因原料性质差异而有较大差别，仅以某厂为例，其设计技术经济指标为：