 Mine Engineering 矿山工程, 2013, 1, 5-9 http://dx.doi.org/10.12677/me.2013.12002 Published Online July 2013 (http://www.hanspub.org/journal/me.html) Study on Thermodynamics Calculation of Pellet Three-Big-Main-Machine Ziming Wang, Jixiang Zhao China Ben-Steel Pellet Plant, Benxi Email: wangzimingsq88@qq.com Received: Mar. 13th, 2013; revised: Mar. 27th, 2013; accepted: Apr. 10th, 2013 Copyright © 2013 Ziming Wang, Jixiang Zhao. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: With the demand of blast furnace iron-smelting and pellet reducing coal consumption improving constantly, improving thermal efficiency and metallurgical properties of pellets is a general trend. The article studies on thermody- namics calculation of pellet three-big-main-machine systematically, and establishes the relationship affecting compres- sive strength through it. Heat utilization rate and compressive strength of 10 - 12.5 mm pellet being not high in pelletiz- ing industry, we put forward the method and direction of thermodynamics calculation to solve it, being propitious to improving the thermal stability of three-big-main-machine and the quality of pellet. Keywords: Three-Big-Main-Machine; Thermodynamics; Calculation 基于球团三大主机热力学计算的研究 王子鸣，赵吉祥 本钢球团厂，本溪 Email: wangzimingsq88@qq.com 收稿日期：2013 年3月13 日；修回日期：2013年3月27 日；录用日期：2013 年4月10日 摘 要：随着高炉炼铁和球团降煤耗的需求的不断提高，提高热利用率和球团冶金性能是大势所趋。本文系统 地研究了球团三大主机热力学计算，并通过热力学计算谈提高球团矿抗压强度。在球团行业热利用率、10~12.5 mm 球团抗压强度不高的情况下，我们提出了基于热力学计算来解决的方法和方向，这将有利于改进三大主机 热稳定性和提高球团矿质量。 关键词：三大主机；热力学；计算 1. 引言 本钢南芬球团厂 200 万吨/年链箅机–回转窑氧 化球团生产线投产至今已 7年多的时间，已顺产达标， 煤耗逐年降低，热效率逐年提高，但与国内同行业其 它球团相比仍有一定的差距。为了稳定控制三大主机 热工操作参数，从而稳定提高球团矿抗压强度，笔者 潜心研究，同时参照周茂军等《宝钢1号烧结机质能 平衡测试和分析》、鞍钢球团物料平衡和热平衡测试、 傅念新等《复合球团还原热力学平衡成分计算机模 拟》，希望通过热力学计算的研究来解决上述问题。 众所周知，不同原料条件和控制方法会产生不同 的生球质量，而不同的球团质量有不同的三大主机最 佳热工控制参数。但球团热力学机理是不变的且是最 关键的，且热力学、流体力学、系统工程、数学建模 Copyright © 2013 Hanspub 5  基于球团三大主机热力学计算的研究 等是可交叉联系的学科，因而可通过基于球团三大主 机热力学计算来定性、定量地研究球团的烧结机理。 2. 球团三大主机热力学计算 2.1. 球团物料平衡和热平衡测试[1,2] 对于球团物料平衡和热平衡测试要参照宝钢、攀 钢、鞍钢等烧结机、球团物料平衡和热平衡平衡测试， 具体设计结构和工艺技术参数可参考《球团初步设计 手册》。 2.1.1. 测试基础 测试与计算采用国际标准，物料平衡与热平衡均 以吨球团矿为基准计算单位。测定时铁精矿、膨润土、 除尘灰配比基本不变，设备正常运转，生产操作稳定。 物料平衡测试范围包括物料收入(精矿量、膨润土 量、除尘灰量、生球水分量)、物料支出(预热球量、 物料机械损失量、干返料量等)。 热平衡测试包括球团链箅机、回转窑、环冷机、 鼓风系统、抽风系统、回热系统和冷却系统。测试分 析以现场测试数据为主，主控室数据为辅。测试范围 包括热量收入(热风带入热量、生球带入热量、生球水 分带入热量、FeO 氧化放热)、热量支出(废气带走热 量、预热球带走热量、焙烧球带走热量、冷却球带走 热量、水分蒸发带走热量、干返料带走热量、链箅机 /回转窑/环冷机带走热量、系统热损失)。 2.1.2. 球团基础数据测试 测试期间铁矿粉、膨润土、煤、除尘灰、球团矿 化学成分、配比和测试结果进行记录。 2.1.3. 物料平衡和热平衡测试 三大主机的物料平衡和热平衡计算要将三大主 机分成若干个子系统，对每个子系统进行物料平衡和 热平衡测试，并分析物料平衡和热平衡测定计算相对 误差是否符合标准。 2.1.4. 漏风情况 测试漏风点，发现设计缺陷部位，消除不必要的 热量损失。比如，链箅机东西两侧温度不一致、链节 漏风等。 2.2. 应用HSC 吉布斯自由能最小法结论 HSC(焓、熵和热容)软件对多元、多相、多个反 应复杂体系平衡成分模拟的原理为体系总的吉布斯 自由能最小法[3]，应用其结论： , 1 ln 0 Ne n iieie e RT (1) 式中， n i —组元 i生成的自由能，R—气体常数，T— 绝对温度， i —组元 i的活度。 ,, 11 i NP ei ij MM jie (2) 式中， ,ie —组元 i中第e种元素的原子数， ,ij M —组 元i中第 j相的摩尔数。 复杂体系中个组元在 P个相中平衡成分计算 条件即为式(1)和式(2)组成的联立方程组，求解该方程 组，可计算组元i的摩尔数 i N i M ，即可确定体系的平衡 成分。 因此，球团矿的相变、氧化反应均可用该结论来 确定各体系成分的含量。 2.3. 从系统工程角度谈球团热力学计算 球团是一个庞大的热工自动控制系统，可将该系 统分解为若干个子系统，这样会有利于确定温度场[4]。 以预热 II段温度场为例(见图1)： 则预热 II段温度场为： GsMsQs NsTs Ps Rs 其中，M(s)为回转窑供热温度场，Q(s)为进预热 II 段口温度场，N(s)为热风阻力损失场，T(s)为出预热II段 口温度场， P(s)为回热温度场，R(s)为球团吸热温度场。 参数收集应包括： M(s)：焓增量、窑内氧化气氛、进系统气流速度。 Q(s)：料层和挡墙高度 h1、进预热II 段口温度 t1、 机速。 Figure 1. Temperature field control chart of preheating section II 图1. 预热 II 段温度场控制图 Copyright © 2013 Hanspub 6  基于球团三大主机热力学计算的研究 N(s)：位移量、空气阻力。 T(s)：料层和挡墙高度h2、出预热 II段口温度 t2、 机速。 P(s)：阀门开度 k、风管风速v、接口风温 t3。 R(s)：球团比热 c、料层厚度 h、进出预热 II段温 度Δt。 则 2 1 2 M sHmv 气流 11 QscSh t 空气 截面 Nsf Sy 阻截面位移 22 Ts cSht 空气 截面 3 PscSvk t 空气管 管风风 RscSht 球箅床团 以此类推，可确定球团三大主机任意段的温度 场。 2.4. 从流体力学角度谈热力学计算 对于气体的三维流动，则有：惯性力=质量力+压 力+粘性力，这三个维度的加速度分别为： 222 222 1 xx puu af x u x yz 222 222 1 yy pvv af y v x yz 222 222 1 zz pww af z w x yz 该纳维–斯托克斯方程对于三大主机的气体任 一放缩部位均适用。 气体的流速 受空气阻力 v气流 f 阻的影响， f 阻与空 气粘度系数 空有关，且 f 阻是可变的。 fv y 空 阻气流 其中，v可用流量计表测， 气流 空可查表，y可现场测 量。 这样，可确定三大主机某时某点的气流速度v 与阻力 气流 f 阻、位移量y之间的关系式。 此外，对气体的流向、流量等的把握，有利于把 有利于控制三大主机热力学参数，有利于把握球团矿 中铁的氧化过程。 2.5. 基于热力学计算、数学建模谈提高球团矿 抗压强度 握逆压区、顺压区，有利于掌握回转窑煤粉燃烧情况， 球团三大主机温度与球团矿抗压强度使用回归 分析 过程中， 铁的 值不是一个具体数值，采用PID 控 制， ，同一批次球团矿的每个 球团 一质量指标和温度 是多 而标准化操 作能 强度，以三大主机为 研究 的局限性，即使用 Minitab15 回归分析得出的各 因子 P值不显著，从工艺现实性上证明： 1) 球团矿在干燥、预热、焙烧和冷却的 价态和存在形式都发生了变化，且该过程是一个 复杂的物理、化学反应，应着重进行球团矿化学物相 分析和检查； 2) 球团温度 并采用模糊控制，若操作没有变化，温度10 s 内 一般上下波动可达±10℃； 3) 拿抗压强度指标来说 抗压强度均不一样，与均值有高达 70~80 N/球的 偏差，有的多达200 N/球以上； 4) 从对应的角度说，球团矿某 对多对应，不可能形成多元方程，也不可能形成 函数关系式，更不要说是回归方程了； 5) 温度有设计值范围和理想值范围， 稳定和提高球团矿质量。 下面从热力学角度研究抗压 对象，则该系统吸收(即球团吸收)的热量： 2 1 2f QHmcmgzQQ 吸漏散 要判断QQ 漏散( 比重。 漏热和散热)随外界环境温度不 同时 球团矿抗压强度y，如果将某 时间 占Q吸的 假设预热Ⅱ段出口 点y看成是一个离散集合体 *y，均值 * y ，则 * y 可与T吸形成如下关系式： :*TQy 正比 吸吸 用 证法可排除映射法 般 f 。 反则 f非线性关系、非一 曲线 2.5.1．对影响球团矿抗压强度 分解[4] 关系、非响应曲面关系。 总变异 22 2 Total process M S (1) 对抗压强度压力仪测量系统分析 22 2 errorMS RPD Copyright © 2013 Hanspub 7  基于球团三大主机热力学计算的研究 要求：1) 没有重复性。2) 保证再现性≤10%，能 力很 2 好；保证10%<再现性≤30%，能力处于临界状态。 3) 保证相对误差1%以内。 (2) 分析变异源(SOV) 2222 p rocess tim2ErrorPT e 1PT 2.5.2. 忽略次要因素，确定抗压强度与温度、 以 ，当预热时间一定时，预热球抗 压强 强度与预热时间 的关 ) 温度曲线实际是许多小折线组成的，温 度、 、预热时间 的函 时间的关系 预热 II段为例 度与预热温度的关系见图2： 当预热温度一定时，预热球抗压 系见图3： 可得， *y ,gTt 温度 时间 其中，1 时间均可变，两曲线叠加；2) 应根据球团矿产量， 控制机速和布料厚度；3) 不考虑箅板等备件损坏、故 障停机，且球团不出现爆裂。 预热球抗压强度与预热温度T温度 t时间 数关系为： 00 ** nm ij ij ij ykT pt 温度 时间 12 TT Tt t ， 温度 时间 1 其中， * 为误差，所有计算出的 * 形成一个级数， 敛 主机各段均可确定时间和温度的 范围 调性 假 段范围内，抗压强度 该级数收 于N。 以此类推，三大 。在工业生产中，需要试验确定机速、窑速、环 速和给料量、料层厚度的最佳范围，以此来确定T温度 、 t时间 的最佳控制范围。在保证机速、窑速、环速的协 、一致性外，还要考虑温度调控的合理性。 2.5.3. 理想条件，忽略相的反应、铁的氧化过程和 化学组成 设在预热II * y 与 呈函 数关 T吸 系，令T 吸 ，则： 2 2 *yk k3 01 3* n n kkk 其中， * 为误差，所有计算出的* 形成一个级数， 敛 得出该状态时的抗压强度方程。 该级数收 于M。 采集样本数据， 多组数据计算进行比较、校正，得出加权平均值。 Figure 2. Relationship chart of compressive strength and preheat - ing temperature 图2. 预热球抗压强度与预热温度关系图 Figure 3. Relationship chart of compressive strength and preheat 当n取值足够大时，该方程满足误差要求、准确， 设当 - ing time 图3. 预热球抗压强度与预热时间关系图 m值时合适，即： 2 *ykkk 3 01 23 0 m mi mi i kkk 这样，可用 Minitab 回归方程一次、二次或三次 即可得出函数关系式的主项[4]。由于球团为热力学模 糊控制，精度要求不高，温度10 s内可波动±10℃， 那么用回归方程的一次、二次和三次就可求解，即 23 *01 23 y kk kk 。 假设以预热Ⅱ段为例，以入口和出两个数据采 集点 口 为基准，可求得两函数 11 yft 入， 22 yft 出， 两函数关系式进行加权计算求平均值 22 22 12 12 *22 yy f tft y 入出 Copyright © 2013 Hanspub 8  基于球团三大主机热力学计算的研究 Copyright © 2013 Hanspub 9 2.5.4. 现实条件，考虑相变、氧化过程和化学 组成的影响 假设在预热II 段范围内，抗压强度 * y 与 呈函T吸 数关系，令T 吸，则： 0123 * m ykk * np r n k kk 其中，,,为任意实数；, ,mnp r* 为误差，所有计 算出的 * 形成一个级数，该级于 M。 要分析球团的热力学参数(温度、机速、窑速、环 度、负 相 液(氧化 气氛 数收敛 速、料层厚 压)、每个阶段 的反应(固相之间 的反应、 相生成和冷却结晶)、铁的氧化过程 、铁的存在形式)、化学组成(铁精矿理化指标、 膨润土理化指标、生球指标、SiO 2含量、CaO 含量等) 是如何影响抗压强度，分析其具体规律。将球团的热 力学参数、相的反应、各段温度、氧化过程分别与抗 压强度形成关系式得y1、y2、y3、y4，则可得现实条件 的1234 * y yyyy。 2.5.5. 数据采集样本的研究 的是点实 采用 研究对象一则采用某一时间点为研究对象，反映 时控制；一则 某一时间段为研究对象， 次，标准化操作，保证采 时间 映曲 衡和热平衡测试提高热利用率和稳 定系 参考文献 (References) 平衡测试与分析[Z]. 宝山钢 线的真实走势。但样本量过大，给数据分析、计 算带来很大的麻烦。样本量越小，曲线失真越严重， 数据反映的越不属实，不能反映真实情况。回归分析 样本量至少30~50 个，置信度视要求而定；同理，该 关系式也可用 50 个样本量便可确定，置信度要求大 于70%~80%[4]。 3．结语 球团物料平 统，应用 HSC吉布斯自由能最小法结论确定球 团烧结过程相变体系化学成分，从系统工程角度谈热 力学计算确定三大主机温度场，从流体力学角度谈热 力学计算把握热风的流速、流向，基于热力学计算、 数学建模建立球团抗压强度与其影响因素(热力学温 度等)之间的关系式，这些均全面地、系统地研究球团 热力学计算，将这几种方法相互结合使用，就可解决 热利用率和成品球抗压强度不高的问题。这从传统的 工艺实物研究转向定性、定量的热力学计算，但仍有 许多不完善的地方，需进一步研究、分析。 反映的是时间段控制。 那么，多少样本量才能比较客观地反映数据的真 实性呢？首先，要保证数据在线检测的真实性，要保 证数据记录的真实性；其 [1] 周茂军等. 宝钢1号烧结机质能 集 铁股份有限公司, 2011. [2] 刘宝先等. 链箅机物料平衡及热平衡计算[Z]. 江苏大垣集团 有限公司, 2009. [3] 傅念新等. 复合球团还原热 力学 平衡成分计 算机 模拟[D]. 东 北大学 98. 的连续性和均匀性，保证设备稳定运行；最后， 要做好样本量的研究。 样本量越大，越能反映数据的真实情况，越能反 , 19 [4] 马林等. 六西格玛管理[M]. 北京: 中国人民大学出版社, 2008. |