海绵铁隧道窑热工分析和节能途径

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，对海绵铁隧道窑的设计和各项指标的正确计算具有指导意义。

　　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。还原完成后，还原剂大概消耗了装入量的40~50%，大部分的还原剂还是被燃烧掉了。

　　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；对于Fe3O4则需要6628kJ/㎏纯海绵铁[2]。

　　（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，加之窑车之间都有缝隙，累计起来上下窜气通道很大，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：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

　　在2005年，按这种思路原则对某公司154米海绵铁隧道窑进行了热工分析计算并据此进行了一系列节能技术改造。表1就是改造前后的数据对比。
154 米海绵铁隧道窑节能改造前后参数比较