一种优化带式焙烧机热工制度的方法

摘要

本发明公开了一种优化带式焙烧机热工制度的方法，属于冶金行业矿石或废料预处理的焙烧工艺过程技术领域。该方法包括以下步骤：通过计算机软件建立带式焙烧机的三维模型；对带式焙烧机模型进行模拟计算；对模拟计算的结果进行后处理分析；根据后处理分析的结果，对带式焙烧机热工制度进行优化。该方法能够对带式焙烧机的热工制度进行全方位模拟，因此，根据该后处理分析的结果，能够对整个带式焙烧机热工制度进行整体优化。

说明书

技术领域

本发明涉及冶金行业矿石或废料预处理的焙烧工艺过程技术领域，特别是 涉及一种优化带式焙烧机热工制度的方法。

背景技术

带式焙烧工艺是受带式烧结机的启示而发展起来的。

其优点在于：1)在带式焙烧机工艺过程中，球团焙烧的整个工艺过程包括 干燥、预热、焙烧、冷却都在一个设备上完成，具有工艺简单、布置紧凑、所 需设备吨位轻等特点，为缩小占地面积、减少工程量、实现焙烧气体的循环利 用以及降低热耗和电耗创造了条件；2)带式焙烧机最大已经达到750m²，单机 产量达500t以上，因此，带式焙烧机能适应扩大生产规模的要求和实现大型化 的要求；3)因为在整个焙烧过程中，球团都处于静料层状态，不会因升温过程 中球团本身强度时高时低的变化和球与球之间的相对运用而产生粉末，因此， 带式焙烧机基本适应于所有的矿种；4)由于热系统的合力设置和管路短，在理 论上，带式焙烧机的热耗可以达到最低水平，而且在实践中也创造出了最好记 录。

其缺点在于：1)带式焙烧机耐高温特殊合金钢的用量大、档次高，在目前 国产化的条件下有较大的难度；特别在质量方面很难保证；2)由于包括干燥、 预热、焙烧、冷却的焙烧全过程均在一个设备上运行，靠调整机速来改变球团 在各阶段的停留时间是不可能的，如要改变，除非改变上部炉罩的分段和风箱 的配置，这将是十分麻烦的，因此，带式焙烧机在生产过程中，对原料的稳定 性要求高；3)由于球团在升温过程中，上下料层在各段炉罩的最高温度下停留 时间的长短相差很大，因而会影响到成品球团矿的最终强度，另外，炉罩内温 度和在台车上多多少少存在的边缘效应，也会影响成品球团矿的质量；4)带式 焙烧机必须使用高热值的煤气和重油作燃料。通过优化带式焙烧机热工制度， 能够减少带式焙烧工艺的缺点，提高球团矿的质量。

申请公布号为CN103045850A的中国发明专利公开了一种带式焙烧机生产 中预热和焙烧过程的控制方法，属于带式焙烧机球团矿生产过程控制技术领域。 其目的在于提供一种带式焙烧机球团生产过程中预热和焙烧两个工艺段的判断 和控制方法。参见附图1，其首先对烧嘴段的所有风箱和烧嘴之后两个风箱的废 气温度的最小二乘法的回归拟合，横坐标是检测点的位置，纵坐标是该检测点 的温度，拟合出一条6次温度曲线；对曲线方程进行求导，得到斜率方程，其 中的斜率最大点的横坐标就是预热结束点作为定量划分预热和焙烧的依据。在 得到预热结束点的基础上，根据预热结束点的设定值自动调整主引风机的转速， 实现了预热结束点的自动控制。从而稳定了带式焙烧机球团生产过程，提高球 团矿的质量。

但是，该带式焙烧机生产中预热和焙烧过程的控制方法只能实现带式焙烧 机上烧嘴段的预热和焙烧过程的质量度量，并通过调整主引风机实现预热结束 点的自动控制，而无法实现对整个带式焙烧机热工制度进行整体优化。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种优化带式焙烧机热工制度的方法，其能够为带 式焙烧机的热工制度优化调整提供依据，从而更加适于实用。

为了达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

本发明提供的优化带式焙烧机热工制度的方法包括以下步骤：

通过计算机软件建立带式焙烧机的三维模型；

对带式焙烧机模型进行模拟计算；

对所述模拟计算的结果进行后处理分析；

根据所述后处理分析的结果，对所述带式焙烧机热工制度进行优化。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

作为优选，对带式焙烧机进行模拟计算的软件是fluent软件或者CFX软件。

作为优选，带式焙烧机的三维模型是通过gambit软件或者icem软件建立的。

作为优选，所述三维模型包括台车、多个篦条、烟罩、预热段、焙烧段、 均热段、冷却段、挡板、环管、烧嘴、多个风箱，所述多个篦条设置在所述台 车上，各篦条之间具有空隙，所述预热段、焙烧段、均热段、冷却段依次设置， 所述挡板设置在所述焙烧段和均热段之间，使得所述预热段和焙烧段形成相对 独立的燃烧室，所述环管设置于所述燃烧室上方，所述烧嘴设置于所述环管上， 所述挡板的最低端与所述三维模型的底部料层之间具有空隙；所述烟罩设置在 所述预热段、焙烧段、均热段、冷却段的上方，所述预热段和焙烧段与设置于 其上方的烟罩通过环管连接，所述多个风箱分别布置于所述预热段、焙烧段、 均热段、冷却段的底部。

作为优选，所述挡板与所述底部料层间的缝隙为5～20cm。

作为优选，所述挡板与所述三维模型的底部料层间的空隙为10cm。

作为优选，所述建立带式焙烧机的三维模型时，还需要对建立的模型进行 网格划分，使得单个网格体积在10^-6～10^-3m³之间。

作为优选，对带式焙烧机模型进行模拟计算时，模型输入参数包括带式焙 烧机冷却段各风箱温度，带式焙烧机冷却段各风箱风量，带式焙烧机预热段和 焙烧段各烧嘴温度，带式焙烧机预热段和均热段助燃气温度，带式焙烧机预热 段和均热段助燃气流量，带式焙烧机预热段、焙烧段和均热段各风箱的出口压 力。

作为优选，对带式焙烧机模型进行模拟计算时，需要进行设置的参数包括 能量、粘度模型参数、燃烧反应参数和收敛条件参数。

作为优选，对所述模拟计算的结果进行后处理分析的方法为：建立多个点、 线、面，对带式焙烧机内的温度场和流场进行综合分析，根据球团矿的焙烧质 量，得到优化后的带式焙烧机热工制度。

本发明提供的优化带式焙烧机热工制度的方法首先通过计算机软件建立带 式焙烧机三维模型，然后对带式焙烧机模型进行模拟计算，再对模拟计算的结 果进行后处理分析，最后，根据后处理分析的结果，能够对带式焙烧机热工制 度进行优化。其能够对带式焙烧机的热工制度进行全方位模拟，因此，根据该 后处理分析的结果，能够对整个带式焙烧机热工制度进行整体优化。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领 域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并 不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的 部件。在附图中：

图1为申请公布号为CN103045850A的中国发明专利公开的带式焙烧机生 产中预热和焙烧过程的控制方法的示意图；

图2为本发明实施例提供的优化带式焙烧机热工制度的方法的逻辑框图；

图3为本发明实施例提供的优化带式焙烧机热工制度的方法带式焙烧机的 三维模型的结构示意图。

具体实施方式

本发明为解决现有技术存在的热工制度使带式焙烧机球团质量的问题，提 供了一种通过计算机模拟的方式对带式焙烧机进行三维模拟，并根据模拟结果 对带式焙烧机的热工制度进行优化，从而更加适于实用。

由于带式焙烧机内存在流动、传热和燃烧等复杂的物理化学过程，目前对 带式焙烧机的研究多集中于床层球团料层温度，但由于球团料层温度与煤气燃 烧提供热量有着很大的关联，因此对焙烧机进行系统的仿真模拟研究对了解焙 烧机内的温度、流场和浓度分布等有着重大的意义，进而可以为带式焙烧机的 热工制度等的优化提供参考。

本发明以某钢厂的带式焙烧机为研究对象，考虑其内的燃烧、传热等过程， 通过数值模拟其内发生的燃烧过程及其温度场和流场分布，并以热态实验数据 为依据，来验证数值模拟的准确性，从而对操作条件的选择提供参考。

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下 结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的优化带式焙烧机热工制度的方法， 其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同 的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的 特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在 三种关系，例如，A和/或B，具体的理解为：可以同时包含有A与B，可以单 独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一种情况。

实施例

参见附图2，本发明提供的优化带式焙烧机热工制度的方法包括以下步骤：

步骤1：通过计算机软件建立带式焙烧机的三维模型，其中该带式焙烧机的 三围模型需要根据实际生产中应用到的带式焙烧机的尺寸确定，这样能够使得 经过计算机软件模拟建立的带式焙烧机三围模型与生产现实更加贴近，从而， 对生产实践中应用的带式焙烧机的热工制度进行优化时，依据性更强；

步骤2：应用fluent软件对带式焙烧机模型进行模拟计算，fluent是目前国 际上比较流行的商用计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics，简称CFD) 软件包，它能够用于模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采 用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而fluent软件能达到最佳的收敛 速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网络技术及成熟的物 理模型，使fluent在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转 机械、动/变形网络、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用，目前，除 gambit软件之外，icem软件也是能够与fluent软件配合应用的标准网络软件。 fluent软件的特点如下：

1)fluent软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网 格节点和网格单元的梯度算法；2)定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常 模拟功能；3)fluent软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户 只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动 生成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。 其局部网格重生式是fluent所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变形 较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题； 4)fluent软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、 动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，fluent软件还拥有多种基于解的网 格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术；5) fluent软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，是 商用软件中最多的；6)fluent软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够 精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-ω模 型组、k-ε模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最 新的分离涡模拟(DES)和V2F模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍 流模型；7)适用于牛顿流体、非牛顿流体；8)含有强制/自然/混合对流的热传 导，固体/流体的热传导、辐射；9)化学组份的混合/反应；10)自由表面流模 型，欧拉多相流模型，混合多相流模型，颗粒相模型，空穴两相流模型，湿蒸 汽模型；11)融化溶化/凝固；蒸发/冷凝相变模型；12)离散相的拉格朗日跟踪 计算；13)非均质渗透性、惯性阻抗、固体热传导，多孔介质模型(考虑多孔 介质压力突变)；14)风扇，散热器，以热交换器为对象的集中参数模型；15) 惯性或非惯性坐标系，复数基准坐标系及滑移网格；16)动静翼相互作用模型 化后的接续界面；17)基于精细流场解算的预测流体噪声的声学模型；18)质 量、动量、热、化学组份的体积源项；19)丰富的物性参数的数据库；20)磁 流体模块主要模拟电磁场和导电流体之间的相互作用问题；21)连续纤维模块 主要模拟纤维和气体流动之间的动量、质量以及热的交换问题；22)高效率的 并行计算功能，提供多种自动/手动分区算法；内置MPI并行机制大幅度提高并 行效率。另外，fluent特有动态负载平衡功能，确保全局高效并行计算；23)fluent 软件提供了友好的用户界面，并为用户提供了二次开发接口(UDF)；24)fluent 软件采用C/C++语言编写，从而大大提高了对计算机内存的利用率。25)在CFD 软件中，fluent软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。fluent的 软件设计基于“CFD计算机软件群的概念”，针对每一种流动的物理问题的特点， 采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。由于 囊括了FluentDynamicalInternational比利时PolyFlow和FluentDynamical International(FDI)的全部技术力量(前者是公认的在黏弹性和聚合物流动模拟 方面占领先地位的公司，后者是基于有限元方法CFD软件方面领先的公司)， 因此fluent具有以上软件的许多优点。fluent软件具有适用面广、高效省时、污 染物生成等优点。

本实施例中，带式焙烧机三维模型是应用gambit软件建立的，建立带式焙 烧机的三维模型时，还需要对建立的模型进行网格划分，使得单个网格体积在 10^-6～10^-3m³之间。gambit软件具有以下特点：

1)ACIS内核基础上的全面三维几何建模能力，通过多种方式直接建立点、 线、面、体，而且具有强大的布尔运算能力，ACIS内核已提高为ACISR12。 该功能大大领先于其它CAE软件的前处理器；2)可对自动生成的Journal文件 进行编辑，以自动控制修改或生成新几何与网格；3)可以导入PRO/E、UG、 CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN等大多数CAD/CAE软件所建立的 几何和网格。导入过程新增自动公差修补几何功能，以保证gambit与CAD软件 接口的稳定性和保真性，使得几何质量高，并大大减轻工程师的工作量；4)新 增PRO/E、CATIA等直接接口，使得导入过程更加直接和方便；5)强大的几 何修正功能，在导入几何时会自动合并重合的点、线、面；新增几何修正工具 条，在消除短边、缝合缺口、修补尖角、去除小面、去除单独辅助线和修补倒 角时更加快速、自动、灵活，而且准确保证几何体的精度；6)G/TURBO模块 可以准确而高效的生成旋转机械中的各种风扇以及转子、定子等的几何模型和 计算网格；7)强大的网格划分能力，可以划分包括边界层等CFD特殊要求的 高质量网格。gambit中专用的网格划分算法可以保证在复杂的几何区域内直接 划分出高质量的四面体、六面体网格或混合网格；8)先进的六面体核心 (HEXCORE)技术是gambit所独有的，集成了笛卡尔网格和非结构网格的优 点，使用该技术划分网格时更加容易，而且大大节省网格数量、提高网格质量； 9)居于行业领先地位的尺寸函数(sizefunction)功能可使用户能自主控制网格 的生成过程以及在空间上的分布规律，使得网格的过渡与分布更加合理，最大 限度地满足CFD分析的需要；10)gambit可高度智能化地选择网格划分方法， 可对极其复杂的几何区域划分出与相邻区域网格连续的完全非结构化的混合网 格；11)新版本中增加了新的附面层网格生成器，可以方便地生成高质量的附 面层网格；12)可为FLUENT、POLYFLOW、FIDAP、ANSYS等解算器生成 和导出所需要的网格和格式。

本实施例中，应用fluent软件对带式焙烧机模型进行模拟计算时，模型输入 参数包括带式焙烧机冷却段各风箱温度，带式焙烧机冷却段各风箱风量，带式 焙烧机预热段和焙烧段各烧嘴温度，带式焙烧机预热段和均热段助燃气温度， 带式焙烧机预热段和均热段助燃气流量，带式焙烧机预热段、焙烧段和均热段 各风箱的出口压力；应用fluent软件对带式焙烧机模型进行模拟计算时，需要进 行设置的参数包括能量、粘度模型参数、燃烧反应参数和收敛条件参数；对模 拟计算的结果进行后处理分析的方法为：建立多个点、线、面，对带式焙烧机 内的温度场和流场进行综合分析，根据球团矿的焙烧质量，得到优化后的带式 焙烧机热工制度。

步骤3：对模拟计算的结果进行后处理分析；

步骤4：根据后处理分析的结果，对带式焙烧机热工制度进行优化。

参见附图3，本发明提供的优化带式焙烧机热工制度的方法中，三维模型包 括台车10、多个篦条、烟罩8、预热段1、焙烧段2、均热段3、冷却段4、挡 板7、环管5、烧嘴6、多个风箱9，多个篦条设置在台车10上，各篦条之间具 有空隙，预热段1、焙烧段2、均热段3、冷却段4依次设置，挡板7设置在焙 烧段2和均热段3之间，使得预热段1和焙烧段2形成相对独立的燃烧室，烟 罩8设置在预热段1、焙烧段2、均热段3、冷却段4的上方，预热段1和焙烧 段2与设置于其上方的烟罩8通过环管5连接，环管5的管径较小，结构上能 够也能够增大热烟气的行程，因此，能够延长热烟气在预热段1和焙烧段2的 运行时间，从而，延长热烟气与煤气燃烧产生的热量进行换热的时间，使得热 烟气能够达到其在到达各段时需要的温度。烧嘴6设置在环管5上。预热段1、 焙烧段2、均热段3底部具有负压，作为热烟气的出口。通过挡板7使绝大部分 经过冷却段料层而加热的空气不直接进入焙烧段2和预热段1而先通过上部烟 罩，这样主要是防止经过冷却段加热后的空气进入焙烧段，虽然空气被加热了， 但离焙烧所需的高温要求(1250℃)还有很大差距，使通过冷却段加热后的空 气通过上方烟罩而后进入环管可以和燃烧后的煤气换热升温，方可达到球团焙 烧所需温度。其中，挡板7与底部料层间的缝隙d为5～20cm，这个缝隙存在 主要是因为下方是料层，由于实际生产过程中，料层的厚度不是一成不变的， 存在缝隙就是为了万一生产需求，需要加大产量这样无疑就会增加料层厚度， 而这个缝隙则会响应减小。本实施例中，挡板7与底部料层间的缝隙d为10cm。 该10cm缝隙就是正常生产过程中料层与挡板间距，选择10cm就是从生产角度 和为了更好的加热制度(尽可能使冷却风从上方烟罩和燃气燃烧换热后再和球 团换热，因为煤气流量是可控的，这样可以更好的控制焙烧制度)相权衡而定 的。

带式焙烧机的具体工作过程如下：

带式焙烧机主要是用来生产球团矿的，球团矿是均匀的铺在台车上的，料 厚为400-500mm，所谓台车就类似于坦克车的履带，是首尾相连的，履带上有 金属篦条，篦条与篦条之间有空隙，篦条的作用是使台车上的球团不至于落入 下方风箱而又可以使风通过，具体台车位置、形状大致如附图3所示，台车速 度约为4m/min，球团与台车相对静止，速度方向为从预热段向焙烧段、均热段、 冷却段移动，预热段、焙烧段、均热段、冷却段都是相对于球团矿的加热、反 应过程而言的，经过冷却段的球团会从台车上落下进行下一步的工序，而与球 团分离后的台车则通过底部移至开始预热段之前继续进行布料，从而循环。

在带式焙烧及工作过程中，风的循环过程为：首先冷却风从冷却段风箱经 过，穿过台车上的篦条及篦条上边的球团加热后大多数进入烟罩而后通过环管 和烧嘴中燃烧的煤气混合后，进入预热段和焙烧段，预热段的混合气能使球团 逐步加热至900多度，焙烧段能使球团逐步加热至1200多度，预热段和焙烧段 的气体加热球团之后直接被下方的带负压的风箱抽走。球团经过焙烧段之后进 入均热段，球团在均热段一是和经过冷却段加热后的热空气接触，二是均热段 较短，球团不会停留很长时间，且没有燃气燃烧，温度变化不大，所以称为均 热段。球团经过均热段之后进入冷却段，冷却段下方风箱鼓风进来的空气温度 为常温，所以温度下降梯度较大，称之为冷却段，经过冷却段加热后的气体大 多数通过烟罩进入环管和燃烧的燃气混合后进入预热段和焙烧段，其他的部分 是直接和均热段的球团接触而后被均热段下方的风箱抽走，预热段、焙烧段和 均热段下方均是负压，挡板由于缝隙小，且均热段下方也是有负压的，所以只 会有很少气体从均热段通过挡板下方缝隙进入焙烧段。总的来说，对整个系统 而言，气体收入主要为冷却段鼓风，其次为燃气燃烧产生的烟气，输出为通过 预热段、焙烧段和均热段下方风箱排出。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基 本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要 求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发 明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及 其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。