TWI688659B

TWI688659B - 燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測裝置及量測方法

Info

Publication number: TWI688659B
Application number: TW106128520A
Authority: TW
Inventors: 蕭嘉賢; 黃聰彥; 劉世賢; 謝嘉銘; 黃坤祥; 蘇松輝
Original assignee: 中國鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2020-03-21
Also published as: TW201912799A

Abstract

本發明係關於一種燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測裝置及量測方法。該燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測裝置包括一支撐架、至少一保護套筒及至少一風速計。該至少一保護套筒連接於該支撐架。該至少一風速計具有一感測器，該感測器設置於該至少一保護套筒內。

Description

燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測裝置及量測方法

本發明係關於一種漏風率量測裝置及量測方法，且更特定言之，係關於一種燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測裝置及量測方法。

習知燒結礦生產過程中，燒結製程抽風系統漏風一直是難以完全解決的問題之一，其漏風主要是指在抽風作用下空氣不通過燒結料面，而是通過各漏點進入燒結主排氣管道，使通過燒結料層之有效風量減少，降低燒結礦產量，影響燒結礦品質及浪費大量電能(燒結場五成以上電能耗費在大風車上)。

因此，若能即時監測燒結製程抽風系統之漏風變化狀況，將有助於維護人員適時採取有效措施進行維修及更換設備。根據製程實務經驗，每減少1%漏風量，每噸燒結礦電耗可降低約0.15kWh，故國內外燒結場對於降低燒結漏風率仍持續研究改善中。目前國外(如日本、德國、韓國等)先進鋼廠之燒結製程抽風系統漏風率約為30-35%；而中國大陸方面，寳鋼約為40%，鞍鋼、武鋼及首鋼約為45-50%，其他鋼廠約在50-60%。

習知燒結製程抽風系統之漏風率的量測方法如下列先前技術分析：

1.平衡計算法

此方法是取所測部位前後測點煙氣成份分析結果，進行漏風率計算。根據煙氣中不同成份濃度的變化，找出前後風量的比值和成份濃度變化的關係，間接求出漏風率。

缺點：目前仍存在有氣體同步採樣工作量大、量測過程時間長、操作複雜、每個風箱測定結果絕對誤差很大、氣體分析量較大、無法確定具體的漏風位置等問題。雖然此法較廣泛地被使用中，但氣體分析法因量測元件易受燒結廢氣中的酸性氣體腐蝕，不適合用於長期連續偵測。

2.熱量法

此方法是假設存在某一系統，進入該系統的氣體熱量等於離開該系統的廢氣熱量加上系統熱損失和熱儲存的變化量。而且須於正常穩定操作條件下，假設熱儲存的變化量為零以及熱損失不變情況下來建立熱平衡式，最後透過量測溫度來求得漏風率。

缺點：此方法所用數據太過主觀，且準確度差，易受不確定因素影響，故此方法僅具理論指導意義。

3.密封法

此方法是將台車蓖條間隙密封，開動抽風機調節各風箱閘板達到生產時的負壓，將風機所抽風量視為漏風量，漏風量與總廢氣量之比即為漏風率。

缺點：此方法在生產中不易實施，須停機操作，影響正常生產。且此方法並未計算台車壁面縫隙與料面裂紋的漏風情況，導致於現場使用時準確性差。

基於上述分析，有必要提供一創新且具進步性之燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測裝置及量測方法，以解決上述習知缺失。

在一實施例中，一種燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測裝置包括一支撐架、至少一保護套筒及至少一風速計。該至少一保護套筒連接於該支撐架。該至少一風速計具有一感測器，該感測器設置於該至少一保護套筒內。

在一實施例中，一種燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法包括以下步驟：提供一燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測裝置，該燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測裝置包括一支撐架、複數個保護套筒及複數個風速計，該等保護套筒間隔連接於該支撐架，各該風速計具有一感測器，各該感測器分別設置於各該保護套筒內；將該支撐架橫跨於一燒結床料面；利用該等風速計量測該燒結床料面之複數個位置點的風速值；依據該等位置點的風速值計算燒結料面平均有效風速；利用燒結床面積及燒結料面平均有效風速計算燒結料面平均有效進風量；以及利用燒結料面平均有效進風量計算出漏風率。

50:燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測裝置

51:支撐架

52:保護套筒

53:風速計

53S:感測器

54:連接件

Ad:保護套筒的軸向

D:保護套筒的內徑

k:濕料比率

L:感測器的長度

Ld:感測器的長度方向

L1:支撐架的長度

M:點火罩

S:燒結床料面

S31~S36:步驟

SG-1~SG-6:燒結佈料閥

W:燒結床料面的寬度

WB-3~WB-16:風箱

圖1顯示本發明燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測裝置之結構示意圖。

圖2顯示本發明風速計與保護套筒之配置示意圖。

圖3顯示本發明燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法之流程圖。

圖4顯示本發明燒結床料面有效風量之量測示意圖。

圖5顯示本發明燒結反應示意圖。

圖6顯示本發明單支風速計之測試結果。

圖7顯示本發明距離料面高度對風速計的量測影響結果。

圖8顯示本發明手持式風速計(貼近料面)與線上風速計(非貼近料面)之量測結果比較圖。

圖9顯示本發明燒結製程抽風系統漏風率與濕料比例(k)的關係圖。

圖10顯示本發明燒結製程抽風系統漏風率計算結果。

圖11顯示本發明燒結製程抽風系統線上漏風率量測系統介面。

圖式及本文中使用共同的參考編號來指示相同或類似組件。本發明由以下詳細描述結合隨附圖式而更為清楚。

參閱圖1，其係顯示本發明燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測裝置之結構示意圖。本發明之燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測裝置50包括一支撐架51、至少一保護套筒52及至少一風速計53。

在本實施態樣中，該支撐架51係為可移動式支撐架。在一或多個實施態樣中，該支撐架51係可為固定式支撐架。

該至少一保護套筒52連接於該支撐架51。在本實施態樣中，該至少一保護套筒52係藉由一連接件54連接於該支撐架51。此外，該至少一保護套筒52係為彈性保護套筒，以產生防撞效果。

該至少一風速計53具有一感測器53S，該感測器53S設置於該至少一保護套筒52內，而該至少一風速計53之一端係連接該支撐架51。在本實施態樣中，該至少一風速計53係為熱線式風速計，該熱線式風速計係以電流加熱金屬絲、流動空氣散熱、利用散熱速率和風速平方根成線性關係及透過電子線路線性化轉為風速讀數。此外，該熱線式風速計具有0℃至60℃之溫度補償範圍。

圖2顯示本發明風速計與保護套筒之配置示意圖。配合參閱圖1及圖2，為提高該至少一風速計53之感測器53S所測得之風速值的精確度，在本實施態樣中，該感測器53S的長度L係小於該至少一保護套筒52的內徑D，且該感測器53S的長度方向Ld係垂直於該至少一保護套筒52的軸向Ad。

圖3顯示本發明燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法之流程圖。配合參閱圖3之步驟S31及圖1，提供一燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測裝置50，該燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測裝置50包括一支撐架51、複數個保護套筒52及複數個風速計53。在本實施態樣中，該支撐架51係為可移動式支撐架。

該等保護套筒52間隔連接於該支撐架51，且較佳地，各該保護套筒52係藉由一連接件54連接於該支撐架51。此外，該等保護套筒52係為彈性保護套筒，以產生防撞效果。

各該風速計53具有一感測器53S，各該感測器53S分別設置於各該保護套筒52內，而各該風速計53之一端係連接該支撐架51。在本實施態樣中，該等風速計53係為熱線式風速計，該熱線式風速計係以電流加熱金屬絲、流動空氣散熱、利用散熱速率和風速平方根成線性關係及透過電子線路線性化轉為風速讀數。此外，該熱線式風速計具有0℃至60℃之溫度補償範圍。

再參閱圖1及圖2，為提高各該風速計53之各該感測器53S所測得之風速值的精確度，在本實施態樣中，各該感測器53S的長度L係小於各該保護套筒52的內徑D，且各該感測器53S的長度方向Ld係垂直於各該保護套筒52的軸向Ad。

圖4顯示本發明燒結床料面有效風量之量測示意圖。參閱圖3之步驟S32、圖1及圖4，將該支撐架51橫跨於一燒結床料面S。在此步驟中，該支撐架51的長度L1大於該燒結床料面S的寬度W。

參閱圖3之步驟S33及圖4，利用該等風速計53量測該燒結床料面S之複數個位置點的風速值。在此步驟中，該等風速計53係移動量測該等位置點的風速值，且該等風速計53移動量測過程中係依序對應不同號碼之風箱(WB-3~WB-16)，以取得複數個風箱方位料面上之風速值。此外，該等風速計53分別對應一燒結佈料閥(SG-1~SG-6)。

在本實施態樣中，係以6支風速計53分別對齊第1-6號燒結佈料閥(SG-1~SG-6)橫向方位，全面量測點火罩M後之第3-16號風箱(WB-3~WB-16)縱向方位，以達成掃描該燒結床料面S有效風速之目的。

參閱圖3之步驟S34，依據該等位置點的風速值計算燒結料面平均有效風速。在此步驟中，所述燒結料面平均有效風速係為該等位置點的風速值之平均值。

參閱圖3之步驟S35，利用燒結床面積及燒結料面平均有效風速計算燒結料面平均有效進風量。在此步驟中，所述燒結料面平均有效進風量係為燒結床面積與燒結料面平均有效風速的乘積。

參閱圖3之步驟S36及圖4，利用燒結料面平均有效進風量計算出漏風率。在此步驟中，漏風率計算方法如下：

(A)資料收集：收集(WB-3~WB-16)每個風箱方位料面上風速數據，共計14個風箱及84個位置點。

(B)質量平衡原理：燒結過程是透過抽風機將空氣抽入燒結料層，利用空氣中的氧氣與混合料中的碳燃燒，產生熱量使燒結物料內部發生物理化學反應，從而使混合料燒結成塊的過程。抽風機抽入大煙道內的總風量(V_總)是由三部分組成的：(1)進入燒結料層的有效風量(V_進)；(2)燒結系統的有害漏風量(V_漏)；(3)燒結過程中之料層物理化學反應所額外增加的氣體量(V_額)。該額外增加的氣體量就是混合料中的水分由液態變為氣態的水蒸氣的量，以及透過化學反應所產生氣體量與消耗氣體量間之差。由化學反應所消耗的是空氣中的O₂，所產生的是CO、CO₂和極少量的SO₂等氣體。而燒結過程中主要發生如下氣體反應：C+O₂=CO₂

2C+O₂=2CO

C+CO₂=2CO

S+O₂=SO₂

從以上反應式中可看出，生成1莫耳的CO₂和1莫耳的SO₂各須消耗1莫耳的O₂；而生成1莫耳的CO則須消耗1/2莫耳的O₂。由於在相同壓力和溫度條件下，氣體質量與體積成正比，亦即通過化學反應所額外增加的氣體體積為大煙道中廢氣中CO體積的1/2，即V_額=1/2 V_CO+V_H2O(氣)。但透過對煙氣成份的檢測，發現CO在煙氣中的體積含量約在0.16%-0.32%，因此通過化學反應所額外增加氣體量約佔煙氣體積的0.08%-0.16%，含量非常少，故此部分氣體量可忽略不計。但混合料中的水分變為水蒸氣的體積約佔煙氣體積的10%左右，此部分的氣體量較大，則不能忽略，即V_額=V_H2O(氣)。

(C)水蒸氣量的估算：混合料中水分變成水蒸氣的量，係透過測定混合料的堆積密度和混合料顆粒間含水率來計算。本發明則考量實際燒結製程，認為混合料中顆粒間水分於100℃時，已可完全蒸發為水蒸氣，然而實際燒結過程的反應溫度則遠超過100℃，故混合料中顆粒內的結晶水比率應亦完全蒸發，因此本發明在此額外加入結晶水比率來估算較為完整的水蒸氣量，避免低估。而其單位時間內混合料中的含水量如下式(1)：

單位時間之標準狀態下水蒸氣的體積V_H2O,標為：

式(1)及式(2)中，n_H2O為單位時間內混合料中的含水量(單位：莫耳/s)，λ為混合料的堆積密度(單位：kg/m³)，α為混合料中的顆粒間含水率(單位：%)，β為混合料中的顆粒內結晶水比率(單位：%)，W為台車寬度(單位：m)，H為料層高度(單位：m)，v為台車移動速度(單位：m/s)。

參閱圖5，其係顯示本發明燒結反應示意圖。在本實施態樣中，本發明亦考量燒結製程實際運作情況，整個床體進行燒結反應時仍有部分混合料為濕料，如圖5所示，故假設整個床體的體積於進行料面風速量測時，仍有k%為濕料的情況下，其式(2)應修改如下式(3)：

(D)燒結系統漏風率計算：由於進入燒結料面的有效風與大煙道內的風所處的狀態不同，因此，在計算漏風率前，必須換算成同一標準狀態下進行比較計算。根據理想氣體公式PV=nRT可知，PV/T=nR是一個常數，則各部分標準狀態下風量計算式如下：

(i)標準狀態下燒結料面平均有效進風量V_進,標：

式(4)中V_進為操作時燒結料面平均有效進風量(單位：m³/s)，P₁為操作時大氣壓力(單位：Pa)，T₁為操作時大氣溫度(單位：K)，T_標為標準狀態下大氣溫度(單位：K)，P_標為標準狀態下大氣壓力(單位：Pa)。

(ii)標準狀態下大煙道內總風量V_總,標：

式中V_總為操作時大煙道內總風量(單位：m³/s)，P₂為操作時大煙道內壓力(單位：Pa)，T₂為操作時大煙道內溫度(單位：K)，T_標為標準狀態下大氣溫度(單位：K)，P_標為標準狀態下大氣壓力(單位：Pa)。

(iii)漏風率SLR：

式(6)中V_總,標為標準狀態下大煙道內總風量，V_進,標為標準狀態下燒結料面平均有效進風量，V_H2O,標為單位時間之標準狀態下水蒸氣的體積。

茲以下列實例予以詳細說明本發明，唯並不意謂本發明僅侷限於此等實例所揭示之內容。

[單支風速計測試結果]

圖6顯示本發明單支風速計之測試結果。配合參閱圖4及圖6，首先以單支的熱線式風速計固定於燒結機天橋上，於第10號風箱(Windbox-10,WB-10)位置離燒結料面約5公分處，對準第6燒結佈料閥(Subgate-6，SG-6)進行料面風速量測。測試過程分兩階段，第一階段為正常操作下所進行的測量，結果如圖6中較穩定的曲線，其風速值約介於0.2-0.3m/s內。第二階段則是以暫時關閉第6燒結佈料閥方式，塑造料面空缺和點火器不完全燃燒之條件後進行測量，結果如圖6中高低起伏震盪明顯的曲線，其風速值介於0.4-1.2m/s間，此乃由於燒結原料的不完全燃燒，生料熟料相混且料面不平整，空氣透過較為疏鬆且較不規律的床體，因而呈現料面風速的不穩定性。

由上述可知，本發明選用的熱線式風速計，其靈敏性與穩定性皆適合用於量測料面風速。此外，為了驗證此類風速計足夠承受燒結場高溫高粉塵的大氣環境，本發明係將此單支風速計置放於天橋上約四個月，發現其風速量測值穩定性與數據傳輸等皆不受影響，也顯示熱線式風速計具備足夠的耐候性。

[6支風速計測試結果]

(A)保護套與風速計距料面高度對量測結果的影響：

圖7顯示本發明距離料面高度對風速計的量測影響結果。配合參閱圖4及圖7，本發明以加裝保護套筒的風速計，沿著第3燒結佈料閥(SG-3)縱向由第3風箱(WB-3)料面量測至第16風箱(WB-16)料面，其測試結果如圖7所示。本發明之風速計的感測器經保護套筒包圍後，可不受外界環境氣流的影響，其測試結果顯示風速計距料面15公分內，對風速計的量測結果影響並不大。

參閱圖8，其係顯示本發明手持式風速計(貼近料面)與線上風速計(非貼近料面)之量測結果比較圖。圖8之量測結果相比較可發現，除了燒結料床頭尾兩端有較大差異外，在料床中段部分的誤差值應屬可接受範圍。此現象也應與燒結過程前期絕大部分仍為濕料及後期的燒結餅收縮現象的不規律性有關，且燒結床面中段位置具有與料面間距影響相對較小的穩定風速。

(B)線上風速計量測結果：

參閱如下表1，其係顯示本發明六支風速計掃描燒結床料面共84位置點的平均量測值及趨勢變化。由表1之每個風箱的平均風速可知燒結料床於頭尾兩端的有效風速較大，中段的平均風速相對較小，尤其在燒結料床的頭尾兩端可明顯察覺燒結機南北兩側靠近台車邊板附近的風速都較大，而此結果與印度Ranchi鋼廠的鋼鐵研究中心所發表之結果相符合。

[燒結機漏風率計算結果]

依照本發明漏風率計算方法可得到燒結料面平均有效風速為0.398m/s，換算為燒結料面平均有效進風量為451650m³/hr.。當時煙道內的平均溫度為142.5℃，平均風速為12.23m/s，煙道截面積為25.44m²，換算為煙道總風量為803609m³/hr.。在水蒸氣體積估算方面，根據當時的原料含水率(7.2%)、原料結晶水比率(7.97%)、生料堆積密度(1920kg/m³)、台車寬度(4.5m)、料床高度(0.7m)、台車速度(0.031m/s)、以及本發明假設混合料的濕料比例(k)等數據代入式(3)，可得水蒸氣體積與濕料比例(k)關係，再與煙道總風量、燒結料面平均有效進風量等代入式(6)，可得到燒結製程抽風系統漏風率與濕料比例(k)的關係。

圖9顯示本發明燒結製程抽風系統漏風率與濕料比例(k)的關係圖。圖10顯示本發明燒結製程抽風系統漏風率計算結果。配合參閱圖9及圖10，隨著濕料比率增加，漏風率會微幅增加(如圖9所示)，當濕料比例為50%時，其水蒸氣體積為65116m³/hr.，燒結製程抽風系統漏風率為38.8%，如圖10所示。

[線上漏風率量測系統建立]

參閱圖11，其係顯示本發明燒結製程抽風系統線上漏風率量測系統介面。本發明可透過人機介面撰寫，建立燒結製程抽風系統線上漏風率量測系統(如圖11所示)。然而，風速計所定置的位置，其有效風速量測仍可能受下方風箱漏風或佈料方案差異之影響，因此，本發明之即時修正參數，可透過定期線上掃描實測進行校正。

本發明之量測裝置可在同一時間獲得同一橫向位置的風速，且可降低料面氣流波動影響，增加量測準確度。本發明之量測方法可達到線上連續監測及操作簡便、迅速、準確之效果，且對於漏風率之計算亦考慮了實際燒結過程仍有部分混合料為濕料的情況，準確度大幅提升。

上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明，因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。

50‧‧‧燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測裝置

51‧‧‧支撐架

52‧‧‧保護套筒

53‧‧‧風速計

53S‧‧‧感測器

54‧‧‧連接件

Claims

一種燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法，包括以下步驟：(a)提供一燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測裝置，該燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測裝置包括一支撐架、複數個保護套筒及複數個風速計，該等保護套筒間隔連接於該支撐架，各該風速計之一端係連接該支撐架，各該風速計具有一感測器，各該感測器分別設置於各該保護套筒內；(b)將該支撐架橫跨於一燒結床料面；(c)利用該等風速計量測該燒結床料面之複數個位置點的風速值；(d)依據該等位置點的風速值計算燒結料面平均有效風速，所述燒結料面平均有效風速係為該等位置點的風速值之平均值；(e)利用燒結床面積及燒結料面平均有效風速計算燒結料面平均有效進風量；以及(f)利用燒結料面平均有效進風量計算出漏風率。
如請求項1之燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法，其中步驟(a)之該支撐架係為可移動式支撐架。
如請求項1之燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法，其中步驟(a)之各該保護套筒係藉由一連接件連接於該支撐架。
如請求項1之燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法，其中步驟(a)之該等保護套筒係為彈性保護套筒。
如請求項1之燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法，其中步驟(a)之各該感測器的長度係小於各該保護套筒的內徑。
如請求項1之燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法，其中步驟(a)之各該感測器的長度方向係垂直於各該保護套筒的軸向。
如請求項1之燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法，其中步驟(a)之該等風速計係為熱線式風速計。
如請求項7之燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法，其中該熱線式風速計係以電流加熱金屬絲、流動空氣散熱、利用散熱速率和風速平方根成線性關係及透過電子線路線性化轉為風速讀數。
如請求項7之燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法，其中該熱線式風速計具有0℃至60℃之溫度補償範圍。
如請求項1之燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法，其中步驟(b)之該支撐架的長度大於該燒結床料面的寬度。
如請求項1之燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法，其中步驟(c)之該等風速計分別對應一燒結佈料閥。
如請求項1之燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法，其中步驟(c)之該等風速計係移動量測該等位置點的風速值。
如請求項12之燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法，其中該等風速計移動量測過程中係依序對應不同號碼之風箱，以取得複數個風箱方位料面上之風速值。
如請求項1之燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法，其中步驟(f)之漏風率計算式如下：
式中SLR為漏風率，V_總,標為標準狀態下大煙道內總風量，V_進,標為標準狀態下燒結料面平均有效進風量，V_H2O,標為單位時間之標準狀態下水蒸氣的體積。
如請求項14之燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法，其中單位時間之標準狀態下水蒸氣的體積V_H2O,標之計算式如下：V_H2O,標=(100-k)×22.4×n_H2O
式中k為濕料比率，n_H2O為單位時間內混合料中的含水量(單位：莫耳/s)，λ為混合料的堆積密度(單位：kg/m³)，α為混合料中的顆粒間含水率(單位：%)，β為混合料中的顆粒內結晶水比率(單位：%)，W為台車寬度(單位：m)，H為料層高度(單位：m)，v為台車移動速度(單位：m/s)。
如請求項14之燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法，其中標準狀態下燒結料面平均有效進風量V_進,標之計算式如下：
式中V_進為操作時燒結料面平均有效進風量(單位：m³/s)，P₁為操作時大氣壓力(單位：Pa)，T₁為操作時大氣溫度(單位：K)，T_標為標準狀態下大氣溫度(單位：K)，P_標為標準狀態下大氣壓力(單位：Pa)。
如請求項14之燒結製程抽風系統之線上即時漏風率量測方法，其中標準狀態下大煙道內總風量V_總,標之計算式如下：
式(5)中V_總為操作時大煙道內總風量(單位：m³/s)，P₂為操作時大煙道內壓力(單位：Pa)，T₂為操作時大煙道內溫度(單位：K)，T_標為標準狀態下大氣溫度(單位：K)，P_標為標準狀態下大氣壓力(單位：Pa)。