第三章重點設(shè)備介紹 直接還原氣基 豎爐 流化床 反應(yīng)罐煤基 回轉(zhuǎn)窯 反應(yīng)罐 豎爐熔融還原還原單元 豎爐 流化床熔煉造氣單元 煤炭流化床 鐵浴爐 3 1還原豎爐 豎爐法目前占直接還原法的83 爐內(nèi)反應(yīng)過程與高爐間接還原帶相似 豎爐內(nèi)分為預(yù)熱帶 還原帶 過渡帶及冷卻帶 3 1 1爐料運動 爐料順行的條件 有效重力F 0 根據(jù)Janssen公式 式中 D 豎爐直徑 m M 爐料堆比重 kg m3 f 爐料與爐墻摩擦系數(shù) n 側(cè)壓系數(shù) 高爐中 P Z M 即F 0 下料不順 豎爐中 P Z較小 2Pa m3 M較大 2000Pa m3 豎爐不會因為煤氣浮力引起懸料 豎爐懸料的原因 球團體積膨脹而發(fā)生側(cè)壓系數(shù)n增大 礦石相互粘結(jié)或與爐墻粘結(jié)而引起摩擦系數(shù)增大 豎爐利用系數(shù) 式中 包括預(yù)熱 還原 過渡及冷卻各段總的停留時間 h Fev 爐料容積含鐵量 Fep 產(chǎn)品含鐵量 3 1 2傳熱過程 豎爐內(nèi)爐料 氣流間的傳熱過程決定了預(yù)熱爐料及冷卻爐料需要的時間 預(yù)熱帶主要進行氣 固相的熱交換過程 對于料柱中一微元段dZ 由熱平衡有 爐料 煤氣 式中 Gs Gg 爐料及煤氣流通量 kg m2 氣 固相間傳熱系數(shù) A 單位體積爐料表面積 m2 由 1 得 由 2 得 兩式相等得 即 積分得 3 由邊界條件 ts tso時 tg tg 代入上式得 代入 3 得 4 又由 1 2 得 兩式相減得 積分得 5 邊界條件 Z 0時 ts tso tg tg 代入 5 得 代入 5 得 6 聯(lián)立 4 6 得 一般情況下 tso 0 則 而 由上兩式可求爐內(nèi)溫度分布 此外可求出預(yù)熱帶高度 如 定義預(yù)熱帶結(jié)束的標(biāo)志為tg ts 10 則 冷卻帶的傳熱過程與預(yù)熱帶類似 冷卻帶中易發(fā)生析碳反應(yīng) 2CO C CO2 后果 析碳過多 阻礙氣流 降低冷卻作用 原因 冷卻帶處于CO分解反應(yīng)易發(fā)生溫度區(qū) 新還原的金屬鐵具有析碳反應(yīng)的觸媒效應(yīng) 措施 保證一定的冷卻煤氣氧化度 3 1 3還原過程 1 豎爐還原數(shù)學(xué)模型簡化的一步未反應(yīng)核模型的導(dǎo)出式 而 由物料平衡 由熱平衡得 聯(lián)立以上方程式即為移動床還原過程完整的數(shù)學(xué)模型的微分方程組 可用于描述穩(wěn)態(tài)條件下的豎爐還原過程 邊界條件 氣體出口處 Z 0 R 0 氣體入口處 Z Zi tg tgi CA CAi P Pi 2 豎爐中礦石還原過程的特點 主要特點在于移動床反應(yīng)器內(nèi)存在兩種影響礦石還原過程的因素 即床層中還原氣體的濃度場和爐料與煤氣的溫度場 1 濃度場派生效應(yīng) 床層中煤氣有效成分的濃度與還原進程的關(guān)系 礦石還原度 還原性氣體濃度 還原反應(yīng)推動力 CA CB Ke 阻礙礦石還原度 反之亦然 結(jié)果 減弱操作參數(shù) 礦石粒度 礦石還原性 還原氣體入爐成分等 對礦石還原程度的影響 2 溫度場派生效應(yīng) 任何影響反應(yīng)床溫度分布的因素都會對還原過程產(chǎn)生顯著的影響 反之 礦石還原度的變化對床層溫度場也有一定的影響 即溫度場變化對礦石還原有 反饋 作用 如 煤氣H2 H2 CO對還原過程的影響 H2多 礦石還原度的 使床層溫度 阻礙還原CO多 礦石還原度的 使床層溫度 促進還原即溫度場的變化可對鐵礦石的還原過程產(chǎn)生一種反饋作用 作用的效果由煤氣中H2和CO相對含量所決定 3 最佳煤氣H2 H2 CO 動力學(xué) H2 反應(yīng)速率常數(shù)和擴散系數(shù) 還原速度顯著 溫度場效應(yīng) H2 溫度 還原速度 最佳煤氣成分 礦石還原度在某一煤氣成分 H2 H2 CO 下達到最大值 它與移動床溫度條件 即操作條件和礦石的特性參數(shù)有關(guān) 數(shù)模計算結(jié)果 H2 H2 CO 0 3實際生產(chǎn) H2 H2 CO 0 5 H2 CO 0 75 應(yīng)舍棄追求使用高H2煤氣的觀點 4 反應(yīng)空區(qū) 還原反應(yīng)停滯的反應(yīng)空間 特點 Fe2O3 Fe3O4的還原過程已全部結(jié)束 而Fe3O4 FexO的還原仍沒有發(fā)生 此時礦石還原度為0 111 床層溫度較低 氣相濃度較小就易發(fā)生 5 影響豎爐生產(chǎn)率的操作因素操作因素 還原速度 生產(chǎn)率溫度 提高入爐煤氣溫度 有利于提高生產(chǎn)率 煤氣流量 流量 氣固比 爐內(nèi)平均溫度 推動力 CA CB Ke 促進還原 但利用率 礦石入爐粒度 縮小礦石粒度能提高礦石還原速度 但實際效果不明顯 礦石粒度減小同時有利于傳熱和冷卻 從而提高生產(chǎn)率 但需滿足爐料透氣性的限制 爐料運動 順行條件 懸料原因 傳熱過程 還原劑 爐料溫度分布 預(yù)熱帶長度計算 還原過程 濃度場派生效應(yīng) 溫度場派生效應(yīng) 最佳煤氣H2 H2 CO 反應(yīng)空區(qū) 影響豎爐生產(chǎn)率的操作因素 3 1還原豎爐學(xué)習(xí)重點 3 2回轉(zhuǎn)窯 3 2 1回轉(zhuǎn)窯法煉鐵過程最重要的固體還原劑直接還原工藝 按不同作業(yè)溫度可生產(chǎn)海綿鐵 粒鐵及液態(tài)生鐵 其中低溫作業(yè)的回轉(zhuǎn)窯海綿鐵法最有意義 原料 細粒煤 0 3mm 脫硫劑 0 3mm石灰石 白云石 塊鐵礦 5 20mm 爐體稍有傾斜 4 轉(zhuǎn)速4r m 窯頭外側(cè)有燒嘴燃燒燃料 煤粉 煤氣或然油 廢氣爐尾排出 爐氣與爐料逆向運動 爐料在預(yù)熱段加熱 蒸發(fā)水分及分解石灰石 在800 以后 再進行固體碳還原 放出CO再氧化區(qū)被氧化 提供熱量 爐身橫斷面有 氧化區(qū) 中性區(qū) 還原區(qū) 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進行的反應(yīng)過程可按爐料運動 傳熱 還原反應(yīng)及雜質(zhì)氣化分解 3 2 2爐料運動 1 爐料運動方式滑落 如果爐料與爐襯之間摩擦力太小 不足以帶動爐料 則爐料不斷產(chǎn)生上移和滑落而且爐料顆粒不混合 爐料與氣流的傳熱現(xiàn)象處于近似停滯狀態(tài) 塌落 爐料與爐襯間有足夠的摩擦力 但窯的轉(zhuǎn)速很小時 則爐料反復(fù)被帶起 達到一定高度而蹋落 滾落 當(dāng)窯體轉(zhuǎn)速加快時 則爐料由塌落進入滾動落下的狀態(tài) 這是回轉(zhuǎn)窯爐料的正常運動狀態(tài) 瀑布型落下 進一步加快轉(zhuǎn)速 帶動的爐科則離開料層放落形成瀑布狀落下 離心轉(zhuǎn)動 轉(zhuǎn)速太快 則爐料隨窯壁離心轉(zhuǎn)動而不落下 這是不允許在回轉(zhuǎn)窯中產(chǎn)生的現(xiàn)象 正常情況下回轉(zhuǎn)窯處于塌落 滾落和瀑布型落下三種狀態(tài)中 2 爐料停留時間 由于回轉(zhuǎn)窯不斷轉(zhuǎn)動 有摩擦力 爐料不斷被推進 爐料軸心方向的推進速度為 s 式中 K 窯體轉(zhuǎn)動一周帶爐料下落的次數(shù) N 窯體轉(zhuǎn)速 r min S 爐料被帶起一次所推進的距離 m 則爐料停留時間為 式中 L 窯體長度 m 一般可用經(jīng)驗公式確定爐料在回轉(zhuǎn)窯中的停留時間 對于粉料 式中 爐料堆角 P 窯體斜度 rad D 窯徑 對于顆粒爐料和球團礦 式中 堆角增量 R 窯半徑 m g 重力加速度 回轉(zhuǎn)窯的利用系數(shù)式中 填充率 總的停留時間 s 3 傳熱過程 爐料必須加熱到800 才能開始金屬鐵的還原 預(yù)熱段占回轉(zhuǎn)窯長度40 實際回轉(zhuǎn)窯內(nèi) 氣流 爐料呈逆流運動 可有五種傳熱途徑 令回轉(zhuǎn)窯內(nèi)預(yù)熱段爐料吸收熱量為Q 解出 當(dāng)入窯爐料溫度tso 0時 有 預(yù)熱段爐料溫度按升高至800 預(yù)熱段長度為 減小預(yù)熱段長度的分析 增大加熱面積 減小爐料填充率 一般填充率 20 如過小 則還原條件變壞 所以擴大加熱面積作用有限 增加傳熱系數(shù) 傳熱方式為對流 70 和輻射 25 操作溫度受限制 氣流速度不能過大 所以提高傳熱系數(shù)可能性不大 提高尾氣溫度 有效尾氣溫度不能小于500 一般多控制在600 800 熱效率降低 廢氣熱能利用 3 2 4回轉(zhuǎn)窯還原過程 1 數(shù)學(xué)模型還原段的數(shù)學(xué)模型應(yīng)結(jié)合固體碳還原速率方程 回轉(zhuǎn)窯還原段中可認(rèn)為CO 100 Kb 或 回轉(zhuǎn)窯操作溫度 900 1000 下 礦石的還原速度很快 上式中前項的值大大高于后項之值 因此碳的氣化反應(yīng)是回轉(zhuǎn)窯中還原過程的限制環(huán)節(jié) 2 影響還原的因素 碳的反應(yīng)性 Rb 影響重大 配碳量 Mc 還原速度 常配加過剩碳量 為理論值的100 200 溫度 T 促進還原 對氣化尤為明顯 受限于灰分熔點及礦石的軟化點 使窯內(nèi)溫度有控制地達到最高極限是重要的操作原則 填充率 填充率 礦石氧化程度 有利于礦石還原 受限于傳熱 觸媒效應(yīng) Li Na K改善接觸條件 3 2 5硫及有害雜質(zhì)的去除 脫硫 燃料及礦石中硫 氣流 回轉(zhuǎn)窯氣流中H2少 氣態(tài)硫以COS為主 COS可被CaO和Fe吸收 CaO更易吸收 故CaO多 氣化脫硫率也愈低 回轉(zhuǎn)窯中CaS脫硫機理 脫硫劑 白云石不利影響 減少硫的揮發(fā)率 增加燃料消耗 同時增加入爐流量 降低爐料含鐵量 降低生產(chǎn)率 其它氣化溫度低的雜質(zhì)氣化