第四章+钒钛磁铁矿直接还原工艺

14.1 回转窑还原工艺4.1.1 回转窑还原工艺流程回转窑是一个稍呈倾斜放置在几对支撑轮(托轮) 上的筒形高温反应器。作业时窑体按一定转速旋转，钒钛磁铁矿球团与还原煤(部分或全部) 从窑尾加料端连续加入，并加入脱硫剂控制产品含硫。随窑体转动，固体物料不断地翻滚，向窑头排料端移动。排料端设置主燃料烧嘴和还原煤喷入装置，提供工艺过程所需要的部分热量和还原剂。沿窑身长度方向装有若干供风管(或燃料烧嘴 )向窑中供风，燃烧煤释放的挥发分、还原反应产生 CO 和煤中的碳，用以补充工艺所需大部分热量和调节窑内温度分布。物料移动过程中，被逆向(或同向 )高温气流加热，进行物料的干燥、预热、碳酸盐分解、铁氧化物还原以及熔碳渗出反应。煤炭资源在世界能源分布中占很大比例，许多国家都在大力开发以煤为还原剂的固体还原剂法，这种方法的主导工艺是煤基回转窑直接还原法。褐煤是回转窑直接还原的较佳能源，攀枝花钒钛磁铁矿直接还原新流程以褐煤为能源，有利于回转窑顺行，强化及降低煤耗，并且原燃料均立足于西南地区，经济上也是合理的。其工艺流程如图 4-1 所示。图 4-1 回转窑还原工艺流程回转窑还原过程示意图如图 4-2 所示，2图 4-2 回转窑还原过程示意图钒钛磁铁矿以褐煤为能源回转窑直接还原除适应了焦煤资源日益匮乏的形势外，还具有如下优点：（1）回转窑具有较大的燃烧空间和热力场，可以供应足够的空气，是一个装备优良的燃料燃烧装置，能够保证燃烧的充分燃烧，可以为钒钛磁铁矿的还原提供必要的热量。另外，回转窑具有比较均匀的温度场，可以满足钒钛磁铁矿还原过程中各个阶段的换热要求。（2）以煤代焦，可以省去高炉流程的炼焦与烧结工序，不但缩短工艺流程，而且减少环境污染。（3）钒钛磁铁矿回转窑直接还原产品（海绵铁、金属化球团）在钢铁生产中主要作为废钢代用品，为电炉炼钢提高优质铁资源，满足电炉生产优质钢材的需要。回转窑直接还原产品海绵铁的粒度均匀，性能稳定，更有利于实现电炉进料操作自动化，缩短冶炼周期。（4）钒钛磁铁矿回转窑直接还原工艺与传统的高炉炼铁工艺比较，其设备简单，投资少，效益明显，适用于地方钢铁工业，弥补了高炉转炉生产工艺的不足。（5）回转窑工艺较适合于钒钛磁铁矿等复杂矿的冶炼，可实现冶金灰尘及各种工业废渣的回收利用。减少环境污染，降低了钢铁生产能耗。这些特点使得回转窑直接还原钒钛磁铁矿工艺具有迅速发展的可能。将“钒钛磁铁矿以煤为能源回转窑直接还原电炉熔分炼钢熔渣提取钒钛”是综合利用铁、钒、钛的新流程之一。西南地区丰富的水电资源与煤储量，为这一流程提供了足够的能源条件。4.1.2 回转窑还原工艺各工序描述细粒煤(03mm)作还原剂，03mm 的石灰石或白云石作脱硫剂，以及经过链篦机干燥预热的钒钛磁铁矿球团组成的炉料由窑尾加入，因窑体稍有倾斜(4%斜度) ，在窑体以34rpm 左右速度转动时，炉料被推向窑头行进。窑头外侧有烧嘴燃烧燃料，燃烧废气则向窑尾排出，炉气与炉料逆向运动，炉料在预热段加热，蒸发水分及分解石灰石，达到 800的温度后，在料层内进行固体碳还原。具体过程为：（1）配料 球团的配料包括四个部分：钒钛磁铁矿粉、煤粉、添加剂和粘结剂。钒钛磁铁矿粉是配料的主要部分，约占 75%85% 。煤粉是还原剂，在配料中占 15%25，将金属铁还原出来。粘结剂帮助成球，使生球强度能够满足生产工艺要求，在配料中加入 1%2。添加剂可缩短还原周期和提高金属化率。（2）混料 混料工段包括混合和加水，其目的是使钒钛磁铁矿粉、煤粉、添加剂和粘结剂充分混匀，并添加适当的水。混合料的水分含量适度，是保证产品质量的关键。混合不匀，直接关系产品的收得率；加水是否合适，直接影响压球机的正常作业和生球强度，所以混料工作十分重要。在通常情况下，混合料的水分以 7%8为宜。混合料堆比重一般在（1.21.6）g/cm 3 之间。（3）压球 含碳球团的成型方法有两种。1）滚球法：将磨细的铁矿粉、煤粉和粘结剂按照一定的比例配好，混匀后在圆盘或圆筒造球机中滚动成球。滚动成球的基理是靠微细颗粒间水的毛细管作用力和分子间的引力。此工艺适用于外配碳球团还原法。2）压球法：工业中多采用对辊压球机，少数采用冲压机。压球的优点在于对原料的粒度要求不太严格，且可以根据工艺的要求压成各种形状的球（或块） ，如圆形、枕头形、椭圆型、水滴型、菱形等。此工艺适用于内配碳球团还原法。抗压强度、落下强度是生球的强度指标，要求单球平均抗压强度在 1kg 以上，平均落下强度应在 3 次以上。（4）球团的干燥与预热 钒钛磁铁矿生球水分含量高，直接入窑还原会因水分剧烈汽化而致生球爆裂，同时大量吸收窑内热量使热耗增加。通过干燥和预热可以使球团安全的承受预热阶段的温度应力，还可以提高生球的强度，提高设备的生产率。链篦机是对生球进行干燥和预热的设备，一般安装在衬有耐火砖的室内，分为干燥室和预热室两部分，篦条下面有风箱，生球经多辊布料器布在链篦机上，随同篦条向前移动。在干燥室，生球被从预热室抽过来的 250450的废气干燥，然后进入预热室，被从回转窑出来的 10001100氧化性废气加热，发生部分氧化和再结晶。通过干燥和预热，钒钛磁铁矿球团强度大大增加（可达 15 公斤/个球以上） ，窑内球团粉化率大幅降低。同时，钒钛磁铁矿焙烧后预热球的 Fe2O3 含量增加，有害杂质 S 等得到部分去除，为回转窑的还原提供有利条件。（5）回转窑直接还原的过程 回转窑还原过程主要包括以下几个方面： 41）窑内炉料运动窑体旋转很慢，由钒钛磁铁矿球团，细粒煤以及脱硫剂组成的物料，在摩擦力作用被窑体带起，超过物料运动角后，在重力作用下，自堆尖滚落到底脚，因窑体倾斜，物料也前移一小段距离。同一回转窑内，物料在窑内的停留时间与填充率成正比。提高填充率有利于物料加热和还原，提高单位窑容产量。近年来国外作业窑的填充率已提高到2025% 。2）窑内气体流动。还原性回转窑按气流与物料流向有逆流和顺流之分。目前多数直接还原回转窑均采用逆流窑。钒钛磁铁矿回转窑直接还原工艺中，褐煤分别从窑身加入和窑头喷入，前者需确定合适位置，后者需选择合适的喷吹参数。研究表明，当风速较小时，总煤量大部分靠近窑头，而风速较大则远离窑头；在风速相同条件下，细粒煤靠近窑头，粗粒煤远离窑头，前者在靠近窑头处燃烧及防止已还原球的再氧化均有好处，后者在窑内充分起还原剂作用，这种分布规律适合工艺需要。近年来，许多工艺都将部分高挥发分还原煤改从窑头排料端喷入，并在窑尾段设置埋入式送风管，从而使挥发分得以高温析出并在窑内充分燃烧，改善了窑内温度分布和能量利用，也提高了窑尾温度，物料的加热也得到了改善，提高了设备生产能力。3）窑内燃烧要提高回转窑生产率，除了提供充足的热量外，还应尽量扩大高温带长度。煤粉不仅有良好的反应性，也有高的燃烧性。由于窑内料层表面同二次风接触，褐煤燃烧性好，会使煤耗增大，钒钛磁铁矿球团得不到足够煤量的还原与保护，金属化率将会下降。由此可见，用褐煤还原钒钛磁铁矿球团时，提高料层填充率就十分重要。料层上部空间不含 O2 时，金属化率基本不受填充率影响 , 不管料层厚薄，金属化率都比较高。一旦料层上部空间有 O2 时，由于燃烧性好的作用，金属化率就会下降，含 O2 越多，下降越剧烈。若提高填充率就能抑制含 O2 气氛的不利影响。提高填充率对抑制褐煤燃烧性好的不良影响有积极作用，而控制一、二次风量和窑内空间氧化气氛，则可减少燃烧性所起作用的条件。4）窑内热交换回转窑内热气流以辐射和对流方式加热物料和窑衬，窑衬所得热量又通过辐射传给物料、以传导方式将热量传给与之接触的物料。5）窑内温度分布提高温度会促进窑内铁氧化物还原反应进行，但窑内最高作业温度的确定必须考虑到钒钛磁铁矿软化温度和还原褐煤灰分软熔特性。一般情况下，钒钛磁铁矿矿回转窑直接还5原的最高作业温度应低于原料软化温度和灰分软化温度 100150，选择最高操作温度为 10301050，同时为保证获得 85以上的金属化率，应保持 1000以上的高温区占窑长的一半左右。在允许温度下，扩大高温区长度有利于窑内钒钛磁铁矿的还原，可有效提高生产率。为此，还原回转窑采取了窑中供风或供燃料的手段，借助于改变供入空气量或燃料量，调节窑内可燃物的燃烧，以使温度分布更加理想。6）回转窑内的还原回转窑内的物料在热气流的加热下被干燥、预热并进行还原反应。还原性回转窑可分为预热带和还原带两部分。在预热带物料没有大量吸热的反应，水当量小，虽然热速度比较小，但物料温升却比较大。由于铁矿石与还原剂密切接触，还原反应约在 700开始。物料进入还原带后，还原反应大量进行，反应产生的 CO 从料层表面逸出，形成保护层，料层内有良好还原气氛。料层逸出气体与空气燃烧形成稳定的氧化或弱氧化气氛。因此回转窑还原有两种不同的气体。窑内还原反应分为二步：CO2 + C = 2CO （1）FnOm + mCO = nFe + mCO2 （2）气化反应在高炉冶炼过程是不希望的，而回转窑过程则是不可少的，进行得越快，越有利于窑内还原反应。在不致产生结圈的前提下，窑内维持较高的温度，不仅有利于燃烧反应快速进行，而且使其窑头喷入的粉煤，窑中加入煤的燃烧生成的 CO 浓度增加，气化反应得以顺利发展，有利于窑内钒钛磁铁矿的还原反应。由于气化属增压反应，窑内压力增加对反应不利，所以，当回转窑为了防止大量吸入冷空气而采用正压操作时，其正压值应当尽量的小，做到两兼顾。攀枝花钒钛磁铁矿由于共生有钒钛等元素，因而它的还原是一个复杂的过程。尤其在回转窑内，还原剂有气态的 CO，H 2(H2 主要来自煤挥发物和少量的水的反应产物) 以及固态的 C，而且 CO 的还原作用又受煤气化反应的制约，这就更增加了过程的复杂性。通过热力学和动力学的分析，在回转窑的特定条件下，C 的还原作用是较为次要的，所以有时为了对窑内铁氧化物的还原过程进行分析计算，将过程简化为还原剂主要是 CO 和 H2，而略去 C 在其中的直接还原作用。钒钛磁铁矿球团在回转窑中用煤粉还原的还原历程可以简6写为：7）回转窑脱硫入窑硫少量由铁矿石带入，大量(6090) 是还原剂和燃烧煤带入的。钒钛磁铁矿中硫主要呈 FeS2，FeS 和磁黄铁矿形态。矿石入窑后，随着温度升高，FeS2 开始分解(300600)， 900分解激烈进行。煤中硫的形态复杂，多为有机硫、硫化物(FeS 2，FeS，磁黄铁矿 )和硫酸盐(CaSO 4，Fe 2(S04)3)三种形态。由于加煤方法和条件不同，窑内行为也有差异。就多数煤粉来说，含硫多在 1.5以上。高硫煤粉的使用，有三种途径: 用碱性灰份褐煤控制海绵铁含 S 量；用酸性灰分褐煤配用碱性灰分煤粉控制海绵铁含硫量；酸性灰分褐煤加脱硫剂。通常认为还原钒钛磁铁矿时，回转窑用白云石或脱硫效果好，可使海绵铁含硫量0.07。试验证明，白云石焙烧后具有较高的强度，吸硫后的白云石易于和海绵铁分离，因此比容易粉化并粘附在海绵铁表面的石灰起到更好的脱硫效果。此外，回转窑脱硫效果与脱硫工艺也有一定的关系。8）结圈的防止钒钛磁铁矿回转窑直接还原的最大故障是在海绵铁生产中回转窑的结圈问题，一旦结圈，窑内物料运动、气流运动、热工制度、还原过程和各种反应均遭破坏，严重时将被迫停窑。分析结圈成团及结圈物的组成发现，炉衬上的粘结物主要是煤灰软熔或煤灰与还原过程铁氧化物粉末生成低熔点化合物所引起的。实际测温还发现，煤粉燃烧的火焰温度高于回转窑操作温度 70100，软熔点低的煤灰很可能就在这火焰温度下熔融，并粘结在煤灰所落下的炉衬或二次风管上。钒钛磁铁矿粉末与煤灰混合，其熔点比煤灰低 4080，因而在矿粉较多时，形成硅酸盐类型低熔点粘结物，是结圈的又一个重要原因。在钒钛磁铁矿回转窑直接还原工艺中，避免结圈的主要经验是操作温度低于煤灰软熔性温度，减少窑内炉料的粉化率。通常作业温度应低于原料和还原煤灰分软化温度100150，最高操作温度为 10301050。74.1.3 回转窑还原工艺主要参数（1）褐煤具有成煤年龄短，变质程度轻，挥发分含量高，灰分含量低等特点，使得褐煤的反应性优于无烟煤焦炭等，较适合于钒钛磁铁矿的回转窑直接还原，煤耗 1.87 吨/吨金属球（折合标准 1.24 吨/吨金属球） 。但随褐煤带入窑内的水分将对还原带来不利因素，当褐煤含水量超过一定限度（比如 20）时，须采取干燥措施。（2）用煤作还原剂，一次风与燃料比值应低一些，二次风要计量操作。在满足温度制度条件下，应尽可能减少风量。窑内含 O2 应控制在 25 以内。窑内填充率一般为517，适当提高填充率可抑制空间氧化气氛的不良作用，但会削弱窑内热传递。（3）钒钛磁铁矿回转窑直接还原用煤作还原剂，温度最高可达 1060，880以上高温段最大可占窑长 2/3，金属化率可达到 90左右，还原时间缩短。考虑到煤高的反应性，兼顾结圈及金属化率要求，最高操作温度选择 1050左右，金属化率可达 85以上。（4）钒钛磁铁矿金属球团的耐压强度值，不仅与球的直径大小、入窑的氧化球的质量有关，而且与操作制度亦有很大关系，在不同时期的取样，金属球团的耐压强度值有很大的变化。回转窑直接还原钒钛磁铁矿所得成品金属球团的耐压强度一般在 1020 公斤/球，最高 100 公斤/球以上。用白云石或石灰石细颗粒加入回转窑内进行脱硫，脱硫效率可达90以上，成品球含硫较低。（5）还原后的高温金属化球团可直接热装进入电炉进行熔化分离，通过控制电弧炉冶炼工艺，所得含钒生铁、熔分钛渣能实现良好分离，得到的熔分钛渣和生铁全部被下一道工序利用。复习思考题：1. 简述钒钛磁铁矿回转窑直接还原的优点？2. 简述钒钛磁铁矿回转窑直接还原工艺的流程？3. 简述钒钛磁铁矿球团在回转窑中用煤粉还原的还原历程？4. 回转窑直接还原的最大故障是什么？如何解决？84.2 竖炉还原工艺4.2.1 竖炉还原工艺流程钒钛磁铁矿竖炉直接还原的反应条件与高炉上部间接还原区相似，是一个不出现熔化现象的还原冶炼过程。但竖炉生产使用单一矿石料，没有造渣及熔化过程，还原气中 H2 含量高、N 2 含量低，入炉料与还原气分布较均匀。竖炉内固体炉料向下运动时与上升的还原气流间的传质（还原）与热交换，是一个接近理想状态的典型的气固相逆流反应过程。竖炉内分为预热带、还原带、过渡带及冷却带。预热带的任务是把钒钛磁铁矿炉料加热到还原需要的温度，还原带中要把钒钛磁铁矿还原到预定的还原度。过渡带的任务是用炉料把还原带内的还原气氛与冷却带内的弱氧化气氛分隔开。冷却带的任务则是把产品冷却到不在大气中氧化的温度，并进行海绵铁的补充还原和渗炭。应该指出的是，竖炉内各带之间，实际上没有明显的界限。竖炉具有占地少；设计简单，操作简单；单位炉容积的放热量高；热效率高，高达60%；开炉、停炉迅速；连续熔化；冶金控制性优异；熔化率可调节等优点。钒钛磁铁矿竖炉直接还原工艺流程如图 4-3 所示。图 4-3 竖 炉还原工艺流程9其中，竖炉还原过程如图 4-4 所示。4.2.2 竖炉还原工艺各工序描述（1）配料 球团的配料包括三个部分：钒钛磁铁矿粉、添加剂和粘结剂。钒钛磁铁矿粉为配料的主要部分。粘结剂帮助成球，使生球强度能够满足生产工艺要求，在配料中加入 1%2。添加剂可缩短还原周期和提高金属化率。（2）混料 混料工段包括混合和加水，其目的是使钒钛磁铁矿、煤粉、添加剂和粘结剂充分混匀，并添加适当的水。混合料的水分含量适度，是保证产品质量的关键。在通常情况下，混合料的水分以 7%8为宜。混合料堆比重一般在（1.21.6）g/cm 3 之间。图 4-4 竖炉还原过程示意图（3）压球 含碳球团的成型方法有两种。1）滚球法：将磨细的铁矿粉、煤粉和粘结剂按照一定的比例配好，混匀后在圆盘或圆10筒造球机中滚动成球。滚动成球的基理是靠微细颗粒间水的毛细管作用力和分子间的引力。此工艺适用于外配碳球团还原法。2）压球法：工业中多采用对辊压球机，少数采用冲压机。压球的优点在于对原料的粒度要求不太严格，且可以根据工艺的要求压成各种形状的球（或块） ，如圆形、枕头形、椭圆型、水滴型、菱形等。此工艺适用于内配碳球团还原法。单球平均抗压强度在 1kg 以上，平均落下强度应在 3 次以上。（4）干燥与预热 含水高的钒钛磁铁矿生球直接入窑会因水分剧烈汽化而致生球爆裂，同时大量吸收炉内热量使热耗增加。通过干燥可以使球团安全的承受预热阶段的温度应力，还可以提高生球的强度，提高设备的生产率。（5）竖炉内的还原过程 竖炉还原过程主要包括以下几个方面：1）炉料的下降炉料顺行，是竖炉还原的首要问题，竖炉内炉料下降的基本条件，是在炉内存在使其不不断下降的空间。炉料是否下降，取决于炉内各个水平方向的力学关系。促使炉料下降的因素是炉料重力，炉料自身重量比煤气通过料层的总压差越大，越有利炉料的下降；反之，则不利于炉料的下降。当炉料自身重量接近或等于煤气通过料层的总压差时，就会产生难行和悬料现象。对于攀枝花钒钛精矿球团，当炉内最高还原温度(炉壁电偶指示温度) 超过 1050时，排料口便发现有拳头大的葡萄状粘结块，随着还原温度的升高，粘结块增多。温度过高是导致结炉的内在因素。掌握适宜的还原温度，控制适宜的排料速度，是确保竖炉顺行的关键。此外，钒钛磁铁矿球团还原过程中的膨胀和粉化也会阻碍炉料的顺行。排料机及松动破碎机的运转，使料柱得以松动，因此，排料速度的控制，是控制竖炉内运动的主要手段，也是维持竖炉顺行的重要手段之一。严格控制炉内温度，保证排料机构正常作业，适当控制排料速度，可防止钒钛铁精矿球团的悬料和结炉，保证竖炉炉料的顺行。2）竖炉内的热交换竖炉炉料被加热到一定温度，钒钛磁铁矿球团开始还原。炉料升温越快，还原反应越迅速，则生产率越高。为此，应以最快的速度将炉料加热至高温。为了避免钒钛磁铁矿在还原过程中炉料高温软化粘结，入炉热还原气温度应低于 1100。竖炉生产时，还原气消耗量决定于热载体的供热需要量。为保证竖炉高生产率，煤气出口温度不应过低；但为了能较好的利用还原气的化学能及不使燃料消耗过分升高，还原气流量也不能过大。既要维持竖炉的高生产率，又不使还原气化学能利用太差及消耗量过大，可以调整还原气成分。11研究发现钒钛矿氧化球团在还原过程中 1100时会发生轻度粘结，1150即完全粘结。对于所用钒铁磁铁矿氧化球团，还原温度(风口带上部炉壁温度) 控制在 10501100是适宜的。当竖炉风口带最高温度在 1050以内时(此温度比炉内实际温度偏低，因热电偶仅达炉壁部位)，竖炉各部压力稳定、炉料顺行，下料口很少有粘结块增多，当排料发生故障或排料速度偏低时，便很容易结炉。3）钒钛磁铁矿的还原竖炉还原是一个固体炉料与气体还原剂逆向运动的移动床还原过程。竖炉内钒钛磁铁矿氧化球团的还原过程可简单表示如下： 赤铁矿：3Fe2O3 + CO =2Fe3O4 + CO2 （1）Fe3O4 + CO = 3FeO+ CO2 （2）FeO + CO = Fe + CO2 （3）铁板钛矿：Fe2O3· TiO2 + CO = 2FeO · TiO2+ CO2 （4）2FeO· TiO2 + CO = FeO·2TiO2 + Fe + CO2 （5）2( FeO· TiO2 ) + CO = FeO· 2TiO2 + Fe + CO2 （6）(以上反应式中，钛铁晶石及钛铁矿中均固溶有 MgO) 对于钒钛磁铁矿氧化球团，当自由的 FeO 还原终了时，金属化率可达到 77左右；当含镁钛铁晶石还原终了时金属化率可达到 90左右；而当含镁钛铁矿全部还原完毕时，金属化率则可达到 98。TiO 2 及 MgO 等含量成分，决定了钒钛磁铁矿还原时还原气温度和成分。4）析碳反应及渗碳析碳反应及其影响钒钛磁铁矿竖炉直接还原冶炼过程中，除还原反应外，还有析碳反应。反应方程式如下：2CO CO2 十 C （7）CH4 2H2 十 C （8）析碳使钒钛磁铁矿球团强度降低，主要是因为析出的碳黑将在球团孔隙内沉积和膨胀，产生内应力，降低球团的强度，致使球团破裂，甚至粉化，影响料柱透气性。另外，析碳还会降低炉衬寿命。12海绵铁渗碳及影响因素钒钛磁铁矿直接还原铁中的碳主要来源于 CO 分解析碳，其反应方程式如下：2CO CO2 + C （9）C + 3Fe Fe3C （10）3Fe + 2CO Fe3C + CO2 （11）提高还原温度，可改善渗碳扩散条件，加快渗碳反应速度，直接还原铁含碳量增加；反之，合碳量下降。5）还原过程中硫的行为钒钛磁铁矿在竖炉直接还原过程中，铁氧化物和生成的海绵铁都吸收还原气中的硫，并与之发生反应，这一反应影响直接还原产品的质量和产量。为生产低硫海绵铁，高硫还原气进入竖炉以前应预先脱硫，脱硫后还原气的含硫量要小于 0.03gm 3。6）海绵铁的冷却竖炉直接还原钒钛磁铁矿所得产品海绵铁，在竖炉冷却带与水冷壁为冷却气进行热交换而降至 50以下，方可排出竖炉。 “大循环”冷却方式，是由冷却带下部加入冷却气，并与还原气混合对海绵铁进行冷却。冷却气用量越大，海绵铁冷却效果越好，但竖炉实际还原气( 即反应气)成分越差。成都钢铁厂 5m3 竖炉直接还原攀枝花钒钛磁铁矿试验中，为解决这一矛盾，在冷却气中加入部分天然气，使 CO2 及 H2O 同 CH4 反应生成 CO 与 H2，此反应过程吸热，可增加冷却气的冷却效果，改善“反应气”的成分，但冷却气中加入多少天然气适宜，尚有待进一步摸索。7) 炉料在竖炉内停留的时间炉料在竖炉内停留的时间是通过排料速度控制的。钒钛磁铁矿球团在还原带停留时间增长，既增长了还原时间，对提高金属化率有利，球团在冷却带停留时间增长，有利于降低海绵铁出炉温度。但球团在竖炉停留时间增长，却导致竖炉有效容积利用率下降，生产成本增加，在操作上，既不利于控制炉风温度，也不利于炉料顺行。4.2.3 竖炉还原工艺主要参数(1) 较高的还原气温度，有利于钒钛铁磁矿的还原，但必须低于其荷重软化温度。钒钛矿氧化球团，对于所用钒铁磁铁矿氧化球团，还原温度( 风口带上部炉壁温度) 控制在10501100是适宜的。(2) 为稳定顶气加压机机前压力，保证炉顶除尘洗涤效果，竖炉还原钒钛磁铁矿时，炉顶实际压力一般为 0.170.20 公斤/厘米 2，竖炉风口带压力为 0.250.3 公斤。在保证球团顺行的条件下，较好的透气性有利于生产。(3) 钒钛铁磁矿竖炉直接还原气要求还原性成分（ H2+CO+CnHm）较高，通常 H2+CO13应90%；氧化性成分（H 2O+CO2）低，通常应满足 H2O+CO25%；惰性成分 N25%；还原气含硫低。根据竖炉工艺要求的不同，还原气压力有所不同。（4）钒钛磁铁矿竖炉直接还原后，海绵铁金属化率可达在 85以上，S 含量0.0O5，TFe67.2%，含 C 量1，堆比重为 2.02.6 吨/米 3，为下一步的冶炼提供了较好的原料。钒钛磁铁矿竖炉直接还原吨产品的热耗为 10.5GJ12.0GJ，折算煤气的消耗量为 8501100 米 3。复习思考题：1. 竖炉内分为几反应带？各反应带的主要任务是什么？2. 简述钒钛磁铁矿竖炉直接还原工艺的流程？3. 简述钒钛磁铁矿球团竖炉还原时发生的主要反应？4. 海绵铁的冷却存在何种问题？如何解决？4.3 遂道窑还原钒钛磁铁矿4.3.1 遂道窑结构遂道窑的截面积为上部呈圆拱形，下部呈长方形，其长度从 30 米200 米不等，是从砖窑移植过来的。遂道窑底部铺设有铁轨，窑车在铁轨上行进，物料放在还原罐内，还原罐整齐的码放在窑车上，窑车在遂道窑内缓慢行进。其结构如图 4-5 所示：4.3.2 遂道窑直接还原的发展简史遂道窑用于冶金工业上，始于上世纪 30 年代，瑞典霍根纳斯公司用于还原富铁精矿，生产粉末冶金用铁粉的初级原料优质高纯海绵铁，取得了很大的成功。以后随着电炉炼钢的迅速发展，废钢的供应日趋紧张，而且废钢来源多样。品种复杂，给电炉炼钢带来了较大的技术困难。电炉炼钢迫切要求质量稳定，长期供应的优质原料。而遂道窑由于所生产的海绵铁量大，质量稳定，从而受到了电炉炼钢生产企业的青睐。需要指出的是，用于电炉炼钢用的海绵铁的质量要求没有粉末冶金用海绵铁那样高，从而为电炉炼钢拓宽了原料来源，如轧钢铁磷、中低品位铁精矿均可用于生产电炉炼钢用海绵铁，使得遂道窑的应用更具灵活，即高质量海绵铁用于生产铁粉，不适合生产铁粉的海绵铁用于电炉炼钢。由此遂道窑成了直接还原的重要选择设备之一。4.3.3 遂道窑直接还原工艺隧道窑生产直接还原铁工艺是将铁原料、还原剂、脱硫剂按工艺要求加工好，按照一定的比例和装料方法，分别装入还原罐中，放在台车上推入隧道窑中，通人煤气点燃，料罐中的原料经预热，在 10001200的温度条件下还原，在保持足够的还原时间和冷却时间后，得到直接还原铁。其工艺流程如图 4-6。4.3.4 遂道窑生产操作过程简述遂道窑还原钒钛铁精矿的生产操作过程和通常海绵铁生产操作过程相同，分为装罐与装炉、卸锭与清罐两部份，以下分别加以阐述：14装罐与装炉：和普通海绵铁生产过程相同，生产中将矿粉和碎焦按环状装入陶瓷罐或碳化硅罐内，横截面如图 4-7 所示，装罐机构如图 4-8、图 4-9 所示：装罐时料经贮料斗、分料器之后进入定量斗内，定量斗及其下部相结合的模具头(导管) ，下生插入空还原罐内，打开定量斗截门，使料装入罐内，装料结束，模具头提出罐外，这就完成一装罐行程。装好罐并加盖密封后，将罐整齐码放在窑车上，将窑车推入隧道窑内还原。（2）卸锭和清罐卸锭与清罐机构如图 4-10 所示。还原结束的台车，冷却出窑送到卸锭机构下定位，卸锭机钳口对准罐位，将还原好的还原料卸出。清罐机构由内芯清罐机，外环清罐机，吸收回收系统三个部份组成，还原罐内过剩还原剂，由旋转吸头吸出，通过管路，离心除尘器，旋风除尘器，返回料仓。(3) 还原料的后续处理所得块状还原料，经过破碎、磁选、重选等工艺过程，分别获得还原所得金属铁和富钛料。图 4-5 遂道窑横截面图15图 4-6 工艺流程图图 4-7 铁矿粉和还原剂装入形态横截面16图 4-8 装罐机17图 4-9 装罐情况图 4-10 卸锭清罐设备4.3.5 还原工艺制度（1）原料准备隧道窑生产直接还原铁工艺的原料包括铁原料、还原剂和脱硫剂。各种原料按以下要求进行准备。1)铁原料准备：主要是保证铁原料的成分、粒度、水分满足工艺要求。要求铁原料品位67 ，S、P 及其它有害元素越低越好，粒度 80)；7)实现污染排放量最小化(废气中 SO2 50 mgm 3，NOx 200 mgm 3)无液态废物。公司并将该工艺和埋弧式电弧炉结合，延伸发展为一种生产铁水的新工艺 ，即 Redsmelt。在美国印第安纳州 Iron Dynamics 公司 (SteelDynamics 公司的子公司)建成年产 60 万 t还原铁的生产线。该生产线 的转底炉直径 50 m，环宽 7m。 转底炉生产的热还原铁直接进人埋弧电炉，生产铁水供 Steel Dynamics 公司的电炉使用。1999 年 4 月投入试运行，1999 年 l2 月恢复生产。2000 年，君津厂用 Immetco 法建成年处理能力 l8 万 t 的直接还原生产线。德国的曼内斯曼钢铁公司已获得 In metco 工艺的使用权，拟用此工艺在德国建造一座直径 28m 的环形转底炉 ，处理从欧洲各钢铁公司回收的含金属粉尘和废料。 （3）Drylron 法Maumee R&B 公司的专利技术已命名为 DryIron 法 ，它克服了通常煤基还原带来的粉化 、脉石含量高、硫高、金属化率低等缺点。MR&E 公司在美国俄亥俄州匹兹堡的试验厂进行的大量工业试验表明，该工艺不仅可用铁 精矿粉为原料生产质量稳定的海绵铁或热压块铁 ，而且同样适用于钢铁厂各类含铁废弃物的回收利用。Drylron 法简化了原料准备 ，用压块代替造球 ，不需要将原料磨得很细和加入较多水分 ，含碳铁氧化物压块后不经干燥直接人炉焙烧。其工艺优点如下：221)用铁精矿粉生产海绵铁 (DRI)或热压块铁 (HBD)作原料。其产品质纯净，脉石与硫等杂质含量很低。而且与废钢相比，其质量均匀稳定 ，波动小，对于炼钢生产极为有利。2)回收电炉除尘灰与轧钢铁鳞，杂质金属去除率高。杂质中的金属元素 ：铅 、锌、镉等被有效去除。3)回收传统钢铁厂废弃物。传统钢铁厂废弃物包括转炉除尘灰、轧钢铁鳞、热轧 污泥、连铸氧化铁皮及高炉粉尘与污泥。这些物质总体来说碳含量很高，与电炉除尘灰相比，锌含量较低，而铅、镉等含量极少。处理后，其产品金属化率高，Zn、Pb 含量大幅度降低。4)MR&E 公司的低 NOx 控制专利技术处理尾气，从而使其对环境的污染降至最低限度。（4）Comet 法1997 年 4 月 ，比利时冶金研究中心 (CRM)提出的 Comet(coalbased metallization)工艺。与其它转底炉直接还原工艺如 Inmetco 和 Fastmet的区别在于完全取消了造球工艺，直 接将烘干后的粉状氧化铁料和还原剂多层相间地布在转底炉床上即一层还原剂 、一层矿石布料。通过安装在炉子出口处的筛分机，很容易将直接还原铁与 富余的煤粉、石灰 、煤的灰分和硫化钙分离。生产的海绵铁硫含量低于 0.05，脉石含量约为 5。该种的方式海绵铁特别适合于用作电弧炉原料。Comet 工艺的炉温高，生产出直接还原铁易于运输和储存 。试验室研究表明 ，Comet 工艺生产的海绵铁金属化率可达 90，生产率低的损失可由不安装造块设备来补偿而硫含量仅为 0.040.05，解决 了产品硫含量过高的问题。由于传热条件不如 Inmetco 和 Fastmet 工艺，物料将在炉内停 留更长时间，影响产量。 Comet 法至今难于实现工业化。卢森堡 Paul Wurth 公 司已获得将此工艺用于商业性 开发的许可证，后续的工业化研究正在进行。（5）转底炉煤基热风熔融炼铁法转底炉煤基热风熔融炼铁法，又称恰普法 (Coal HotAir Rotary Hearth Furnace Process，简称 CHARP)，是由北京科技大学冶金与生态工程学院冶金喷枪研究中心在转底炉直接还原基础上开发的新炼铁工艺，并命名其产品为珠铁。1997 年，冶金喷枪研究中心在含碳球团直接还原的实验过程中发现了珠铁析出的现象，同年即申请了转底炉珠铁生产的专利。2002 年再次申请了名为煤基热风转底炉熔融还原炼铁法专利。图 4-14 为转底炉煤基热风熔融炼铁工艺流程图。转底炉煤基热风熔融炼铁工艺中，含碳复合球团在 13501450的温度下还原、熔化，且铁水易于与渣分离。不同于传统直接还原铁技术的固相区还原 ，该工艺在固液两相区进行还原反应。渣铁熔分之后 ，渣中残余 FeO 少于 5左右。起到一定的粘结强化金属化球团的作用得到形似珠状、成分如生铁、不含脉石的产 品，称为珠铁 ，而不同于一般的金属化球团。现在转底炉煤基热风熔融炼铁工艺正对钒钛磁铁矿、钛精矿复合含碳球团的还原熔分行为进行了探索性的研究 ，扩大转底炉煤基热风熔融炼铁工艺对矿的适用范围，又为钛资源利用开辟了新的方法 。1992 年，北京科技大学理化系与河南舞阳钢铁公司合作，借鉴美国的 Fastmet 和 23Inmetco 工艺 ，在舞阳钢铁公司建成一座直径 3m 的环形转底炉并进行了试验 ，取得初步成功。后来，又为鞍山设计了一台直径 8m 的直接还原环形转底炉。1996 年，在鞍山汤岗子铁矿建成了一座直径 5.5m 转底炉试验装置 ，产品的金属化率稳定 ，达8085。2000 年,已经在山西和河南的两家钢铁公司建成了直径为 13.5m 的转底炉两台，设计年生产能力为金属化球团矿 7 万 t。山西翼城和河南巩义永通钢铁公司的转底炉虽建成但现在都处于停炉状态。 图 4-14 转底炉煤基热风熔融炼铁工艺流程图4.4.2 钒钛磁铁矿转底炉煤基直接还原工艺新流程为了促进攀-西地区经济发展，充分发挥攀枝花的钒钛资源优势，开发利用得天独厚的钒钛磁铁矿资源，必须贯彻落实科学发展观，努力走新型工业化道路，研究开发新的处理钒钛磁铁矿工艺流程。 （1）转底炉还原工艺流程特点“转底炉短流程”炼铁新技术是目前国家提倡的第三代炼铁新技术，特别适合于处理钒钛磁铁矿回收钛钒铁资源，其中转底炉炼铁新流程就是其中的典型代表，见图 4-15。该新流程具有如下优点：可全部回收铁精矿中钛资源。经转底炉还原后的金属化球团经过电弧炉熔化分离后，可得到含量为 50%以上的熔分钛渣（高于钛精矿的二氧化钛品位）和含钒生铁，实现铁钒与钛的分离。熔分钛渣可用于硫酸法钛白生产原料，实现了铁精矿中钛资源回收利用的目的。这是转底炉新流程的最大优点。以煤代焦，可以省去高炉流程的炼焦与烧结工序，不但缩短工艺流程，而且减少环境污染。由于还原温度高、还原时间短（入炉到出炉 2030 分钟） ，还原的金属化率高，生24产效率高，可以很容易地开炉、停炉和调整产量。而高炉冶炼周期为（58）小时，回转窑等其他直接还原工艺为（56）小时。所以建设投资省，是高炉流程的 50%，回转窑流程的 30%50%，较经济的规模为（20-50）万吨/年。转底炉还原过程中由于炉底转动而炉料不动，可解决回转窑或竖炉还原时炉料粘接、结圈等问题。还原后可以将铁钒与钛分离，有益元素得到充分回收利用。主要是由于这个问题未解决，上世纪方毅同志在世时领导的钒钛磁铁矿综合利用新工艺流程未能实现工业化。还原尾气可集中回收，经处理后再利用，对环境影响小。至少比高炉少排放 20%的CO2、97%的 NOx 和 90%的 SO2。因此，该工艺流程是钒钛磁铁矿综合利用最为合理的流程，应该是今后处理攀枝花钒钛磁铁矿的首选工艺流程。图 4-15 转底炉炼铁新流程（2）试验研究及应用情况自 2004 年以来，攀枝花学院科研人员既开始进行该工艺的试验研究工作，成立了钒钛矿综合利用联合实验室，成立了课题组，建成了“铁矿粉压力成型-转底炉-电弧炉熔分中间试验装置” ，对含钒钛铁精矿进行了转底炉还原、DRI 电弧炉熔炼中间试验研究，获得了大量有效数据，经过 4 年多大量艰苦的研究，获得了重大技术突破，获得了高水平研究成果，为产业化提供打下了坚实基础。进行了大量实验研究，获得了大量有效数据，先后申报并获得了 2 项国家发明专利和实用新型专利，出版了钒钛方面专著 2 部。转底炉中间试验装置上还原钒钛铁精矿内配碳球团,制备金属化球团 DRI 的金属化率在（1520）分钟内达 90%以上；还原后的高温金属化球团直接热装进入电炉进行熔化分离，通过控制电弧炉冶炼工艺，所得含钒生铁、熔分钛渣实现良好分离，得到的熔分钛渣和生铁全部被下一道工序利25用。)控制钒的走向，钒进铁率可达 80%以上，可获得含 TiO2 大于 50%的钛渣，该钛渣可作为硫酸法钛白原料。“钒钛磁铁矿转底炉直接还原-电炉熔分新工艺”项目研究 成果达到了国际领先水平，并于 2006 年获得了市级钒钛资源开发技术创新项目奖一等奖，并通过了省科技厅组织的专家鉴定。自 2006 年起，该研究成果即由四川龙蟒集团攀枝花矿冶公司在攀枝花进行产业化建设。2007 年年底，在攀枝花钒钛产业园区（安宁工业区）建成了规模为 7 万 ta 的工业示范装置(一期工程 )，现正在进行二期工程建设，规模为 200 万 t/a，届时将获得显著的经济效益和社会效益。攀钢集团也在进行规模为 10 万 ta 的工业示范装置(一期工程 )建设。复习思考题：1、ITmk3 法的工艺流程及优点各是什么？2、钒钛磁铁矿转底炉煤基直接还原工艺新流程是什么？3、钒钛磁铁矿转底炉煤基直接还原工艺新流程的优点有哪些？主要参考文献：1 周渝生.非高炉炼铁工艺的现状及其发展.冶金信息工作,1997,4：18-272 孙泰鹏. 非高炉炼铁工艺的发展及评述. 沈阳工程学院学报(自然科学版),2007,1：90-933 HBLuengen，KMuelheims，RSteff. 铁矿石直接还原与熔融还原的发展现状.上海宝钢工程技术，2001，4：27-434 高文星，董凌燕，陈登福，温良英. 煤基直接还原及转底炉工艺的发展现状.矿冶，2008，6：68-745 范晓慧，邱冠周等.我国直接还原铁生产的现状与发展前景.炼铁，2002，6：52-546 黄雄源等.现代非高炉炼铁技术的发展现状与前景(一). 金属材料与冶金工程,2007,6:48-567 王定武. 转底炉工艺生产直接还原铁的现况和前景.冶金管理，2007，12：52-548 胡俊鸽,吴美庆,毛艳丽. 直接还原炼铁技术的最新发展.钢铁研究，2006，4：53-584.5 流态化还原工艺 编者：刘松利4.5.1 流态化还原工艺流程 26流态化还原工艺指在流化床中用煤气还原铁矿粉的方法。在流态化法还原工艺中，煤气除用作还原剂及热载体外，还用作散料层的流化介质。图 4-16 示出流态化还原工艺的一般原理。图 4-16 流态化还原工艺流程细粒矿石料层被穿过的气流流态化并依次被加热、还原和冷却。还原产品冷却后压块保存。4.5.2 流 态 化 设 备流 态 化 设 备 又 称 流 化 床 设 备 ， 一 种 利 用 气 体 或 液 体 通 过 颗 粒 状 固 体 层 而使 固 体 颗 粒 处 于 悬 浮 运 动 状 态 ， 并 进 行 气 固 相 反 应 过 程 或 液 固 相 反 应 过 程 的反 应 器 。 在 用 于 气 固 系 统 时 ， 又 称 沸 腾 床 反 应 器 。 流 化 床 反 应 器 在 现 代 工 业 中 的 早 期 应 用 为 20 世 纪 20 年 代 出 现 的 粉 煤气 化 的 温 克 勒 炉 ； 但 现 代 流 化 反 应 技 术 的 开 拓 ， 是 以 40 年 代 石 油 催 化 裂 化为 代 表 的 。 目 前 ， 流 化 床 反 应 器 已 在 化 工 、 石 油 、 冶 金 、 核 工 业 等 部 门 得 到广 泛 应 用 。 分 类 按 流 化 床 反 应 器 的 应 用 可 分 为 两 类 ： 一 类 的 加 工 对 象 主 要 是 固 体 ，如 矿 石 的 焙 烧 ， 称 为 固 相 加 工 过 程 ； 另 一 类 的 加 工 对 象 主 要 是 流 体 ， 如 石 油催 化 裂 化 、 酶 反 应 过 程 等 催 化 反 应 过 程 ， 称 为 流 体 相 加 工 过 程 。 流 化 床 反 应 器 的 结 构 有 两 种 形 式 ： 有 固 体 物 料 连 续 进 料 和 出 料 装 置 ，27用 于 固 相 加 工 过 程 或 催 化 剂 迅 速 失 活 的 流 体 相 加 工 过 程 。 例 如 催 化 裂 化 过程 ， 催 化 剂 在 几 分 钟 内 即 显 著 失 活 ， 须 用 上 述 装 置 不 断 予 以 分 离 后 进 行 再生 。 无 固 体 物 料 连 续 进 料 和 出 料 装 置 ， 用 于 固 体 颗 粒 性 状 在 相 当 长 时 间（ 如 半 年 或 一 年 ） 内 ， 不 发 生 明 显 变 化 的 反 应 过 程 。典 型 的 流 化 床 设 备 有 单 层 流 化 床 、 多 层 流 化 床 、 多 室 流 化 床 和 两 器 流 化床 。 单 层 流 化 床 在 床 层 底 部 设 置 一 分 布 板 ， 例 如 烧 结 板 、 多 孔 板 、 泡 罩 板等 。 开 工 前 将 固 体 颗 粒 加 到 板 上 形 成 床 层 ， 流 体 自 下 而 上 通 过 分 布 板 ,均 匀地 进 入 床 层 使 颗 粒 层 流 化 ,然 后 从 顶 部 离 去 。 设 备 侧 壁 设 有 加 料 口 和 出 料 口 ，以 连 续 加 入 和 卸 出 固 体 物 料 。 用 出 料 口 的 位 置 控 制 床 层 高 度 。 由 于 固 体 颗 粒中 常 带 有 细 粉 ,颗 粒 在 床 层 中 因 摩 擦 、 碰 撞 也 会 产 生 粉 尘 ,因 而 离 开 床 层 的 流体 常 带 有 粉 尘 ， 需 予 以 回 收 。 回 收 的 粉 尘 可 返 回 床 层 或 直 接 作 为 产 品 。 对 于气 固 系 统 ， 常 用 的 粉 尘 分 离 装 置 是 旋 风 分 离 器 (见 离 心 沉 降 )和 袋 滤 器 （ 见过 滤 设 备 ） 。 在 流 化 床 中 ， 固 体 颗 粒 充 分 混 合 ， 因 而 用 作 传 质 设 备 时 ， 相 当于 分 级 接 触 传 质 设 备 的 一 个 级 。 多 层 流 化 床 具 有 类 似 板 式 塔 的 结 构 ， 颗 粒 物 料 加 到 顶 部 床 层 ， 经 溢 流管 逐 层 下 降 。 流 体 先 经 底 层 分 布 板 进 入 底 部 床 层 ， 逐 层 上 升 ， 使 各 层 颗 粒 流态 化 ， 进 行 气 固 逆 流 分 级 接 触 。 最 后 离 开 床 层 的 流 体 须 经 分 离 装 置 回 收 夹 带的 粉 尘 。 多 层 流 化 床 正 常 运 行 的 关 键 在 于 溢 流 管 能 否 正 常 工 作 。 为 确 保 颗 粒能 通 过 溢 流 管 顺 利 下 降 ,而 又 防 止 流 体 穿 过 溢 流 管 短 路 上 升 ,在 溢 流 管 下 端 设置 适 当 的 堵 头 或 其 他 装 置 。 多 层 流 化 床 不 仅 能 起 逆 流 多 级 接 触 的 作 用 ,有 时还 可 根 据 工 艺 要 求 ,在 各 床 层 中 设 置 适 当 的 换 热 面 ， 以 调 节 各 层 的 温 度 。 多 室 流 化 床 设 备 的 横 截 面 一 般 为 矩 形 ， 用 垂 直 挡 板 将 设 备 沿 长 度 方 向分 成 多 室 （ 一 般 4 8 室 ） 。 挡 板 下 沿 与 分 布 板 面 之 间 留 有 几 十 毫 米 的 间 隙 ，作 为 室 间 粉 粒 通 道 。 最 后 一 室 有 控 制 床 面 的 堰 板 。 流 体 平 行 进 入 各 室 ， 颗 粒则 依 次 通 过 各 室 ， 因 此 多 室 流 化 床 不 仅 能 抑 制 颗 粒 在 整 个 床 层 内 的 返 混 ， 而且 还 能 调 节 通 入 各 室 流 体 的 流 速 和 温 度 。 多 室 流 化 床 比 多 层 流 化 床 设 备 容 易控 制 ， 总 压 降 也 小 ； 但 传 热 、 传 质 推 动 力 较 多 层 床 小 ， 用 于 干 燥 时 空 气 热 量利 用 效 率 较 差 。 28两 器 流 化 床 有 两 个 流 化 床 ， 在 左 侧 流 化 床 中 ， 原 料 气 与 固 体 颗 粒 层 接触 进 行 某 种 操 作 （ 如 吸 附 ） ； 在 右 侧 流 化 床 中 ， 用 另 外 的 气 流 进 行 失 效 颗粒 的 再 生 （ 如 脱 附 ） ， 两 流 化 床 间 由 气 力 输 送 管 连 接 进 行 颗 粒 输 送 ， 使 整个 操 作 能 连 续 进 行 。特 性 与 固 定 床 反 应 器 相 比 ， 流 化 床 反 应 器 的 优 点 是 ： 可 以 实 现 固 体物 料 的 连 续 输 入 和 输 出 ； 流 体 和 颗 粒 的 运 动 使 床 层 具 有 良 好 的 传 热 性 能 ，床 层 内 部 温 度 均 匀 ， 而 且 易 于 控 制 ， 特 别 适 用 于 强 放 热 反 应 ； 便 于 进 行催 化 剂 的 连 续 再 生 和 循 环 操 作 ， 适 于 催 化 剂 失 活 速 率 高 的 过 程 的 进 行 ， 石 油馏 分 催 化 流 化 床 裂 化 的 迅 速 发 展 就 是 这 一 方 面 的 典 型 例 子 。 然 而 ， 由 于 流 态化 技 术 的 固 有 特 性 以 及 流 化 过 程 影 响 因 素 的 多 样 性 ， 对 于 反 应 器 来 说 ， 流 化床 又 存 在 粉 明 显 的 局 限 性 ： 由 于 固 体 颗 粒 和 气 泡 在 连 续 流 动 过 程 中 的 剧 烈循 环 和 搅 动 ， 无 论 气 相 或 固 相 都 存 在 着 相 当 广 的 停 留 时 间 分 布 ， 导 致 不 适 当的 产 品 分 布 ， 阵 低 了 目 的 产 物 的 收 率 ； 反 应 物 以 气 泡 形 式 通 过 床 层 ， 减少 了 气 -固 相 之 间 的 接 触 机 会 ， 降 低 了 反 应 转 化 率 ； 由 于 固 体 催 化 剂 在 流动 过 程 中 的 剧 烈 撞 击 和 摩 擦 ， 使 催 化 剂 加 速 粉 化 ， 加 上 床 层 顶 部 气 泡 的 爆 裂和 高 速 运 动 、 大 量 细 粒 催 化 剂 的 带 出 ， 造 成 明 显 的 催 化 剂 流 失 ； 床 层 内的 复 杂 流 体 力 学 、 传 递 现 象 ， 使 过 程 处 于 非 定 常 条 件 下 ， 难 以 揭 示 其 统 一 的规 律 ， 也 难 以 脱 离 经 验 放 大 、 经 脸 操 作 。近 年 来 ， 细 颗 粒 和 高 气 速 的 湍 流 流 化 床 及 高 速 流 化 床 均 已 有 工 业 应 用 。在 气 速 高 于 颗 粒 夹 带 速 度 的 条 件 下 ， 通 过 固 体 的 循 环 以 维 持 床 层 ， 由 于 强 化了 气 固 两 相 间 的 接 触 ， 特 别 有 利 于 相 际 传 质 阻 力 居 重 要 地 位 的 情 况 。 但 另 一方 面 由 于 大 量 的 固 体 颗 粒 被 气 体 夹 带 而 出 ， 需 要 进 行 分 离 并 再 循 环 返 回 床 层 ，因 此 ， 对 气 固 分 离 的 要 求 也 就 很 高 了 。4.5.3 流态化还原工艺特点流态化还原有直接使用矿粉省去造块的优点，并且由于矿石粒度小而能加速还原。 缺点是：因细粒矿粉甚易粘结，一般在 600700不高的温度下操作，不仅还原速度不大，而且极易促成 CO 的析碳反应。碳素沉析过多，则妨碍正常操作。为了克服这一困难，流态化还原多采用价格高的高氢煤气。此外，流态化海绵铁活性很大，极易氧化自燃,需加处理，才便于保存和运输。294.6 倒焰窑4.6.1 概述倒焰窑主要应用于耐火材料厂，为提高烧成质量，十九世纪中期，国外已经开始采用倒焰窑来烧成瓷器，我国北方采用倒焰窑烧成瓷器大约开始于 1919 年以后，而南方过去一般以柴烧窑，倒焰窑在解放以后才开始推广。由于这种窑有许多优点，因而发展较快。在30倒焰窑中，燃烧气体由燃烧室经过挡火墙，从喷火口进入窑内，先至窑顶、然后向下流经匣钵柱，再由窑底吸火孔经支烟道、主烟道，最后进人烟囱。由于气体大部分是垂直流动，气流分布较为均匀，因此窑内温差按小，温度制度比一般窑容易控制，产品的质最也较好。典型的倒焰窑见图 4-17，其工作原理为：将煤加入燃烧室 2 的炉箅上一次助燃空气由燃烧室下面的灰坑穿过炉箅，通过煤层并使之燃烧。燃烧产物自喷火口喷至窑顶，再自窑顶经过坯体倒流至窑底，经吸火孔 5、支烟道 6 及主烟道 7 流向烟囱底部，最后由烟囱排出。原料自装好至烧成出窑前一直停在窑内。当烟气流经原料时，以对流与辐射方式将热量传递给原料，因火焰在窑内倒流，故称倒焰窑。图 4-17 倒焰窑4.6.2 倒焰窑结构（1）窑的型式倒焰窑的形式很多，有圆形的和方形的，有单层的和多