提高COREX竖炉金属化率浅析

提高COREX竖炉金属化率浅析,1.前言2.COREX熔融还原技术原理3.金属化率定义及计算4.金属化率对气化炉的影响5.提高竖炉金属化率的途径分析6.提高金属化率的措施7.结论,目录,前言,宝钢COREX是世界上第一座C-3000型COREX，于2007年11月建成投产，设计年产铁水能力可达到150万吨。COREX具有环保、使用焦炭少、操作灵活和投资少等特点，在一定条件下可替代高炉生产铁水。随着对COREX的认识逐步深入，宝钢COREX的生产明显好转，各项生产指标显著改善，但竖炉的金属化率仍然没有达到较高水平，宝钢COREX开炉至今，共进行了7次竖炉清空，除竖炉清空月份外，其余月份金属化率平均值基本维持在50%左右。,COREX熔融还原技术原理,图1COREX熔融还原工艺流程图,COREX工艺流程见图1，分两部分：（1）熔融气化炉：利用煤和氧气在气化炉下部的风口循环区燃烧产生热量和还原性气体，高温煤气在上升过程中对加入到固定焦床表面的块煤进行加热和气化。高温煤气通过4个发生煤气管出气化炉拱顶后调节至850，再通过80个送风环管进入竖炉。（2）还原竖炉：矿石和副原料从竖炉顶布料器加入，下降过程中被还原性气体还原成一定金属化率的海绵铁。,在竖炉底部通过8台DRI液压螺旋，将海绵铁连续的分布到固定焦床表面，进一步的还原、熔化后进入炉缸形成铁水和炉渣。,结构上COREX炉与高炉相似，只不过是用下降管代替了高炉软熔带，将其一分为二，上部竖炉为干区，下部气化炉相当于炉腹。气化炉的高温煤气被主动降温后进入竖炉还原矿石，一级煤气除尘采用热旋风除尘，粉尘收集后重新通过管道喷入气化炉拱顶消化利用，二级煤气除尘采用水洗。而且COREX工艺取消了烧结及焦化工艺，可以接受一定量粉矿，风口采用纯氧鼓入。相同的地方是COREX炉缸热制度和炉前作业制度，煤气流、水渣、大沟、冷却制度及余压发电也与高炉类似。,COREX熔融还原技术原理,COREX工艺与高炉工艺异同点,金属化率定义及计算,金属化率定义：（Metalization，缩写Met）是指竖炉排出的海绵铁中被还原析出的金属铁占总含铁元素的摩尔百分比。金属化率是由矿石还原度计算得到。矿石还原度定义：（简称Rd）是指竖炉加入的混合铁矿石被还原出的氧元素占初始总氧含量的摩尔百分比。,图2Met、Rd与O元素减少量的关系,FRG含水份的还原煤气流量（Nm3/h）；CORG还原煤气中CO浓度()；FTG含饱和水的顶煤气流量（mol/Nm3）；COTG顶煤气中CO浓度（）；K还原煤气中CO发生析碳反应的体积百分比（%）；H2RG还原煤气中H2浓度(mol/Nm3)；H2TG顶煤气中H2浓度(mol/Nm3)；O矿石矿石中O元素的含量（）Speed矿石综合矿的加料速度（kg/h）；,金属化率定义及计算,假设铁矿石中FeOX被还原为FeOY，则,经推导得到,金属化率对气化炉的影响,COREX工艺流程短，其气化炉直接起到熔化海绵铁及提供竖炉还原煤气的作用，气化炉的炉缸区域与高炉炉缸相当，在风口及以上区域主要反应式如下：C+O2=CO放热（拱顶燃烧反应）C+CO2=2CO吸热（拱顶碳熔损反应，可认为是直接还原反应）FeO+CO=Fe+CO2放热（半焦床上部低温区，间接还原反应）FeO+C=Fe+CO吸热（风口上部高温区，直接还原反应）C+O2=CO放热(风口燃烧反应),熔融气化炉主要反应,矿石金属化率程度直接影响燃料的消耗，金属化率下降，还原程度较低的海绵铁进入气化炉后反应就不够充分，气化炉中的FeO增加，直接和间接还原反应量增加。金属化率下降10%，新增FeO约1.7kmol，冷煤气CO2含量增加约1.2%，增加的CO2由间接反应生成，假设吨铁发生煤气量约1700Nm3/tHM，经计算，约0.9kmolFeO发生间接还原，反应在半焦床上部低温区，不消耗碳素；其余0.8kmolFeO发生直接还原，发生在风口上部的高温区和拱顶，直接还原的碳素消耗量为16kg，折合消耗燃料比升高23kg/tHM。,金属化率对气化炉的影响,气化炉拱顶二氧化碳与碳反应增加热量消耗，拱顶温度下降，要维持拱顶温度，拱顶需氧量增加，碳与氧的燃烧反应可以补热。金属化率下降10%，拱顶需氧量增加10Nm3/tHM，对应碳素消耗增加5kg，折合消耗燃料比升高7kg/tHM。从计算结果看，间接还原反应释放的热量补偿了直接还原消耗的热量，半焦床不需要新增加燃烧反应来补热。金属化率下降后，直接还原反应增加消耗半焦的碳素，导致炉缸透气性恶化，半焦床高温区下移，炉温向凉。因此，金属化率下降10%，综合影响燃料比约30kg/tHM，同时适当提高焦炭比例12%，可改善半焦床透气性状况。,金属化率对气化炉的影响,提高竖炉金属化的途径分析,图3影响金属化率的因素结构图,提高竖炉金属化的途径分析,根据金属化率的计算公式，可以看出影响Met计算的因素有煤气单耗、煤气利用率、还原煤气H2和CO含量等，其结构如图示意图如图3，顶煤气单耗过低则Met低，顶煤气单耗过高引起气流紊乱，压差波动大，煤气利用率降低，Met下降。顶煤气单耗主要受压差影响，不是决定金属化率高低的关键因素。在压差稳定的情况下，尽量提高顶煤气单耗可获得较高的金属化率。气固接触充分是提高反应程度的前提保障，只有在气固接触充分的情况下，再考虑如何提高反应速度。气固接触充分的关键是气流和炉料透气性在竖炉圆周和径向分布均匀，这就要求竖炉不能存在粉而产生偏析，因此需要控制入炉料的综合粉率，保持炉料良好透气性。,提高竖炉金属化的措施,提高竖炉金属化率就是一个提高炉料还原度过程，其影响因素主要有两个方面，动力学条件，热力学条件，手段是通过调节竖炉操作参数。如果竖炉动力学条件差，则炉内反应受限于动力学控制，即炉料温度、炉料粒度和还原气还原成分的含量等。如果竖炉动力学条件较好，则炉料还原速率主要受热力学条件控制。因此，提高金属化率就是要改善竖炉的动力学条件和热力学条件。,提高竖炉金属化的措施,措施1：提高竖炉温度,从化学反应角度考虑，温度越高，竖炉内所有包括还原过程的化学反应均会提高。因为提高温度水平，分子活跃扩散速率提高，可以有效的缩短还原反应时间，提高还原气体的利用率，因此可以获得相对较高的金属化率。,2011年3月操业参数稳定，熔炼率稳定在150t/h，全月仅一次计划定修，无非计划休风，图4为本月竖炉炉料温度和煤气利用率趋势图，可以看到炉料温度越高，煤气利用率水平也越高。,图42011年3月竖炉三个方向上的炉料温度和煤气利用率趋势图,提高竖炉金属化的措施,措施2：减少竖炉粉量,经过加粉的实践证明：（1）竖炉可以接受一定量粉矿，粉矿入炉可以有效增加含铁炉料的比表面积，提高气固相接触程度，金属化率会有所上升；（2）粉矿入炉会降低炉料的透气性，因此竖炉接受粉的程度是有限的，超过了这个限度就会造成竖炉气流不均，煤气利用率降低，金属化率下降；,（3）因块矿会发生低温还原粉化，造成入炉粉量上升，所以考察竖炉透气性需用综合入炉粉率来衡量，控制稳定的竖炉压差可以保证稳定合理的竖炉透气性，得到高的金属化率。这也是2010年5月停用粉矿，块矿比逐步上升的根本原因。,图5粉矿比例与金属化率变化趋势图,提高竖炉金属化的措施,措施3：调整竖炉煤气流分布,竖炉煤气分布的合理性决定了煤气利用的效率，煤气利用率越高，竖炉金属化率越高。布料档位是调节竖炉煤气分布的重要手段，布料档位变化趋势如图6。可以看到竖炉布料档位经历了三个阶段。,图6竖炉矿线布料档位趋势图,一,二,三,提高竖炉金属化的措施,第一阶段：2008年8月2009年7月矿布料档位从开炉以来长期使用0m/0.4m/0.8m。这段时间，档位一直偏中心，在围管耐材没有破损的情况下，煤气穿透力强，利用率较好，金属化率相对较高，但是炉料分布在中心时，外围的粉几乎为零，料面陡峭，形成了中心死，外围活跃的格局，容易引起外围煤气过吹，局部过热黏结成块，下降管时有堵塞。从几次竖炉清空来看，黏结大块多积聚在靠炉壁处，炉料金属化率分布从外至内逐步降低。,提高竖炉金属化的措施,第二阶段：2009年8月2010年1月档位仍集中在此时围管出现大量破损，导致入竖炉煤气流速下降，煤气流分布进一步边缘化，煤气利用率下降。布料档位虽放开了0m，尝试略微增加了1.2m处布料，但总体仍布中心位置，气流没有明显改善，同时因竖炉粉矿大量入炉，恶化了竖炉透气性，压差波动幅度加大，金属化率大幅下降。,提高竖炉金属化的措施,第三阶段：2010年2月至今基于对竖炉反窜的认识和气流分布的认识，竖炉入炉粉矿的使用大幅下降，并于5月停用粉矿。这样改善了竖炉的透气性，压差趋于稳定，也为档位外扩提供了有利条件。2月开始逐渐加重边缘炉料的布料高度，增加了1.2m/1.6m/2.0m处的布料，抑制边缘气流，发展中心气流，煤气利用率明显提高，金属化率维持较高水平。8月第七次竖炉清空之后，随着矿线F2改造，加强了筛分，入炉粉率进一步降低，档位开始外扩至2.4m和2.8m。竖炉煤气分布更加均匀，黏结减少，螺旋排料率也较前更加稳定。,在此，我们提出一个布料指数的概念，将其表征竖炉炉料落料点向外移动的整体程度。金属化率和布料指数趋势图如图7。布料指数=H*R，其中：H每个档位的相对布料高度（每档相对高度=每档设定高度/设定高度和）；R每个档位的布料半径；,提高竖炉金属化的措施,图7金属化率和布料指数趋势图,提高竖炉金属化的措施,措施4：降低冷煤气中二氧化碳含量,图82011年3月拱顶温度和冷煤气CO2含量趋势图,冷煤气中CO2含量越低，还原煤气质量高，金属化率也就高。生产中提高拱顶温度控制值，使二氧化碳与碳反应的程度增加，可以有效降低CO2含量。通过实践经验表明，将拱顶温度控制在1070-1120，且保持拱顶温度持续稳定，减少波动，有利于提高竖炉金属化率。,3月金属化率和拱顶温度趋势图如图7，明显看到拱顶温度和冷煤气CO2变化趋势是基本相反的（拱顶温度上升，冷煤气CO2含量下降），实际操作角度看，这是因为拱顶温度控制是人为的，当CO2含量上升时就会将拱顶温度控制值提高，经过一段时间CO2含量就会下降，如此循环往复。,提高竖炉金属化的措施,措施5：提高冷煤气中氢气含量,图93月煤气利用率和还原煤气成分中H2含量变化趋势图,H2是组成还原煤气的一种还原性气体，其含量也会影响金属化率。从动力学角度看，H2还原铁矿石中的O元素，生成H2O被煤气流带走，而H2和H2O分子比CO和CO2要小得多，决定了其内扩散和外扩散速率都要快得多，提高还原气体中的H2含量，可以加快还原反应速率和提高煤气利用率。,另外H2还原铁矿石是一种强吸热反应，从热力学角度看也会加速正反应速率。因此，从反应动力学和热力学角度看，提高还原煤气中的H2含量能有效提高竖炉金属化率。,提高竖炉金属化的措施,措施6：提高竖炉顶煤气单耗,进入竖炉的还原煤气越多，矿石还原就越充分，金属化率就越高。经理论计算顶煤气单耗每提高1000Nm3/tOre，相应金属化率可以提高约1%。在实际生产过程中，竖炉的顶煤气进气量是受竖炉压差、炉料温度、竖炉下料状态、DRI螺旋状态及工厂压力稳定性等因素制约的。性。经实践证明：要获得较高的金属化率，顶煤气单耗稳定控制在1050-1120Nm3/tOre。,提高竖炉金属化的措施,12日5下降管堵塞，造成煤气利用率有所下降，金属化率随之走低，于是人为将顶煤气单耗提高到1080Nm3/tOre控制，依旧维持了较高的金属化率水平。随着18日定修下降管清堵完成，竖炉煤气分布均匀性恢复，下半月顶煤气单耗和金属化率有很好的相关,图102011年3月顶煤气单耗和金属化率变化趋势图,我们可以从2011年3月顶煤气单耗和金属化率变化趋势图中看到，如图8。金属化率趋势是随着顶煤气单耗的上升而升高的，3月上旬煤气利用率较好，在顶煤气单耗在1060Nm3/tOr