第三章-非高炉炼铁重点设备介绍(下)...ppt

复习,1、竖炉悬料的原因？,球团体积膨胀而发生侧压系数n增大；矿石相互粘结或与炉墙粘结而引起摩擦系数增大。,竖炉内分为预热带、还原带、过渡带及冷却带。,按不同作业温度可生产海绵铁、粒铁及液态生铁,2、回转窑法炼铁产品？,炉身横断面有：氧化区、中性区、还原区,回转窑内进行的反应过程可按炉料运动、传热、还原反应及杂质气化分解。,（1）固定床。流体流速较低，床层颗粒静止，孔隙率不变。（2）临界流化床。流体流速达临界值umf，流体与颗粒间的摩擦力等于颗粒质量，此时为固定床与流化床的分界点。（3）均匀流化床。流速，孔隙率，高度，实际流速恒定，称为流化床。使用液体流化介质形成的流化床较为均匀，称为均匀流化床。,3.2.1流态化现象及流化床类型,3.3还原流化床,（4）鼓泡流化床。使用气体流化介质形成的流化床均匀性、稳定性较均匀床低，料层中可观察到明显的鼓泡现象和沟流现象，颗粒运动比均匀床活跃，床层的膨胀率不如均匀床，称为鼓泡流化床或聚式流化床，简称鼓泡床。（5）腾涌床。如果流化床截面积较小，气泡直径能够长大到流化床直径以上，床层将被气泡截断，形成腾涌现象。（6）稀相流化床。流体流速进一步提高，流体与颗粒间摩擦力大于颗粒质量，颗粒被流体带走，形成夹带现象。使床层上届面消失，颗粒密度降低，这种床称为稀相流化床。,床层类型可由P与u0的关系确定：,（1）P与u0呈直线关系，固定床。（2）u0umf，PW/S，临界流化床。（3）u0umf，P恒定，鼓泡床。（4）u0，P开始波动，并逐渐减小，腾涌床。（5）u0ut，P较小。稀相流化床。铁矿石还原用气固两相流。实际中炉料粒度不均匀，所以工业流化床一般不能以单纯的形式存在。,3.2.2流化参数,临界流化条件：气流对料层向上的摩擦力等于料层的质量。由此可得：整理得：式中：S流化床截面积；Lmf临界流化床高度；mf临界流化床孔隙率；s固体颗粒密度。固定床压将为：,umf的二次方程：如Rep很低，压降以粘度损失为主，忽略动能损失，有：很高，压降以动能损失为主可忽略粘度损失，有：,对很多系统有：则有：由上三式可求出临界流化速度，标准误差为35。,其中：（2）适用于小Re，即小粒度炉料；（3）适用于大Re，即大粒度炉料；（1）适用Re适中。,终端速度ut有：（4）式中：Cd为曳力系数，其有：上三式带入（4）可得：,计算umf时应使用颗粒的平均直径，u0不能太靠近umf；而计算ut时则应使用小粒度组分直径，uo同样不能太靠近ut。令Duutumf，则Du越大，流化床越稳定。u0的选择必须保证流化床下部uoumf，上部u00及还原行气氛，粘结失流总是在粘结失流还原率Rs附近发生。（5）还原剂种类和铁的析出形态。H2还原时，铁以多孔的或致密的平面状析出，CO还原时，铁则多以针状析出。（6）矿粉粒度。大颗粒矿粉可在一定程度上抑制粘结失流现象。,Ts830失流以前矿石还原率f在Ts处不连续。,Rs随温度的提高而降低。但操作中使流化床工作在Ts以上，Rs以下不安全，应使最高温度低于Ts，且不能太靠近。,随着u0提高，Ts平稳的提高（对指导生产很有意义）。,粘结失流的机制：（1）CO还原：矿石粒度不同，还原程度不同。当两个不同还原程度的颗粒碰撞时，析出金属铁的颗粒上的铁晶须接触到另一颗粒表面，其作为另一颗粒中过饱和铁离子的结晶中心，使铁离子迅速向接触点扩散，并结晶出来，形成两个颗粒之间脆弱的连接，从而形成团粒结构。当团粒长大到umfu0时，失流现象就会发生。高温下容易发生失流；可采用较高的气体流速使较大的团粒维持流态化；此机制以针状铁析出为前提，仅适用CO还原。,（2）H2还原：炉料颗粒析出新鲜铁具有较大的表面能，粘性较大（即缩小表面积的趋势很强）。当新鲜铁积累到一定量，使颗粒间的粘性力足以抵抗气流对颗粒的曳力时，就会导致失流。H2还原时容易产生这种机制下的失流；高温下容易失流；较高的气体流速可对抗较大的粘性，减弱失流。,抵制失流的措施：（1）协调温度和流速。配合以较高的气体流速可使还原温度适当提高，从而加大反应速度。（2）加抑制剂。隔绝或降低矿石颗粒间碰撞和接触机会，并提高料层流动性，从而缓解失流。抑制剂包括：石灰、石灰石、煤粉或焦粉等。（3）矿粉表面处理。降低矿粉表面粘性。如用低温煤气处理矿粉，在矿粉表面敷上一层焦油碳。（4）使用粘结趋势较低的矿石。（5）使用高速流化床。高速流下带出的矿粉返回使用，即采用循环流化床。,3.3.4还原速度与气体利用率,流化床的反应条件：（1）矿粉成分接近全混合床。床层上下还原率分布较均匀，尾气还原需最低与FeO和Fe平衡，还原气利用率低于竖炉。（2）气流接近活塞流。温度分布下高上低，总温差较小。（3）总压降约等于单位截面积上的矿粉质量，压力分布近似直线。,（4）炉料粒度小，扩散条件好。（5）影响气体利用率因素复杂，主要有还原速度、热量供应、还原剂供应和流速要求等。（6）流化床形式有重要影响。主要形式有单级流化床、多级流化床、鼓泡床和循环流化床。,气体利用率还原剂扩散量在流化床高度上的分布（即为还原反应速度在高度上的分布）：单位时间还原剂供应量为M0，为气体利用率，则有：,两式合并则有：,3.3还原流化床学习重点,流化床类型及各类流化床P与u0的关系，Umf和Ut；粘结失流：定义、影响因素、粘结失流机制及控制粘结失流的措施；,3.4熔炼造气煤炭流化床,3.4.1熔炼煤的有效热值热收入煤的燃烧；CH4和H2O比例很低，可忽略H2的热效应；煤在熔炼过程中放出的全部热量（Q）为碳素燃烧热和煤灰成渣热之和，干基热量为Qd；Q包括造气热（Qg，干基造气热Qgd）和熔炼煤的有效热值（Qe，干基有效热值Qed）；造气热Qg：包括煤气物理热、挥发物分解热、溶剂分解热等与熔炼无关的热消耗，以煤气物理热为主；有效热值：真正用于熔炼的热量,熔炼煤主要性质,熔炼煤的干基有效热值可由下式估算：有效热值（Qe）的影响因素：湿度：影响较大。煤气出炉温度Tg。,3.4.2矿石熔炼热,铁矿石化学成分,铁矿石热收入包括铁矿石（海绵铁）物理热和成渣热；熔炼热支出包括：冷却热损失、SiO2分解热、FeO分解热、脱硫热、溶剂分解热、铁水物理热、矿渣物理热、渗碳热等。,一般矿石的熔炼热（Qs）可由下式估算：,3.4.3煤耗与产气量,熔炼煤耗随入炉海绵铁金属化率的提高直线下降，其关系有：产气量与煤耗的关系近似正比；总气量Mg有：还原剂（COH2O）气量Mr有：,3.3.4与还原单元的配合,熔炼单元与还原单元通过还原气和海绵铁的联系称为一个整体；还原单元的还原剂需要量由海绵铁金属化率和气体利用率决定；海绵铁金属化率同时影响产气量（煤耗）和需气量；产气量（Mr）随Rm提高而降低；需气量（Mr）随Rm提高而升高。,0点左边，MrMr，金属化率偏低，还原气供过于求。煤耗由Mr决定，有副产品过剩煤气产出；0点右边，MrMr，金属化率偏高，还原气供应不足；解决办法：循环使用煤气。还原尾气清洗，脱除氧化性成分，加压，预热，返回使用；按Mr确定煤耗。热收入过剩，Tg提高。0点，MrMr，系统最简单，此点称为理论最佳配合点。0点对应的Rm即为Rm0，C记为C0，统称理论最佳配合参数，其由熔炼煤有效热值和矿石熔炼热决定。,3.4.5原燃料及配合参数对煤耗的影响,矿石成分。矿石成分矿石熔炼热配合参数(Rm0）煤耗。式中：Q0矿石预还原金属化率0时的熔炼热，对Q0影响最为显著的参数是TFe、SiO2和CaO。,Rm0随Q0的提高而提高；当Q0很低时，Rm0也很低。虽然对应煤耗较低，但过低会造成冶炼困难，一般规定Rm不能低于85；当Q0很高时，Rm0也很高。太高生产无法满足，一般规定，不能高于96。,熔炼热对配合参数的影响,熔炼煤湿度。湿度Qe煤耗。,3.4熔炼造气煤炭流化床学习重点,熔炼煤的有效热值及影响因素理论最佳配合配合点，理论最佳配合参数；矿石成分、熔炼煤湿度及配合参数对煤耗的影响。,3.5熔炼造气铁浴炉,3.5.1铁浴炉形式熔融还原种采用最广泛的熔炼设备之一。铁浴炉有立式和卧式两种，工作方式分为顶吹和底吹。,立式铁浴炉与氧气转炉相比主要有以下四个特点：通过煤氧燃烧提供熔炼所需热量。因此，熔炼过程消耗大量熔炼煤并产生大量高温煤气。原料是经过预热和预还原的海绵铁或预还原矿。产品类似高炉生铁。连续运行。卧式铁浴炉主要特点是煤气与熔池的接触面积较大，且在炉内有一个与熔池平行的流动过程，强化了气液两相之间的热交换。,铁浴炉中的过程主要有三个：继续完成还原单元未完成的还原过程、将还原出的铁熔炼成生铁和制取还原气(煤的气化)。还原反应：气化反应产物没有二次燃烧的主要产物CO2和H2O。熔炼所需热量由碳的燃烧反应提供：或：,3.5.2影响熔炼煤有效热值的参数,对于铁浴炉有：由上式可见，影响Qe的主要因素是煤气温度和熔炼煤湿度。铁浴炉煤气出口温度与离开燃烧区时的温度差别不大，较煤炭流化床高。主要是由于熔池上方不存在含碳料层，不能有效形成垂直方向的温度梯度。铁浴炉单位煤耗较高。主要是由于熔炼煤在铁浴炉中的有效热值过低，可通过提高燃烧热来改善。,二次燃烧：向气相中通入氧气，烧掉部分煤气，同时保持生成的CO2和H2不被还原。二次燃烧率：通过二次燃烧氧化掉的CO和H2的比例，记为rpc。其对熔炼煤有效热值的影响极大。计算可知，当rpc0.3左右时二次燃烧热的水平即可与一次燃烧相当。,3.5.3二次燃烧率与有效热值,Qcom二次燃烧率QeTg二次燃烧热效率q和煤气水当量燃烧热Qcom与二次燃烧率rpc近似成直线关系。rpc越大，Qe越高。但为了避免金属铁或低价氧化铁的氧化，不能无限提高。二次助燃剂可选用氧气、空气和预热空气。使用氧气时煤气水当量最低，煤气量最低，在同样冶炼强度下煤气与熔池间热交换时间最长，热效率最高。,预热空气明显不利于有效热值的提高；煤气含氮量高，质量变差；随着助燃空气温度提高，Qe有所改善。,重要冶炼参数与二次燃烧率的关系（氧气助燃）,rpc，Qe，Tg。过高会给炉衬维护带来麻烦，煤气物理热的利用越来越重要。煤气物理热的利用方法有：通过换热器预热空气作二次助燃剂；煤气的改质或重整。,煤气的改质或重整：将高温煤气通入煤炭床（如资源条件允许，天然气或其他碳氢化合物也可以使用），使其中的氧化性气体得到还原，提高煤气的还原性气氛，降低煤气温度。,不同二次燃烧率的熔炼煤气改质参数,3.5.4与还原单元的配合,以rpc0.2为例，煤气量Mg有：还原单元的煤气需要量Mg有：理论最佳配合金属化率Rm00.973，理论最低煤耗为682kg。将实际金属化率定在0.96，则实际煤耗为712kg。,二次燃烧是降低铁浴炉煤耗的必要措施。,低二次燃烧率下，煤耗随Rm降低提高的很快，因此应尽可能使用较高的Rm。当rpc0.22，Rm0工业上可达到，流程运行于最佳配合状态。对运行于最佳配合状态的煤耗影响很小，基本可使煤耗稳定在700kg以下。因此，最佳二次燃烧率应当在2025之间。,3.4.5能耗分析,铁浴炉的煤气温度较高，会带来两方面问题：对熔炼炉和输送管道的影响；煤气物理热的回收。预还原矿金属化率对净能耗的影响。,预还原矿金属化率对净能耗的影响。,在低金属化率时，煤气物理热回收对能耗影响很大；物理热回收对能