球团内气-固反应的实验研究

球团内气-固反应的实验研究

气-固反应包括气、气体和固体之间的反应、分解反应和通过气体中间产物的固固反应。在现代冶金工业中,有时使用熔剂性球团和含碳球团.在铁矿球团的造球工艺中,通常采用氢氧化物、石灰石、白云石和菱镁石作为粘结剂和添加剂.球团内磁铁矿的氧化反应可表达为氧化过程中,球团内的添加剂发生分解.在文献中,发现了熔剂性球团焙烧过程中,存在使氧化反应停顿的熔剂分解反应最小速度,建立了这个最小速度与球团内碳酸盐配比和焙烧温度的关系,理论分析了低于这个最小速度时,球团氧化速度降低的原因.在含碳球团的还原工艺中,球团在氧化性气氛中还原.球团中氧化铁的还原可表达为在文献中,发现了含碳球团在氧化性气氛还原时,存在一个无氧化反应发生的最低还原速率,并根据Stefan流理论计算了这个还原速率.本文根据传统气-固反应理论,提出了一个双向气-固反应概念,用以研究上述问题.1气体与球团间的反应气体与球团之间的化学反应可表达为球团内部的气-固化学反应(分解反应或通过气体中间产物的气-固反应等)可表达为(3)和(4)式中,a,b,e,f和c,d,g,h分别为反应物和生成物的摩尔系数.在此称球团内部和气体与球团之间同时发生的气-固反应为双向气-固反应.双向气-固反应过程见图1.气体与球团之间的反应过程包括:气体反应物从气流向球面的传质;气体反应物从球面向化学反应界面扩散;化学反应界面上进行化学反应.球团内部的气-固反应过程为:在球团内部气-固化学反应界面上进行化学反应;气体产物从化学反应界面向球面传递;气体产物从球面向气流中传质.2双向气-固反应临界速度实验结果证实,在双向气-固反应中,存在一个使气体与球团之间的反应停顿的球团内部气-固反应最小速度,称为双向气-固反应临界速度.低于这个临界速度,从球团内排出的气体使气体的扩散系数降低,气体与球团之间的反应速度降低.因此,双向气-固反应的特性可用双向气-固反应临界速度和双向气-固反应的气体扩散系数表示.2.1气体扩散过程在恒温、静止的A+H混合气氛中,发生双向气-固反应(1)和(2).球团内部气-固反应速度用气体产物的质量流量表示.根据Stefan流理论,从球团内排出的气体通过流动和分子扩散两种方式迁移到环境中.在球团周围气体浓度分布是球对称时,从球团内排出的气体质量流为式中M为用气体质量流量表示的球团内部气-固反应的速度,g·s-1;r为球团边界层半径,cm;A为与球团反应的气体反应物;H为球团内部气-固反应产生的气体;DAH为气体的扩散系数,cm2·s-1;ρ为气体密度,g·m-3;YH为气相中任意r处的气体H的摩尔分数.VS为从球团内排出的气体的Stefan流速,cm·s.-1与球团反应的气体传输到球面的质量流量为式中m为与球团反应的气体传输到球面的质量流量,g.s-1;为在从球团内排出的气体干扰下的扩散系数,称为双向气-固反应扩散系数,cm2·s-1;YA为气相中任意r处的气体A的摩尔分数.若气体与球团之间的反应不能发生,(6)式可表示为(7)式代入(6)式得式中VHL在双向气-固反应临界速度下从球团内排出的气体速度,cm·s-1.(8)式代入(5)式,并考虑到YA+YH=1和dYA/dr+dYH/dr=0,(5)式可表示为式中ML为用气体质量流量表示的双向气-固反应临界速度,g·s-1;对(9)式积分(ML与r无关),并取边界条件式中rp为球团半径,cm;Yp,A为与球团反应的气体A的平衡摩尔分数;Y∞,A为气相中气体A的摩尔分数.可得在对流条件下,根据对流传质与一个假想的扩散过程等价的原则,(9)式可表示为式中Re为球团在气流中的Reynolds数(R=0为相对静止,Re≠0为强制对流);Sh为球团的传质Sherwood数;Sc为气体的Schmidt数.因为从球团内排出的气体对气相中气体向球团扩散的影响,需在(11)式中添加一个修正系数.将(11)和(13)式代入(12)式中,得由(14)式可见,与球团反应的气体浓度低于反应的平衡浓度(Y∞,A≤YP,A),ML,Re≠0≤0,气体与球团之间的反应不能发生,这与热力学的结果是一致的.气流速度和与球团反应的气体浓度降低(Re和Y∞,A减小),双向气-固反应临界速度(ML,Re≠0)降低.2.2球团内部气-固反应的测定双向气-固反应发生时,由(5)式得将(15)式代入(6)式,整理得对(16)式积分(MH与r无关),并取边界条件可得YH与M成正比,两者的关系可表示为(19)式代入(18)式,得由(20)式可见,通过实验测出ML和M,可以计算得到.如果没有球团内部气-固反应发生,MH=0,Yh=0,.当双向气-固反应发生时,不断变化.球团内部气-固反应速度愈大(M增大),产生的气体的浓度愈高(YH增加),距球面愈近(r减小),愈小.3碳球团用于恢复2号区域的特征参数3.1含碳球团在nad-2和特点中的还原度和还原速率含碳球团在CO2中还原时,CO2与被还原的球团之间的反应为球团内铁氧化物被碳还原的反应可表示为由失重法测量的含碳球团在N2和CO2中的还原度和还原速率曲线见图2.比较图中曲线可以看出,在还原初期还原速率在N2和在CO2中的基本相同,到还原后期在CO2中的还原速率才低于在N2中的.在N2和CO2中还原后期速率曲线的交点可认为是含碳球团在CO2气氛中还原的临界还原速率.3.2co氧化特性由反应(21),含碳球团还原时产生的是CO.由(14)式求得,含碳球团在CO2中的还原临界速度为式中VRL为含碳球团在CO2中还原时的临界还原速度,g·g-1·s-1;Mo为与铁氧化物结合的氧量,g;C为修正系数.在不同温度、气相中CO含量和CO2流速的条件下,测量的和按(23)式计算的VRL见表1.由表1可见,温度升高,VRL增大;在一定温度下,VRL随气相中CO浓度的升高而降低,随CO2气流速度的增大而增大.4双向气-固反应模型根据熔剂性球团在氧化焙烧和含碳球团在氧化性气氛中还原的实验结果,提出了球团内部和气体与球团之间的气-固反应同时发生的双向气-固反应的概念.在传统的气-固反应模型基础上,提出了双向气-固反应模型.根据双向气-固反应特点,提出了表示双向气