COREX熔融氣化爐熱模擬研究

鋼鐵/980804ineto鋼鐵科技期刊WANFANG DATAIRON&STEEL1998年8月第33卷第8期COREX熔融氣化爐熱模擬研究呂慶呂長(cháng)星段振瀛(河北理工學(xué)院) (東北大學(xué))陳炳慶張瑞祥(寶山鋼鐵(集團)公司)滴要根據COREX熔融氣化爐的模擬試驗,對預還原礦金屬化率、煤種、預還原礦預熱溫度、煤炭流化床、爐渣、熱平衡進(jìn)行了分析研究。得到了合理的熔融氣化爐冶煉參數。關(guān)鍵詞COREX 熔融氣化爐模擬試驗HOT SIMULATION OF COREX GASIFIERLU Qing LUChangxingDUAN Zhenying(Hebei Institute of Technology) (Northeastern University)CHEN BingqingZHANG Ruixiang(Baoshan Iron and Steel Corp.)ABSTRACT By hot simulation of COREX gasifier,the relation between metallization rate of DRI,kind of coal,preheat temperature and fluidization of coal,slag,heat balance have been studied.Reasonable parameters are obtained for COREX gasifier.KEY WORDS COREX,gasifier, simulation experiment1前言熔融氣化爐(煤碳流化床)是COREX工藝的關(guān)鍵環(huán)節之一。它的作用是進(jìn)行終還原和造氣,它的工作狀態(tài)直接影響著(zhù)COREX工藝的產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和能耗。因此,對它進(jìn)行模擬研究,提供工藝參數是非常必要的。2實(shí)驗設備、 過(guò)程及條件2.1實(shí)驗設備COREX熔融氣化爐實(shí)驗裝置如圖1。中國煤化工熔融氣化爐反應器內徑160mm ,截面積0.0201 m2 ,高680mm,MYHCNMHG。噴氧管內徑13mm ,噴槍伸入反應器內壁10mm，下傾6° ~ 7° , 距爐底166mm。為了減少反應區的熱損失,在反應器外部安裝了二硅化鉬發(fā)熱體,可自動(dòng)控fl//E vqkgt/980804.htm (第1/ 6頁(yè)) 2010-322 2031:40鋼鐵/980804個(gè)預熱爐推 DRI,煙囪煤倉電動(dòng)機-s生螺旋給煤機樓孔板486微機控制控溫電偶化護打印機[畫(huà)面的一-號變送器氧槍變壓器底溫熱電偶可控硅調壓電源圖1COREX熔融氣化試驗裝置Fig.1 Experiment equipment of COREX meltinggasifier furnace制到與反應區溫度同步。因此,它是- -個(gè)絕熱反應裝置。2.2 試驗條件各種配比的預還原礦和石灰石、白云石成分見(jiàn)表1。經(jīng)篩選三種煤可供試驗使用,即陽(yáng)泉、神府、大同煤,其揮發(fā)分含量分別為10.97%、33.83%、30.25 % ;固定碳含量分別為77.14%、59.42 %、58.20%。 并組成兩個(gè)配煤方案,配比1B為陽(yáng)泉煤10% ,神府煤50%，大同煤40% ; 2B :陽(yáng)泉煤20% ,大同煤80%。試驗方案如表2。表1預還原礦、石灰石、白云石成分%Table1 Composition of DRI , limestone and dolomite成分TFe | MFe| FeO SiO2|CaO |Al2O3 MgO | MnPS| 金屬化率1/91.48 86.39 6.54 3.03 1.76 1.07 0.1370.1340.047 0.02092A89.92 81.7010.57|2.991.74 1.05 0.135 0.132 0.046 0.0209(3A91.17 79.0015.65|2.89 1.68 | 1.02 | 0.13 0.128 0.045 0.0198|白云石| 0.150.46 | 31.5 0.04 21.780.038 0.003石灰石0.190.47 55.24 0.29 0.180.002 0.018表2試驗方案Table2 Experimental plan編號23|4678|預熱溫度/°C 800 700 800 800 800 800 800 800礦種1A1A1A1A2A3A中國煤化工煤種1B|1B|1B 1B 1B 1BMHCNMH Gfle//E vqkg1980.t.m (第2/ 6頁(yè)) 2010-3-22 20.31:40鋼鐵/9808043試驗結果及分析3.1不同金 屬化率預還原礦對冶煉過(guò)程的影響在1、6號對比試驗中發(fā)現,兩種礦加入熔融氣化爐后,風(fēng)口與爐頂間的壓差都在逐漸升高6號樣在6 min后壓差升高到1180Pa ,而1號樣在10 min后才達到840 Pa,如圖2所示。引起這一現象的主要原因是:隨著(zhù)預還原礦金屬化率的降低,渣量增加,而且初渣主要集中在半焦層之上，使風(fēng)口鼓入的氧氣穿過(guò)此初渣層時(shí)阻力增加。另外,金屬化率低的預還原礦熔化時(shí)渣中FeO的含量高，在熔池中FeO的直接還原反應加劇,結果產(chǎn)生大量的泡沫渣。泡沫渣不但使風(fēng)口至爐頂間壓差升高,熔池溫度降低,而且還會(huì )給冶煉帶來(lái)- -系列不利影響。因此,對不同金屬化率的預還原礦不能以任意的速率進(jìn)行熔化[1]。根據試驗結果,預還原礦的熔化速率必須與爐內壓差和碳一氧反應速度相適宜,如6號試驗達到1號試驗的壓差、熔池溫度水平,預還原礦的熔化速率必須由6號的10 kg/h降到7 kg/h?？梢?jiàn),使用低金屬化率預還原礦時(shí),熔融氣化爐為正常生產(chǎn)不得不降低熔化速率。3.2不同配煤方 案對冶煉的影響1 2001 100290030041012時(shí)間/ min圖2不同金屬化率預還原礦冶煉時(shí)壓差與時(shí)間關(guān)系(熔池溫度1500°C)Fig.2 Relation of differential pressure and timeduring melting DRI in different metallization●- 1號試驗; 0 - -6號試驗爐缸煤氣溫度取決于風(fēng)口前碳氧燃燒溫度,而這一溫度的高低主要由煤的固定碳和揮發(fā)分的含量決定。另外,熔融氣化爐產(chǎn)生的煤氣要求有一定的氫含量 ,氫含量的多少主要由煤的揮發(fā)分決定,但是,高揮發(fā)分的煤在爐內由于迅速加熱膨脹、分裂及組織脆化產(chǎn)生粉末給冶煉造成困難,一般要求揮發(fā)分在20%~ 30%。因此,選擇煤是十分重要的。表3是試驗用煤的絕熱氣化溫度。揮發(fā)分由低到高的順序是陽(yáng)泉、大同、神府,而絕熱氣化溫度由高到低的順序是陽(yáng)泉、大同,神府。顯然,單獨使用-種煤不能很好地滿(mǎn)足熔融氣化爐冶煉的要求。試驗使用了兩種不同的配煤方案1B、2B ,它們的冶煉效果無(wú)明顯差別。因此,為了得到較高的絕熱氣化溫度、適宜的煤氣氫含量和理想的冶煉效果,高、低揮發(fā)分的煤種混合使用是十分必要的。表3煤的絕熱氣化溫度中國煤化工T able3 Insulating gasifier temperaturefHCNM HGof coalfl://E vqkg[v980.t.m (第3/ 6頁(yè)) 2010-3-22 20.31:40鋼鐵/980804煤種陽(yáng)泉大同神府2B絕熱氣化溫度/°C 2519.9 2146.8|2 012.0|2 116.7|2 221.43.3預還原 礦預熱溫度對冶煉的影響在1500 °C熔池溫度下,預熱溫度為800 °C和700 °C的單體預還原礦熔化完了時(shí)間分別為10.50 s和11.70s[1]。在加礦和加煤速度均為0.165 kg/min的條件下,實(shí)際測定了1號(800 °C)和2號(700 °C)兩種不同預熱溫度的礦熔化時(shí)熔池溫度的變化。根據測定,兩種預還原礦進(jìn)入熔池后使爐缸溫度由1 510°C分別下降到1481 °C和1 458°C ,大約在9 min后溫度同時(shí)開(kāi)始.上升,但它們始終存在大約20。C的溫度差。顯然,預熱溫度影響了預還原礦的熔化速度和爐缸溫度,因此,提高預還原礦的預熱溫度是十分必要的。3.4 COREX煤炭流化床的吹出速 度和分層流化熱模型試驗中氧氣供給速度平均為0.115~ 0.117m3/min,在1 600 °C時(shí)爐內空塔速度為1.7~1.93 m/s, dg小于5.5 mm煤?？梢粤骰?。1 000 °C時(shí)爐內空塔速度為1.15~ 1.31 m/s,小于0.6 mm的煤粒被吹出。這一點(diǎn)與吹出爐塵的粒度分析相吻合。因此,應避免0.6 mm的煤粒入爐。由于COREX工藝入爐的煤粒徑為50~ 0mm[2] ,其中大部分煤顆粒直徑大,且篩分組成寬。當流化速度低于最大粒徑的臨界流化速度時(shí),分層現象必然產(chǎn)生,這對下部不流化的半焦靜止床的存在是非常必要的,它是碳氧燃燒為COREX熔融氣化爐提供熱源和滲碳及各元素終還原等冶金反應的主要場(chǎng)所[3]。因為COREX是無(wú)篩板的流化床,根據試驗結果,不流化的靜止半焦床的合理高度最好控制在噴氧口中心線(xiàn)上200 ~ 300 mm(具體數字要根據生產(chǎn)實(shí)踐確定) , 這樣可使爐缸下部煤氣中含有適量的CO2,解決下部熱量不足的矛盾。這-點(diǎn)類(lèi)似鐵浴法工藝中所追求的適宜的二次燃燒率-樣,因此,認識和掌握控制半焦靜止床高度的技術(shù)非常重要。另外,選擇適宜的風(fēng)口直徑,使氣流具有適宜的動(dòng)能且氣流的初始分布均勻穩定是COREX操作所追求的目標。3.5 造渣制度與生鐵質(zhì)量各次試驗生鐵成分如表4 ,爐渣中FeO的含量,初渣在6%左右,終渣在2 %左右。1號試驗的爐渣自然堿度: Ca0/SiO2 = 0.36, CaO+MgO/SiO2=0.6; 4號試驗: CaO/iO2= 0.90, CaO+MgO/SiO2= 1.25; 7號試驗與寶鋼高爐渣成分相近CaO/SiO2= 1.03 , CaO+MgO/SiO2= 1.24;其余試驗爐渣堿度: CaO/SiO2= 1.02 , CaO+Mg0/SiO2= 1.54。1號、4號爐渣二元堿度均小于1 ,實(shí)際試驗生鐵硫含量分別為0.155 %和0.107%。從表4可以看到,只要爐渣保持一定堿度(C aO/SiO2> 1)就能生產(chǎn)出合格的低硫低硅生鐵。表4生鐵成分%Table4 Pig iron composition成分123456C 4.40 4.41 4.14 3.85 4.50 4.94 4.57 4.47S| 0. 155 0.072 0.070 0.107 0.0650.058 0.095 0.0550.075 0.044 0.044 1.26| 0.55 0.37中國煤化工Si | 0.04 0.10 | 0.16 1.78 0.14 0.15MYHCNMH G .fl://E vqkg1v80.t.m (第4/ 6頁(yè)) 2010-3-22 20.31:40鋼鐵/980804由于COREX法冶煉過(guò)程中氧化物間固相反應機會(huì )少,若用石灰石作熔劑,成渣時(shí)石灰的外殼生成一層2CaO.SiO2的反應殼,它的熔點(diǎn)很高,不利于內部石灰繼續熔化,若選用白云石代替石灰石為熔劑時(shí),因生成的礦物是鎂硅鈣石3CaO.MgO.SiO2較2CaO-SiO2熔點(diǎn)低,使化渣早,成渣速度較快,有利于渣鐵間脫硫的進(jìn)行,使生鐵硫含量降低。試驗結果表明[4] , COREX工藝渣中MgO的含量不應超過(guò)16% ,如果Mg0含量過(guò)高,爐渣的流動(dòng)性變差,熔化性溫度高, Fe2+離子在渣中擴散困難,因而使渣中FeO偏高,渣的脫硫能力變差。在工業(yè)生產(chǎn)中,為保證造渣成分的穩定, COREX冶煉過(guò)程中應將吹出之爐塵,收塵后連續噴回熔融氣化爐是非常必要的。3.6熔融氣化爐下部區域熱平衡計算與分析在試驗條件下,熱損失為零。根據試驗數據計算的熱平衡可知,碳素在風(fēng)口氧化放熱占熱收入的89.94% ,因此,維持熔融氣化爐正常冶煉的熱源主要依靠碳在風(fēng)口前的氧化放熱。在支出項中,由于爐頂煤氣溫度較高(943°C) ,它帶走了32.43 %的熱量。其次是加熱爐料的熱量占21.74 %。兩項占支出項的54.17 %。這反映了熔融氣化爐熱平衡的特點(diǎn)。從爐內熱平衡計算還可以看出, 熱支出大于熱收入(相差3688.79k) , 造成這-結果的主要原因是在熱平衡計算中認為風(fēng)口前氧與碳反應全部生成CO。如果適當地控制風(fēng)口前碳與氧的燃燒狀態(tài)可使煤氣中含有部分CO2,使爐內下部熱平衡收入項增加，例如,當煤氣中CO2/(CO+CO2)= 10%時(shí),熱量總收入為54359.36kJ。 熱收入與支出差為1956.81 kJ。根據試驗測定爐缸最高溫度為1566.6°C ,高于外界恒溫溫度1 550°C。 從爐頂煤氣分析結果看，煤氣中均含有部分CO2 ,所以通過(guò)控制半焦固定床的高度, 適當地控制風(fēng)口前碳與氧的燃燒狀態(tài),可以解決和改善爐子下部對熱量和溫度的需求。4結論(1)預還原礦金屬化率應大于90% ,這樣不但加快了預還原礦的熔化速率,提高了熔融氣化爐的生產(chǎn)效率,而且有利于提高鐵水質(zhì)量。(2)為了保證爐缸溫度、適宜的煤氣氬含量和理想的冶煉效果,高、低揮發(fā)分的煤種混合使用是十分必要的。(3)預熱溫度高的預還原礦有利于熔化和保持較高的熔池溫度, 因此,對于豎爐一熔融氣化爐工藝應使預還原礦保持上限溫度。(4)認識和掌握控制半焦靜止床高度的技術(shù)是非常重要的,試驗中高度控制在噴氧口中心線(xiàn)上200 ~ 300 mm。(5)渣中二元堿度大于1 , MgO的含量在16%左右,就能得到合格生鐵。(6)經(jīng)計算熔融氣化爐下部熱量不足,應適當控制風(fēng)口前氧煤的燃燒狀態(tài),產(chǎn)生部分CO2,這樣不但有利于提高下部溫度,而且能夠降低爐頂溫度,使爐內熱量得到充分利用。參考文獻1呂慶, 李殷泰.預還原礦熔化行為對熔融氣化爐冶煉的影響.東北大學(xué)學(xué)報, 1997,(1) : 54~58.中國煤化工2 DelportH M.W.COREX Technology.Ironmaking and Steelmaking. 1992,/MH| CNMHG,3 LemperleL.COREX技術(shù)- 從理論到工業(yè)化.唐山鋼鐵公司,東北大學(xué)口洞，歸咄還原從鐵新工藝.1993 , 366.4呂慶,尹海生.COREX工藝中高M(jìn)g0爐渣性能的研究河北理工學(xué)院學(xué)報, 1996, (4) : 18.fle//E vqkg(/980804.htm (第5/ 6頁(yè)) 2010-322 2031:40鋼鐵980804中國煤化工MYHCNMHG .，