折流式移动流化床COREX煤气预还原粉铁矿的数值模拟

建立了折流式移动流化床内粉铁矿预还原的二维气固反应流CFD模型.模型的数值求解采用PHOENICS和FLUENT的联合求解.与之前的实验结果相比,在冷态条件下单床层平均压降和气固相流动行为的数值模拟结果与其基本一致,得出所提出的数学模型是可靠的.在此模型基础上,对采用COREX输出煤气对铁矿粉预还原的工艺过程进行热态模拟.在模拟的工况条件下,还原气温度的整体降幅700 K,气相CO和H_2还原势的利用率分别达到38%和26%,矿粉的还原分数达到75%,即反应器内有良好的气固换热而且对COREX煤气还原势的利用率较高,实现了对还原气热能和还原势的梯度利用.      

COREX预还原竖炉反应进程的物理模拟

COREX工艺主要由预还原竖炉和熔化气化炉两部分组成,预还原竖炉作为气-固逆流式反应器,炉内铁氧化物的还原情况至关重要,关系到整个流程的生产效益.本文通过建立1∶20的半圆周冷态模型,利用硅胶吸水逐渐变色的特性进行预还原竖炉内气-固反应进程的可视化模拟实验,测定了不同气体流量下填充床内铁矿石的还原情况.结果表明炉内径向铁矿石还原率相差较大,随着气体流量增大而炉内气-固反应进程加快,反应进程在轴向、径向上很不均匀.     

气基竖炉工况焦炉煤气甲烷改质行为试验

 利用焦炉煤气+气基竖炉生产优质海绵铁,可延伸焦化行业产业链,同时可促进中国废钢/海绵铁—电炉短流程发展,改变钢铁行业能源、产品结构。针对典型焦炉煤气,通过基础性试验研究了在气基竖炉工况下,温度、H2O和CO2配比,高温海绵铁载体对焦炉煤气中甲烷改质行为的影响。研究结果表明,提高温度有利于焦炉煤气中甲烷的改质反应,1000℃时改质后有效还原气体体积分数最高可达80%;热态海绵铁对焦炉煤气改质有催化促进作用,可提高CO2参与改质反应比例至84.9%、H2O参与反应比例至100%;CO2配入体积分数2%～6%、H2O配入体积分数4%～10%为促进甲烷改质反应的适宜范围。     

高炉喷吹改质焦炉煤气减少CO2排放的技术发展

在日本,自2008年起开始推进COURSE50项目,该项目隶属于国际钢铁协会的CO2减排计划的子项目,旨在通过创新技术在炼钢工艺中减少CO2的排放。这项计划通过氢气还原铁矿石,以及CO2捕获分离和回收等措施开发减少CO2排放的技术。计划中的一项关键技术是,通过改质的焦炉煤气,利用氢气还原技术来降低高炉中碳的消耗。通过软熔测试装置进行了还原试验来论证炉身喷吹的条件。结果表明,在炉身喷吹改质焦炉煤气能有效改善炉墙区域的透气性,喷吹的高氢含量改质焦炉煤气可增加间接还原度。得到了改质焦炉煤气的理想喷吹条件:改质焦炉煤气的喷吹量应控制在200Nm3/t以上,同时喷吹煤气的比例达到20%以上。建立了高炉炉身喷吹改质焦炉煤气的气固两相流冷态模型,以分析高炉内的煤气流分布。对炉内煤气流量、流速对气流分布的影响进行了研究。结果表明,从炉墙向内可穿透的最大距离为炉身半径的15%～20%。该结果表明,通过在炉身喷吹改质焦炉煤气来减少高炉碳消耗的可能性较大,由于利用氢还原比利用CO还原具有更高的反应效率,进而减少炼铁工艺的CO2排放。     

铁矿粉的还原行为和在预还原流化床中的循环特性

在日本钢管公司福山钢铁厂施行了预还原流化床－铁浴熔融还原炉的操作。和为烧结料的铁矿粉直接送入流化床，流化术设计成一个致密床并装备了循环装置。在这个完整试验工厂通过操作，弄清了铁矿粉的还原特性，根据大型结果和基于模拟模型的淘析行为。在８００℃床内温度下的３０－６０ｍｉｎ的适当还原时间，铁矿粉的还原度达到２０－２５％。在本试验中，在有关粉矿的矿循环的影响没有定量地弄清，但利用数学模型对赞成的循环比率进     

流态化技术在熔融还原工艺中的应用

介绍了FINEX、FINMET、Circored和HIsmelt等几种典型熔融还原工艺采用流化床处理粉铁矿的技术及特点。总结了熔融还原中采用流化床处理粉铁矿应遵循的原则。参考国内外有关流化床处理粉铁矿的实践经验,提出了一种采用流化床处理粉铁矿的熔融还原炼铁新工艺流程,按照冶金功能分为4个系统:使用约800℃的还原煤气生产还原度约80%的DRI的流态化预热预还原系统;直接使用粉煤、高温高预还原度炉料、纯氧冶炼,二次燃烧率控制在20%左右的铁浴终还原系统;具有调节和变换终还原高温煤气和循环使用炉顶煤气功能的煤气改质系统;解决输出煤气利用的综合利用系统。     

COREX煤气富氢改质的数值模拟

考虑到COREX熔融还原炼铁工艺中高温煤气物理余热的有效利用和富氢预还原的可行性,模拟了在某一假想碳基填充床内待改质气流通量和气体温度对改质过程的影响。模拟结果表明,在碳基填充床内进行煤气富氢改质是可行的;水消耗量随气流通量或气体温度的提高而增加,碳消耗量随气体温度的提高而增大,但随气流通量的增加而减少;改质后φ（CO）随气流通量或气体温度的提高而减少,φ（H2）随气体温度的提高而增加,但随气流通量的增加则先增加后减少。     

折流式移动床反应器内粉铁矿煤气还原模拟算法的研究

以质量守恒定律，动量守恒定律和能量守恒定律为基础，通过分析折流式移动床反应器中煤气预报还原粉铁矿的传热和传质过程，并结合粉铁矿煤气还原的动力学数据，全面考虑了煤气和粉铁矿的热力学性能数据，建立了粉铁矿在折流式移动床中的还原数学模型，为优化折流式移动床干燥器的设计和粉铁矿还原的实验研究提供了可靠的理论依据。     

流化床处理粉铁矿工艺研究

评述了流化床处理粉铁矿的工艺,根据流化床反应器在工业中的应用实际,分别评述了流化床磁化焙烧生产铁精矿,流化床预热粉铁矿并低预还原度还原后添加到铁浴熔池,流化床生产直接还原铁(DRI)和碳化铁(Fe3C)作电炉炼钢原料,多级流化床生产较高预还原度DRI供熔融气化炉终还原冶炼铁水等工艺中流化床反应器的应用.     

洁净熔融还原炼铁中间试验设备的最初成果

目前，已成功地开发日产５ｔ铁水的熔融还原工艺，该工艺只有一个单反应器，铁矿粉及氧喷入到反应器的上部，煤粉及氧喷入反应器的下部形成煤气气旋区，该气旋将通过预热和预还原的下降炉料使其进行炉深度还原，最终生成铁水。     

氢气还原1～3mm铁矿粉的动力学研究

在自制的kg级高温流化床中研究了氢气还原1～3 mm矿粉的动力学试验。随着时间的增加,气体利用率下降,表明还原前期反应速度快,后期反应慢;温度越高,气体利用率越高,但随着还原时间的增加,差距在逐步缩小;对于750℃,前20 min的气体利用率为9%,金属化率达到84%,说明氢气还原矿粉反应是非常迅速的。随着气速的增加,金属化率在增加,并且几乎成线性关系,因此使用氢气作为还原剂,可以允许更高的气速,从而提高设备的生产效率。随着料高的增加,金属化率不断下降,然而气体利用率却在不断升高。使用氢气作为还原剂,可以将还原温度降低到700～750℃,避免流化床过程中的粘结难题;试验中氢气还原1～3 mm铁矿粉时的表观活化能为58.4kJ/mol。     

还原气氛对流态化还原铁矿粉黏结失流的影响

采用热态可视流化床装置研究了973~1173 K不同气氛条件对流态化还原铁矿粉黏结失流的影响.研究发现,一定表观气速条件下温度和还原气氛组成对失流时铁矿粉的金属化率影响不大,而失流时颗粒微观形态受还原气种类和温度的影响较显著,但还原气体积分数对形态的影响较小.此外,流化时间随着还原气体积分数的增大而逐渐缩矩,并通过线性拟合得到了不同温度时二者间的数学关系式.      

Analysis of reduction of iron ore and oxidation of reducing gas in moving bed

To investigate the influence of technical parameters on reduction of iron ore and oxidation of reducing gas in moving bed, the coupling kinetic model of iron oxide reduction and reducing gas oxidation in moving bed was established. The model was applied in pre- reduction shaft furnace of C- 3000, and main calculating results were in a good accordance with production data. At a certain ratio of gas flow to ore mass, improving gas velocity at standard state can increase output of metal iron, yet decrease ratio of metallization and gas utilization rate. At a certain gas velocity at standard state, improving ratio of gas flow to ore mass can increase ratio of metallization, yet decrease output of metal iron and gas utilization rate. Reduction potential of gas has a substantial effect on reduction efficiency. It is suggested to improve reduction potential of gas to a 95% level for a high ratio of metallization. At a certain gas velocity at standard state, increasing gas pressure can improve ratio of metallization and gas utilization rate. Inert gas content has a disadvantageous effect on reduction reaction in moving bed. It is advantageous for improving reduction efficiency in moving bed by adjusting increasing ratio of pellet or adding part of rich- hydrogen gas in reducing gas.     

Kinetics of Reduction Reaction in Micro-Fluidized Bed

 Micro-fluidized bed reactor is a new research method for the reduction of iron ore fines. The reactor is operated as a differential reactor to ensure a constant gas concentration and temperature within the reactor volume. In order to understand the dynamic process of the reduction reaction in micro-fluidized bed, a series of kinetic experiments were designed. In the micro-fluidized bed, the use of shrinking core model describes the dynamic behavior of reduction of iron ore. And the apparent activation energy is calculated in the range of 700-850 ℃ while the initial atmosphere is 100% content of CO.     

工艺参数对连续流化床内铁矿粉还原效果的影响

为了研究工艺参数对连续流化床内铁矿粉还原效果的影响规律,建立了两级连续流化床内氧化铁还原及煤气氧化耦合动力学模型.R1级流化床主要为FeO的还原,采用优质煤气作为还原剂,FeO来自R2级反应器;R2级流化床主要将Fe₂O₃还原到FeO,Fe₂O₃来自预热的R3流化床反应器,还原气来自R1还原尾气.模型主要计算结果与文献吻合.并以此为模型研究了矿粉粒度、流化床内压力等参数对流化床还原效果的影响.为了取得矿粉平均金属化率不小于85%、煤气利用率不低于38%和气矿比950~1050 m3·t-1的还原效果,流化床应满足如下工艺条件:矿粉平均粒度1.5 mm以下,流化床温度780~800℃,煤气还原势不低于93%,惰性气体体积分数小于5%,R1流化床内煤气平均压力3.5×105~4.0×105 Pa,停留时间的倒数u_g/H=1.0~1.1 s-1,R1流化床矿粉平均停留时间30 min,R2流化床矿粉平均停留时间20 min.      

氧化铁气基还原过程的气体氧化动力学

 为了研究氧化铁气基还原过程的气体氧化过程,给出了气基还原单个/单层氧化铁颗粒（球团）的气体利用率计算公式,并建立了氧化铁还原及还原气体氧化的耦合动力学模型。结合氢气还原单颗粒氧化铁以及氧化铁固定床、流化床还原试验得出,在还原分数较低时,气体利用率较高,但是随着还原分数的提高,气体利用率不断下降、还原时间明显延长。缩小颗粒粒度、提高反应速率常数（温度、优质还原剂、催化剂等）等措施有利于提高还原分数和气体利用率;单纯提高气体速度（增加气矿比）,有利于提高还原分数,但是使气体利用率降低。     

Intensifying Gaseous Reduction of High Phosphorus Iron Ore Fines by Microwave Pretreatment

 Gaseous reduction kinetics of the high phosphorus iron ore fines from Hubei in China and effect of microwave pretreatment on the gaseous reduction behavior were studied. Gaseous reduction kinetics were investigated by TG (Thermogravimetric) methods using LINSEIS STA PT 1600 thermal analysis equipment. Microwave pretreatments to the ore fines with four power levels were performed using a high temperature microwave reactor. Its effect was examined by TG methods and its mechanism was analyzed by SEM (scanning electron microscope) and EDS (energy dispersive spectrometer). Gaseous reduction tests were carried out using a tubular furnace. Results of kinetic study indicate that controlling step of the gaseous reduction of the ore fines is a mixing control of gas internal diffusion and interface chemical reaction when reduction fraction is less than 0. 8 and is solid state diffusion when reduction fraction is more than 0. 8. Microwave pretreatment of the ore fines could change the pore structure of the oolitic unit to generate cracks, fissures and loose zones, which promotes reduction in the early stage and delays the occurrence of sintering. Gaseous reduction tests show in the condition that the ore fines are pretreated with a microwave power of 450 W for 4 min and reduced under temperature of 1273 K, the gaseous reduction of the ore fines could be apparently intensified. Using CO or H2 as a reductant and ore fines being reduced for 1. 5 to 2 h , increase of metallization rate of the ore fines is 10% to 13%.     

HIsmelt熔融还原主反应器能质流转模型构建与验证

 HIsmelt熔融还原炼铁工艺以铁矿粉和煤粉作为原料,流程中不需要烧结、球团和焦化,与高炉炼铁流程相比具有降碳减排等优势。明晰能质流转过程对HIsmelt熔融还原炼铁实际生产具有指导意义。基于物料平衡、热平衡方程,对输入和输出HIsmelt主反应器物质和能量进行平衡计算,建立能质流转模型,并结合FactSage中Equilib模块计算的各元素在渣铁两相间的质量分配比及实际生产数据对其进行修正。该模型可以计算原料和燃料成分、矿煤质量比、二次燃烧率、热风氧含量等参数对铁水温度、炉渣成分、热风量、煤气量等主要冶炼指标的影响。其次依据该模型,进行了物料平衡、热平衡计算,依据实际生产数据对模型计算结果进行了验证,结果表明该模型与实际生产数据契合度较高。探究了矿煤质量比对冶炼的影响,矿煤质量比为1.39～1.45时,矿煤质量比降低0.1,会使二次燃烧率降低0.23%,进而造成煤气化学能的利用率降低,同时需要更多的热风使煤粉燃烧,热风量和煤气产生量增加,可以通过适当提高热风氧含量以提高二次燃烧率并使煤气量降低来改善;矿煤质量比降低0.001,会使铁水温度升高3.76 ℃,有利于铁水后续的加工处理,但铁水温度升高使铁元素在铁液与渣中的比值降低,使炉渣FeO质量分数升高0.026%,增加铁损,可通过降低富氧热风喷吹量来降低铁的氧化量,从而降低铁损。     

Energy Consumption in Smelting Reduction

The concepts of theoretical gas utilization ratio, smelting heat of iron ore and effective calorific value of coal were introduced in this work. The practical gas utilization ratio and the gas consumption in the shaft of a reduction unit for smelting reduction were discussed. The Corex process was optimized and the energy consumption was minimized according to the relationship of gas production in the smelting unit and the degree of iron ore reduction in the reduction unit. It was proven that the most important factor for saving energy in smelting reduction process is to use coal with suitable effective calorific value for the smelting heat of iron ore.