铁矿石竖炉氢气直接还原温度场模拟

以BL竖炉及工艺参数为计算依据,建立气固传热模型,采用计算流体软件Fluent模拟计算。将球团矿简化为多孔介质,物料的运动采用滑移网格模拟,还原反应采用三步反应参与计算,得到氢气直接还原铁竖炉还原段的温度场,并计算还原气的热效率。结果表明:在一定范围内,随着氢气气量的增加还原段温度梯度逐渐变窄,炉顶气温度逐渐升高,并且还原气的热效率逐渐降低。同时也能够得出还原产物随高度的变化情况。简化的竖炉还原段气固传热模型适用于氢气直接还原竖炉还原段温度场的预测以及炉内反应产物的分析。     

直接还原竖炉还原煤气分析

本文对直接还在竖炉还原煤气及炉内热平衡作了较全面的分析和计算。由于篇幅所限，本期只登煤气分析部分，炉内热平衡将于下期续登。     

氢基竖炉直接还原技术研究现状及展望

概述了国内外氢基竖炉直接还原工艺的发展现状,总结分析了在我国资源及能源条件下气基竖炉直接还原技术发展需要解决的关键问题,包含氢基竖炉专用氧化球团制备技术、氢基竖炉高效直接还原技术、绿色高效制氢技术。基于钢铁生产全流程考虑矿粉磨选工艺的投入,生产全铁品位高于65%,S、P含量低的纯铁精粉球团,可解决我国直接还原铁优质原料缺少的技术难题;或在氢基竖炉炉料中加入块矿、高炉用球团矿,是直接还原技术发展的方向;在高温还原气制备过程中,积碳导致堵塞设备、管道和阀门等风险,需密切关注;绿色高效制氢技术中,风电制氢技术(PEM)成本将会大幅下降,具有明显市场竞争优势。大幅度降低绿氢的制备成本,将是未来气基竖炉直接还原技术发展的主要推动力,利用过剩的焦炉煤气、石化行业副产氢气资源和局部地区相对丰富的天然气资源生产直接还原铁,为实现气基竖炉向全氢还原过渡提供重要支撑。     

BL法竖炉直接还原工艺

介绍了ＢＬ法生产海绵铁的竖炉及其工艺,该竖炉试验期间,生产出金属化率平均为９３．０４％的海绵铁９３．８７５ｔ,达到并超过５ｔ／ｄ的海铁设计能力。     

直接还原竖炉炉内热平衡

本文对直接还原竖炉还原煤气及炉内热平衡作了较全面的分析和计算，还原煤气分析部分已载于本刊１９９５年第３期，本期为炉内热平衡部分。     

富氧煤气化直接还原竖炉新工艺研究

以固体气化煤为燃料，富氧加湿的高温鼓风为气化剂，制取合格的高质量煤气输入还原竖炉，含铁原料在竖炉内的高温煤气作用下转化为直接还原铁。本文介绍了这一工艺流程及其特点，并通过论证说明该工艺的关键技术成熟，工艺方案可行。     

新型煤基竖炉直接还原工艺的探讨

本文在热式煤基竖炉的研究基础上，提出预热预还原段采用内热式对流传热和终还原采段采用外热式传导传热相结合的煤基竖炉直接还原新工艺，并设计建造了模拟试验装置，试验表明，模拟试验装置具有操作方便，控制可靠的特点，同时取得了Ｃ／Ｆｅ比为０．５时，预还原时间为３０ｍｉｎ，终还原时间为１００ｍｉｎ，金属化率大于９５％的良好指标。     

含碳球团竖炉直接还原试验研究

文中报告了９００～９７０℃下含碳球团竖炉直接还原热模拟试验的结果,试验结果表明：含碳４％～８％冷固结含碳球团的冶金性能,可以满足竖炉直接还原的要求;同时发现在含碳球团竖炉直接还原过程中,仍以气体还原为主,但固体碳直接还原的比例随温度升高而增加。并研究了含碳球团竖炉直接还原的规律和工艺参数。     

煤基直接还原竖炉炉中熔剂脱硫的热力学和动力学分析

在实验室模拟了煤基竖炉直接还原海绵铁的生产过程，并用化学反应热力学，动力学理论和先进的测试手段对溶剂（白云石，石灰石）脱硫进行研究，结果表明，ＭｇＣＯ３在炉内完全分解，但脱硫效果不明显，虽然ＣａＯ脱硫作用较强，但ＣａＣＯ３只部分分解，因此，竖炉中加入熔剂后对矿石脱硫有一定的影响，熔剂脱硫过程的化学反应和内扩散反应的相对阻力随着脱硫反应的进行而变化，减小熔剂粒径是提高熔剂脱硫能力的有效方法。     

煤气化竖炉直接还原工艺煤气析碳行为分析

在煤气化直接还原竖炉工艺中,还原煤气的CO体积分数较高,竖炉内部较大温度范围都存在析碳反应发生的可能性。基于竖炉操作压力和温度,分析了竖炉内不同区域的析碳行为,同时考察析碳对炉料温度的影响。理论分析表明,随着压力增加,析碳反应加剧,在竖炉中部的500～700℃范围,析碳反应所处的热力学及动力学条件均较好,发生析碳反应可能性较大,且随着析碳量增加带来的固体温度升高值也较大。     

气基竖炉直接还原技术的发展现状与展望

 阐述了气基竖炉直接还原工艺的技术特点和发展现状,分析了在中国资源和能源条件下气基竖炉直接还原技术发展所面临的主要问题。基于气基竖炉直接还原工艺的特点,对该工艺的原料、还原气等进行了分析研究。指出非常规天然气资源的有效开采和加压煤制气工艺投资、运行成本的显著降低,将是未来气基竖炉直接还原技术发展的主要推动力,同时利用钢铁企业过剩的煤气资源和中国局部地区相对丰富的天然气资源生产直接还原铁,是今后中国气基竖炉直接还原技术发展的重要方向。参照唐山地区的原料和能源价格,对年产量为80万t/a的直接还原铁装置的生产成本和技术经济可行性进行了分析,分析结果表明：原燃料价格波动对DRI成本影响显著,其中还原气成本约占DRI生产成本的10%~25%;若按DRI替代转炉废钢计算效益,要求天然气价格低于1.8元/m3。     

直接还原竖炉内磷反应机理与分配规律

根据竖炉还原特点，用化学反应热力学和模拟还原竖炉试验研究了磷在竖炉中的反应机理和分配规律．得到了煤气中磷全都进入金属铁的结论．降低海绵铁含磷量的措施是降低煤中的磷含量。     

气基竖炉直接还原球团技术的发展

论述了球团矿质量对气基竖炉直接还原生产和DRI质量的影响以及DRI质量对炼钢生产的影响.介绍了提高气基竖炉直接还原工艺用球团矿质量的技术,包括降低Si02含量、降低粘结趋势、提高还原性和提高大粒度(12.5～16.0 mm)球团比率等措施及其发展.指出若把低TFe、高脉石含量的高炉用球团矿直接用于气基直接还原竖炉,至少应该采用球团涂层技术;如果球团矿脉石含量较高,需要借助工业试验进行综合分析以确定其经济性.     

两种还原气条件下球团矿竖炉还原过程的动力学研究

应用未反应核模型研究了两种还原气条件下球团矿竖炉直接还原过程的动力学行为。结果表明 ,在氢碳比等于 0 8和 1 6的还原气条件下 ,球团在BL法竖炉还原的动力学条件相同 ,这两种还原气均适宜于BL法竖炉直接还原工艺     

煤基直接还原竖炉中熔剂脱硫的热力学和动力学分析

在实验室模拟了煤基竖炉直接还原海绵铁的生产过程，并用化学反应热力学、动力学理论和先进的测试手段对熔剂（白云石、石灰石）脱硫进行研究。结果表明，ＭｇＣＯ３在炉内完全分解，但脱硫效果不明显。虽然ＣａＯ脱硫作用较强，但ＣａＣＯ３只有部分分解。因此，竖炉中加入熔剂后对矿石脱硫有一定影响；熔剂脱硫过程的化学反应和内扩散反应的相对阻力随着脱硫反应的进行而变化；减小熔剂粒径是提高熔剂脱硫能力的有效方法。     

气基竖炉直接还原数值模拟分析

针对气基竖炉直接还原过程无法直接观察还原反应运行程度的难点,基于三界面未反应核模型,在忽略模型球团内部温度及假设球团还原反应的热效应完全发生在固相的条件下,建立了气基竖炉直接还原模型,对铁氧化物价态转变进行了数值模拟和验证。结果表明,由于所建立的气固模型包含3个界面,随着铁氧化物的逐级还原,每个界面的反应半径最终趋于0,而还原反应速率随着竖炉深度的增加呈现出先升高后降低的趋势。球团在竖炉内下降到3 m深度时,出现半径为15 mm的FeO反应界面,此时球团还原率约为28%。随着球团继续在竖炉内下行约2 m到达5 m的深度时,Fe₃O₄的界面半径减小为0,此时铁氧化物完全转变成了浮氏体形态,球团还原率约为34%。通过改变不同的工艺参数进行模拟可以发现,还原球团金属化率和还原率随着气体温度的升高而增大。当气体温度以50℃、还原气体流量以5 040 m³/h梯度增大时,其对应的球团金属化率分别增大8%和4%左右。相比之下,球团金属化率受下料速度的影响远超过气体温度和还原气体流量,具体表现为,当下料速度增大0.02 t/h时,金属...     

含碳球团竖炉直接还原工艺流场仿真模拟

针对含碳球团气基竖炉冶炼工艺的特点,采用CFD（计算流体力学）软件构建了含碳球团竖炉直接还原工艺的仿真模型。对影响竖炉内流场分布的可能的因素进行了模拟分析,得出了最优参数。研究结果表明,采用上下布置的双风口的工艺方式最为有利于还原气体在竖炉内的顺行,此时气体流速达到9m/s,便于热量的传递,同时又避免了球团受热不均的情况。     

竖炉生产直接还原铁过程的模型研究

根据气相和固相的质量和能量守恒方程,建立竖炉-球团(块矿)法直接还原炼铁的-维数学模型.含铁原料的还原分别采用逐级反应的单界面模型和同步反应的三界面未反应核模型,并考虑了热量损失,得到了各物质的浓度和温度的变化曲线.以美国吉尔摩厂(Gilmore)的Midrex作为对象进行模拟,模型结果与生产数据相符,验证了模型的准确性.比较模拟结果发现,同步反应的三界面未反应核模型更加准确.     

含钒钛铁精矿氧化球团气基竖炉直接还原模拟试验

我国钒钛磁铁矿资源丰富,但综合利用难度大,现有工艺仍存在一些问题,工艺流程还有待完善和革新。气基竖炉直接还原-电炉熔分新工艺为钒钛磁铁矿资源清洁高效综合利用提供了新途径。以含钒钛的铁精矿为原料制备氧化球团,模拟气基竖炉直接还原条件,研究了还原气组分和温度对球团的还原进程、还原膨胀以及还原强度的影响。结果表明:以钒钛铁精矿为原料,配加1%膨润土,在1 250℃下焙烧20 min后,所制备氧化球团性能良好,具有较高的抗压强度。在恒定还原气组分(纯H2、H2/CO=2.5、H2/CO=1、H2/CO=0.4和纯CO)和温度(850、900、950和1 000℃)下,钒钛铁精矿球团还原速率快、还原膨胀率小(<20%),可满足气基竖炉直接还原工艺要求。煤制气-气基竖炉直接还原凭借其能耗小、环境友好、单机产能大、产品质量好等优点,将在钒钛磁铁矿资源高效清洁综合利用领域得到发展。     

竖炉生产直接还原铁过程的数值模拟

采用基于气相和固相的质量和能量的竖炉-球团(块矿)法直接还原炼铁的一维数学模型.含铁原料的还原采用三界面未反应核模型,并考虑了热量损失,得到了各物质的组成和温度在炉内的分布.以Gilmore厂Midrex作为对象进行模拟,模型结果与生产数据相符,验证了模型的准确性.模拟结果表明:Midrex竖炉的绝大部分区域内气相和固相的温度基本保持在还原煤气的入口温度.对高度为9.75 m的Midrex竖炉,炉内绝大部分为浮氏体的还原,含铁原料运行约0.5 m即可完全变成磁铁矿,运行约2 m即可完全变成浮氏体.在竖炉7.0～9.75 m深度范围内,随着还原气的上行,H2的体积分数迅速减少,而CO的体积分数变化不大.在竖炉2.0～7.0 m深度范围内,H2和CO的体积分数缓慢降低,在竖炉0～2.0 m深度范围内,H2和CO的体积分数显著降低.