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。     

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。     

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.      

流化床中CO还原1～3mm铁矿粉研究

在自制的公斤级高温流化床中研究了CO还原1～3 mm矿粉的还原行为。随着时间的增加,样品的还原率增加,气体利用率却在下降,说明还原前期反应速度快,后期反应慢;温度越高,样品的还原率越大,气体的利用率越高,但随着还原时间的增加,差距在逐步缩小。当还原温度为850℃时,前20 min的还原率为80%,气体利用率为8%左右,这说明高温下,CO还原1～3 mm铁矿粉的反应速度是很快的。温度越高,表观反应速率常数越大,而且增加的幅度也越来越大;随着气速的增加,铁矿粉的还原率增加,并且几乎成线性关系,表明高温下,使用CO气体作为还原剂时,可以允许更高的气速,从而可以提高设备的生产效率。随着料层高度的增加,金属化率与还原率不断下降,然而气体利用率却在不断升高。试验中CO还原1～3 mm铁矿粉时的表观活化能为59.11 kJ/mol。     

铁矿球团气体还原的动力学研究

本文回顾了铁矿还原动力学研究的三个发展阶段及其与炼铁生产实践的关系。在实验数据的基础上,对H_2—CO/CO_2混合型煤气还原铁矿球团的速率现象、气—固相反应中固相结构变化(包括微孔隙度、比表面积、矿相组成的变化)和形态学等方面,进行了综合探讨。阐述了固相结构形态与气体还原势、温度、压力以及碳素沉积等各种因素在各级氧化铁还原过程中的相互作用。     

熔融还原煤气改质的数值模拟

考虑到两步法熔融还原中煤气的显热没有得到充分的利用,对煤气改质进行数值模拟研究.研究结果表明,相同的气体温度和气体流量下,碳消耗量随着填充床的高度增加(或碳基粒度的减少)而增加,水蒸气消耗量随着填充床高度的增加(或碳基粒度的减少)而减少;COREX终还原炉发生煤气改质后氧化度由0.10降至0.065,HIsmelt熔融还原炉炉顶煤气氧化度由0.625降至0.223,煤气的显热得到充分利用.     

基于低温快速预还原的熔融还原炼铁流程

提出了基于低温快速预还原的熔融还原炼铁流程。由三部分组成:熔融气化炉,主要功能是熔化海绵铁和产生预还原所需的还原煤气;预还原部分,由两级快速循环床和一级矿粉预热床组成,主要功能是将矿粉转变成高金属化率的铁粉,金属化率大于85%;煤气处理,包括尾气换热、煤气洗涤、煤气增压、脱除CO2等工序,功能是调节预还原所需的煤气成分、煤气量与温度。新工艺采用精矿粉或粒度小于1 mm的矿粉,具有还原温度低、反应接近平衡态、金属化率高等特点,吨铁燃料比有望在600 kg左右,实现炼铁工艺的高效、节能与减排。     

高炉瓦斯灰制含碳球团直接还原试验研究

通过试验对高炉瓦斯灰和氧化铁皮制得含碳球团的直接还原进行了研究,考察了不同还原气氛、球团中不同C/O、还原时间、还原温度对还原结果的影响。结果表明:高温下含碳球团在空气中直接还原就能获得很高的金属化率。当球团中C/O在1.2以上时,球团的金属化率在还原过程中一直增加,在1 350℃下还原30 min,球团的金属化率达到96.94%。球团金属化率的变化趋势表明球团在反应开始是由化学反应控速环节控制,而后逐渐向扩散控速环节过渡。在1 400℃下空气中还原30 min,球团中还原出的铁与渣完全分离。     

两步三段式厚渣层铁浴熔融还原炼铁工艺

针对目前熔融还原设备无法将煤气二次燃烧氧化区与铁氧化物还原区隔离而导致能耗偏高的问题,提出了一种两步三段式厚渣层铁浴熔融还原炼铁工艺,以期利用厚渣层冶炼的方法使得氧化区与还原区的梯度隔离。设计了主反应器铁浴炉尺寸与产能,并建立了工艺的整体静态模型,考察了球团金属化率与铁浴炉炉顶煤气氧化度对工艺煤耗、氧耗以及能耗的影响。在选定的适宜操作参数,即煤气氧化度55%,球团金属化率80%条件下,冶炼1t铁水,消耗球团矿1 869.83kg,煤粉674.07kg,同时得到还原度71%的改质煤气898.44kg。结合反应器的设计产能,反应器可处理球团矿3 793.66kg/(h·m2)。     

攀枝花钛精矿直接还原过程的研究

研究了攀枝花钛精矿球团的氧化规律和温度、时间、还原剂数量等对不同氧化率的球团外配碳直接还原效果的影响。在相同条件下与原矿球团相比,外配碳球团的金属化率有明显的提高,并且随球团氧化度的升高而增加。在还原剂配比合适时。再增加还原剂的用量。对还原球团金属化率的影响不显著。但往钛精矿球团内加入少量的碳,却可以显著提高还原球团的金属化率。     

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...     

折流式移动流化床改质焦炉煤气预还原铁矿粉的数值模拟

 建立了折流式移动流化床内利用改质焦炉煤气进行气基粉铁矿预还原的数学模型。模型求解采用FLUENT和PHOENICS的联合求解。冷态工况的数值模拟结果和试验结果进行了比较。通过比较床层平均压降和分析气固相的流动行为,对提出的数学模型的可靠性进行了验证。利用所建立的数学模型对利用该反应器和采用改质COG(焦炉煤气)对铁矿粉预还原的工艺过程进行了热态模拟。在模拟的工况条件下,指出了反应器内分布板布置上的缺陷;反应器必须采用气体分布板振动才可以保持气固正常流动,同时保持较小的流化气速。还原气温度的整体降幅达到770K,气相还原势的利用率达到35%,矿粉的还原分数达到0.7,反映出该反应器内良好的气固换热和对还原势的利用率。该反应器在一个紧凑的结构下实现了对还原气热能和还原势的梯级利用。     

高磷鲕状赤铁矿气基竖炉直接还原试验

针对高磷鲕状赤铁矿无法高效利用的现状,采用XRD和SEM对高磷鲕状赤铁矿矿物的组成及矿相结构进行研究分析,提出采取气基直接还原工艺来处理此类矿石。系统研究与分析了还原温度、还原时间、还原气氛和还原气量等因素对高磷鲕状赤铁矿直接还原过程中金属化率的影响规律。研究结果表明,在还原温度为1 100℃、还原时间为4 h、还原气体中φ(H_2)∶φ(CO)为1∶1、还原气体流量为2 600 m~3/h的条件下,金属化率可以达到92.10%。     

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.      

钒钛磁铁矿竖炉还原动力学初探

按未反应核心模型及理想置换型移动床气固反应原理,分别推导了单颗钒钛磁铁矿球团和还原竖炉内钒钛矿料粒的反应速度式。以多种文献报道的实验数据计算了钒钛矿球团还原过程的传质系数k_1、k、D_e。在竖炉还原的实际条件下,还原总速度受内扩散影响最大而与气膜扩散无关。对竖炉还原钒钛磁铁矿的主要动力学参数进行了讨论。     

铁基载氧体化学链燃烧还原过程的数学模型

为了研究铁基载氧体的反应特性,基于未反应缩核模型建立了移动床内铁基载氧体颗粒还原过程的一维数学模型.模型中考虑了铁基载氧体与H2、CO的多级还原反应,气体组分体积分数模拟值与实验值的平均误差为6.9%,总还原度的平均误差为11.2%.研究表明:铁基载氧体在移动床反应器内最终还原度约为23%,主要进行的反应是第一级和第二级还原反应,第一级和第二级还原度分别为95%和40%;提高反应器内温度、选择合适的载氧体粒径及气固比有助于增加反应的深度,提高合成气及铁基载氧体的利用率,载氧体粒径建议取1~2 mm.      

高炉煤气中氢含量对炉料还原的影响

研究不同H_2含量煤气条件下高炉炉料的还原过程,观察矿石微观结构及元素成分,结果表明:相同温度下,随着氢气含量增加矿石中铁元素聚集明显增加;随着还原气中氢气含量增加,矿石失重率、还原率、金属化率均升高。由于氢气含量的提高,间接还原得到发展,可以有效降低直接还原度。但是氢气含量过高,则会发生非铁金属的还原,这可能导致能耗升高,煤气中的氢气含量应选择合适的值为15%左右。     

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.      

不同还原方法对赤铁矿粉金属化率的影响

对粒径40～160 μm的赤铁矿粉进行直接还原的实验研究,利用H2作为还原气体在竖直管式炉中流态化焙烧还原,利用固体C在马弗炉中静态堆积原位焙烧还原.结果表明,随着赤铁矿粉粒径变小、反应温度提高、反应时间增加、还原气体流量增大,赤铁矿还原速率增大,金属化率明显提高.以H2作为还原气体反应30 min,金属化率可达94.60％.煤基堆积静态直接还原赤铁矿粉,以同心圆布料,1100℃下还原3.5h,金属化率达到96.85％.