COREX熔化氣化爐風(fēng)口回旋區(qū)塌料現(xiàn)象研究

周曉雷，韓立浩，羅志國，余艾冰，2

（1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004;2.新南威爾士大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院顆粒系統(tǒng)模擬研究中心，悉尼 新南威爾士 2052）

COREX熔化氣化爐風(fēng)口回旋區(qū)塌料現(xiàn)象研究

周曉雷1，韓立浩1，羅志國1，余艾冰1，2

（1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004;2.新南威爾士大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院顆粒系統(tǒng)模擬研究中心，悉尼 新南威爾士 2052）

通過建立COREX熔化氣化爐熱態(tài)模型，利用石蠟?zāi)M礦石，玉米粒子模擬焦炭，對熔化氣化爐風(fēng)口回旋區(qū)塌料現(xiàn)象進(jìn)行了定性的研究.研究結(jié)果表明，在某些條件下風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)存在塌料現(xiàn)象，并且熔煉率越大、礦/（焦+塊煤）體積比越大、風(fēng)口回旋區(qū)煤氣溫度越高、風(fēng)口回旋區(qū)煤氣量越大，越容易產(chǎn)生塌料現(xiàn)象.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了塌料現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并針對COREX熔化氣化爐生產(chǎn)條件提出技術(shù)建議，供生產(chǎn)人員參考.

COREX熔化氣化爐;風(fēng)口回旋區(qū);塌料;熱態(tài)模型

COREX煉鐵工藝是一種新型的煉鐵生產(chǎn)工藝，它不僅能使用非煉焦煤直接煉鐵，而且工藝流程短、投資小、生產(chǎn)成本低、污染少、生產(chǎn)的鐵水質(zhì)量可以與高爐鐵水相媲美［1］.COREX熔融還原煉鐵過程在兩個反應(yīng)器中完成，即上部的預(yù)還原豎爐，將鐵礦石還原成金屬化率為92% ～93%的海綿鐵;下部的熔化氣化爐，將海綿鐵熔煉成鐵水，同時產(chǎn)生還原煤氣.COREX熔化氣化爐是一個內(nèi)部發(fā)生氣－固－液多相高溫反應(yīng)的復(fù)雜容器［2，3］.在 COREX 熔化氣化爐內(nèi)部，從上到下包括上部空間擴(kuò)大區(qū)、填充床區(qū)、軟熔區(qū)域、半焦床、風(fēng)口回旋區(qū)、死料柱區(qū)及渣－鐵盛聚區(qū)等區(qū)域.

風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)的物理化學(xué)機(jī)制十分復(fù)雜.在實(shí)際生產(chǎn)中，工業(yè)純氧不斷鼓入風(fēng)口并噴吹煤粉，焦炭顆粒以及煤粉，在隨氣體運(yùn)動的過程中，發(fā)生動量傳輸、熱量傳輸、質(zhì)量傳輸及化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量和煤氣，保證煉鐵生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行.風(fēng)口回旋區(qū)的穩(wěn)定運(yùn)行對COREX熔化氣化爐冶煉過程起著十分重要的作用，是爐況順行的基礎(chǔ).

很多學(xué)者采用冷態(tài)實(shí)驗(yàn)對風(fēng)口回旋區(qū)的尺寸、邊界及其內(nèi)部的流動狀況進(jìn)行研究.Hatano M［4］，Takahashi H［5］，Sarkar S［6］，杜爾諾夫［7］等人各自建立了冷態(tài)模型，通過對模型的觀察或拍照，獲得回旋區(qū)各方面參數(shù)，回歸出不同條件下回旋區(qū)大小的關(guān)系式，總結(jié)出風(fēng)口回旋區(qū)直徑與床層高度、風(fēng)速、風(fēng)口大小等多個因素的關(guān)系.冷態(tài)模型實(shí)驗(yàn)假設(shè)風(fēng)口回旋區(qū)處于完全由焦炭組成的填充床中，未考慮礦石的軟熔過程及其產(chǎn)生的影響.

關(guān)于礦石軟熔過程也有很多學(xué)者進(jìn)行了大量研究.入田倰幸［8］，田村健二［9］，福島勤［10］等人各自建立了熱態(tài)模型，通過對模型觀察、測溫、測壓、測電阻等方法，研究操作參數(shù)對軟熔帶的影響.但是這些學(xué)者大多沒有考慮回旋區(qū)對軟熔帶的影響，少部分學(xué)者僅僅通過人為搭建固定形狀的回旋區(qū)代替.

當(dāng)前COREX熔化氣化爐采用混裝布料方式，與高爐傳統(tǒng)的層裝布料方式不同，回旋區(qū)和軟熔區(qū)域也有著不同的存在形式.作者依據(jù)相似原理建立熔化氣化爐熱態(tài)物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用石蠟顆粒模擬DRI，玉米顆粒模擬塊煤和焦炭，并從風(fēng)口吹入熱空氣模擬高溫煤氣.由于物料和熱風(fēng)的相互作用，實(shí)驗(yàn)過程中模型內(nèi)可形成回旋區(qū)、半焦床、軟熔區(qū)域、填充床等區(qū)域.

本研究通過熱態(tài)實(shí)驗(yàn)考察熔煉率、礦/（塊煤+焦）體積比、風(fēng)口回旋區(qū)煤氣溫度和風(fēng)口回旋區(qū)煤氣量等操作條件對熔化氣化爐風(fēng)口回旋區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行的影響.

1 熔化氣化爐物理實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部尺寸依據(jù)寶鋼COREX熔化氣化爐縱剖面的內(nèi)部幾何尺寸按1:30比例縮小設(shè)計(jì)制作.模型整體為不銹鋼結(jié)構(gòu)，夾層有石棉保溫層;模型正面設(shè)有雙層鋼化耐熱玻璃作為觀察面板，可以保溫;模型背面有測溫孔，熱電偶通過測溫孔伸入模型內(nèi)部15 mm，溫度數(shù)據(jù)由工程控制機(jī)保存;模型兩側(cè)各有兩個風(fēng)口由側(cè)壁插入，向下傾角4（°），深入爐內(nèi)2 mm，可通熱風(fēng)，連接到風(fēng)口的氣體管路有保溫材料包裹;模型頂部有布料裝置;模型底部有排料裝置，包括機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)和爐底擋板，可控制模型排料速度，并且能夠保證排料速度均勻平穩(wěn);模型內(nèi)設(shè)有死料柱，死料柱的位置和形狀依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置.

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，包括鼓風(fēng)機(jī)、氣體流量計(jì)、熱風(fēng)機(jī)、氣流分配器、物理模型、熱電偶、溫度變送器和計(jì)算機(jī).

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

1.2 實(shí)驗(yàn)物料

本實(shí)驗(yàn)采用粒徑約3 mm的石蠟顆粒模擬DRI，3 mm玉米顆粒模擬塊煤和焦炭，從風(fēng)口吹入熱空氣模擬高溫煤氣.熱風(fēng)通過風(fēng)口進(jìn)入模型，在模型內(nèi)上升的過程中，不斷把熱量傳遞給物料，最終從模型頂部排出.制備好的物料按實(shí)際生產(chǎn)時礦/（塊煤+焦）體積比均勻混合后，通過布料裝置進(jìn)入模型，模型中的物料越接近風(fēng)口，溫度越高.加入的物料在下降過程中，溫度逐漸升高;當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時，石蠟顆粒逐漸軟化;當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，石蠟顆粒熔化形成石蠟小液滴;石蠟液滴滴落，經(jīng)過半焦床和回旋區(qū)，進(jìn)入爐缸;最終通過模型底部排料裝置連續(xù)排出.

1.3 預(yù)備實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時模型內(nèi)變化情況描述如下.在實(shí)驗(yàn)開始2 min時，通過觀察面板看不到回旋區(qū)，但是物料中的石蠟顆粒在熱風(fēng)的作用下開始熔化.隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，回旋區(qū)開始出現(xiàn)，并且逐漸增大且趨于穩(wěn)定，軟熔區(qū)域不斷地向邊緣擴(kuò)展并且厚度不斷增加.一些條件下的實(shí)驗(yàn)逐步形成穩(wěn)定的各個區(qū)域一直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束.還有一些條件下的實(shí)驗(yàn)，軟熔區(qū)域發(fā)生塌陷，上沿中心位置彎曲，軟熔區(qū)域的厚度也有所減小，塌落的物料進(jìn)入到回旋區(qū)，通過觀察面板看不到回旋區(qū)的存在.但是經(jīng)過一段時間，回旋區(qū)會再次出現(xiàn)，并隨時間延長回旋區(qū)大小緩慢增加，軟熔區(qū)域厚度不斷增加，其上邊緣逐漸變平.部分條件下的實(shí)驗(yàn)會多次發(fā)生塌料現(xiàn)象并恢復(fù).整個實(shí)驗(yàn)過程依賴物料和熱風(fēng)的相互作用，在模型內(nèi)形成熔化氣化爐爐內(nèi)的各個區(qū)域.

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

在某些條件下的實(shí)驗(yàn)過程中，通過觀察面板可以發(fā)現(xiàn)回旋區(qū)塌料現(xiàn)象.本實(shí)驗(yàn)通過熱電偶測溫的方法考察風(fēng)口回旋區(qū)塌料現(xiàn)象，熱電偶位置如圖1所示.當(dāng)發(fā)生塌料現(xiàn)象時，回旋區(qū)上方的物料突然塌落，導(dǎo)致回旋區(qū)尺寸變小，塌落的物料將熱電偶包圍，導(dǎo)致熱電偶溫度發(fā)生突降.此熱電偶的溫度隨時間的變化曲線，可以判斷塌料現(xiàn)象何時發(fā)生.

1.5 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)采用3 mm石蠟顆粒模擬DRI，3 mm玉米顆粒模擬塊煤和焦炭.兩種物料按實(shí)際生產(chǎn)時礦/（塊煤+焦）體積比均勻混合后裝入模型中.實(shí)驗(yàn)過程中，物料從模型上方連續(xù)加入，從模型下方連續(xù)排出.由生產(chǎn)實(shí)際熔煉率，計(jì)算模型排料速度;利用佛魯?shù)聰?shù)［11，12］計(jì)算模型風(fēng)量;由風(fēng)口吹入熱空氣，熱空氣溫度由模型物料平衡及熱量平衡［13］計(jì)算.實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示.

表1 物理實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters of physicalexperiment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 排料速度

其他實(shí)驗(yàn)條件相同，不同排料速度下特征位置熱電偶測得溫度隨時間的變化如圖2所示.由圖可見，排料速度為2.2 dm3/h時，溫度變化曲線光滑、無突變，說明此條件下風(fēng)口回旋區(qū)穩(wěn)定，氣體和物料運(yùn)動過程穩(wěn)定;排料速度為4.4 dm3/h時，溫度曲線有較小的波動，說明風(fēng)口回旋區(qū)基本穩(wěn)定，通過觀察發(fā)現(xiàn)，雖然此時不斷有成塊的固體物料落入風(fēng)口回旋區(qū)之中，并隨氣體回旋運(yùn)動，這導(dǎo)致了溫度有一定的波動，但整體還比較穩(wěn)定;排料速度為6.6 dm3/h時，該點(diǎn)的溫度變化曲線存在較大的波動，在23 min、39 min、53 min均發(fā)現(xiàn)了溫度的突變，這說明在本實(shí)驗(yàn)條件下存在回旋區(qū)周期性塌料現(xiàn)象，周期大約為15 min.

圖2 不同排料速度下，特征點(diǎn)溫度隨時間變化的曲線Fig.2 Under different discharge rates，temperature change of the specific thermocouple w ith the time

2.2 石蠟顆粒/玉米顆粒體積比

不同石蠟顆粒/玉米顆粒體積比下，熱電偶測得溫度隨時間變化的曲線如圖3所示.石蠟顆粒/玉米顆粒體積比為0.5∶1時，溫度變化曲線光滑、無突變，說明此條件下風(fēng)口回旋區(qū)穩(wěn)定，氣體和物料運(yùn)動過程穩(wěn)定.石蠟顆粒/玉米顆粒體積比為0.75∶1時，溫度曲線有較小的波動，說明風(fēng)口回旋區(qū)基本穩(wěn)定.石蠟顆粒/玉米顆粒體積比為1∶1時，溫度變化曲線存在較大的波動.在35 min、50 min發(fā)生溫度的突降，這說明在該實(shí)驗(yàn)條件下回旋區(qū)塌料現(xiàn)象的發(fā)生周期大約為15 min.

圖3 不同石蠟顆粒/玉米顆粒體積比下，特征點(diǎn)溫度隨時間的變化Fig.3 Under differentwax/maize volume ratio，temperature change of the specific thermocoup le w ith the time

2.3 風(fēng)溫

不同風(fēng)溫下，熱電偶測得溫度隨時間變化的曲線如圖4所示.風(fēng)溫為80℃和100℃時，溫度變化曲線光滑、無突變，說明此條件下風(fēng)口回旋區(qū)穩(wěn)定，氣體和物料運(yùn)動過程穩(wěn)定.風(fēng)溫為120℃時，該點(diǎn)的溫度變化曲線在35 min溫度發(fā)生了突變，這說明在本實(shí)驗(yàn)條件下存在回旋區(qū)塌料現(xiàn)象.由于實(shí)驗(yàn)在60 min結(jié)束，未發(fā)現(xiàn)第二次塌料，預(yù)計(jì)其塌料周期大于25 min.

圖4 不同風(fēng)溫下，特征點(diǎn)溫度隨時間變化的曲線Fig.4 Under different b last tem perature，tem perature change of the specific thermocouple w ith the time

2.4 風(fēng)量

不同風(fēng)量下，熱電偶測得溫度隨時間變化的曲線如圖5所示.風(fēng)量為10 m3/h、14 m3/h和18 m3/h時，溫度變化曲線光滑、無突變，說明此條件下風(fēng)口回旋區(qū)穩(wěn)定，氣體和物料運(yùn)動過程穩(wěn)定.但通過觀察發(fā)現(xiàn)，風(fēng)量為18 m3/h時，風(fēng)口回旋區(qū)發(fā)生周期很短的頻繁塌料現(xiàn)象，塌料后風(fēng)口回旋區(qū)迅速恢復(fù)，溫度曲線波動不明顯.

圖5 不同風(fēng)量下，特征點(diǎn)溫度隨時間變化的曲線Fig.5 Under different blast volume，temperature change of the specific thermocouple w ith the time

3 對實(shí)際生產(chǎn)的分析

COREX－C3000自投產(chǎn)以來，熔化氣化爐經(jīng)常出現(xiàn)頂壓冒尖、爐溫波動、風(fēng)量不穩(wěn)、風(fēng)口易損壞、爐缸向涼、渣鐵出不凈等現(xiàn)象.這些現(xiàn)象又與高爐風(fēng)口回旋區(qū)發(fā)生塌料時的征兆非常相似，如風(fēng)壓、風(fēng)量不穩(wěn)，劇烈波動;頂壓出現(xiàn)向上尖峰;風(fēng)口工作不均，部分風(fēng)口有涌渣現(xiàn)象，嚴(yán)重時灌渣;爐溫波動，嚴(yán)重時鐵水溫度顯著下降，放渣困難等.在此判斷在某些操作條件下熔化氣化爐風(fēng)口回旋區(qū)會產(chǎn)生塌料現(xiàn)象.

在分析熔化氣化爐塌料現(xiàn)象產(chǎn)生的原因之前，先總結(jié)引發(fā)高爐塌料現(xiàn)象的原因.引發(fā)高爐塌料現(xiàn)象的原因包括:焦炭質(zhì)量差;休風(fēng)次數(shù)多;爐熱;爐涼;低料線;頻繁更換裝料和送風(fēng)制度等.當(dāng)前COREX－C3000具有類似的影響因素.①COREX工藝本身使用塊煤代替大量焦炭，導(dǎo)致熔化氣化爐內(nèi)半焦質(zhì)量較低.②相對于高爐來講，熔化氣化爐相當(dāng)于低料線.③由于COREX在我國尚屬一種新興的煉鐵技術(shù)，其生產(chǎn)過程仍屬于摸索和磨合階段，為了尋找合適的裝料制度，導(dǎo)致現(xiàn)場操作人員頻繁更換裝料制度.④生產(chǎn)過程中，熔化氣化爐風(fēng)口破損頻繁，需要經(jīng)常更換，導(dǎo)致送風(fēng)制度不穩(wěn)定.這些都可能導(dǎo)致熔化氣化爐風(fēng)口回旋區(qū)發(fā)生塌料現(xiàn)象.

在本研究實(shí)驗(yàn)條件下，熔煉率越大、礦/（焦+塊煤）體積比越大、風(fēng)口回旋區(qū)煤氣溫度越高、風(fēng)口回旋區(qū)煤氣量越大，熔化氣化爐風(fēng)口回旋區(qū)越容易產(chǎn)生塌料現(xiàn)象.對于熔煉率來講，熔煉率越大越容易產(chǎn)生塌料現(xiàn)象，這就需要在實(shí)際生產(chǎn)過程中控制熔煉率參數(shù)，避免引起爐況不穩(wěn);對于礦/（焦+塊煤）體積比來講，當(dāng)采取噴煤操作時，噴入的煤粉替代了大量的焦炭和塊煤，導(dǎo)致礦/（焦+塊煤）體積比增加，焦炭的骨架作用降低，容易引起塌料現(xiàn)象;對于風(fēng)口回旋區(qū)煤氣溫度和氣量來講，在實(shí)際生產(chǎn)過程中存在風(fēng)口風(fēng)量不穩(wěn)、風(fēng)口易損壞、風(fēng)口工作不均等現(xiàn)象，可能導(dǎo)致部分風(fēng)口吹氧量較高，這部分回旋區(qū)煤氣溫度上升，煤氣量增加，增加風(fēng)口回旋區(qū)塌料現(xiàn)象發(fā)生的可能性.

此外，COREX煉鐵工藝正逐步引入噴煤技術(shù).噴入煤粉對回旋區(qū)塌料現(xiàn)象具有正反兩方面影響.一方面，噴入煤粉可以降低回旋區(qū)煤氣溫度，減少塌料現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性;另一方面，當(dāng)噴入煤粉具有較高揮發(fā)份時，一般會產(chǎn)生大量的煤氣，會增加回旋區(qū)塌料現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性.從FINEX熔化氣化爐噴煤工藝的開展來看，噴煤工藝的引入對煉鐵生產(chǎn)有利.

為了減少塌料現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)當(dāng)以穩(wěn)定爐況為前提，保證入爐料質(zhì)量，提高半焦強(qiáng)度，穩(wěn)定裝料和送風(fēng)制度.避免熔煉率過高;避免礦/（焦+塊煤）體積比過大;避免煤氣溫度過高，煤氣量過大;避免風(fēng)口工作不均;減少高揮發(fā)份煤粉吹入風(fēng)口回旋區(qū).

4 結(jié)論及技術(shù)建議

通過熱態(tài)物理實(shí)驗(yàn)，在不同實(shí)驗(yàn)條件下觀察到在模型內(nèi)存在形式相似、程度不同、周期不等的風(fēng)口回旋區(qū)塌料現(xiàn)象.本文結(jié)論及技術(shù)建議如下.

（1）C－3000熔化氣化爐冶煉強(qiáng)度越大、礦/（焦+塊煤）體積比越大、風(fēng)口回旋區(qū)煤氣溫度越高、風(fēng)口回旋區(qū)煤氣量越大，越容易產(chǎn)生塌料現(xiàn)象.

（2）為了減少塌料現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)當(dāng)以穩(wěn)定爐況為前提，保證入爐料質(zhì)量，提高半焦強(qiáng)度，穩(wěn)定裝料和送風(fēng)制度.避免熔煉率過高;避免礦/（焦+塊煤）體積比過大;避免煤氣溫度過高，煤氣量過大;避免風(fēng)口工作不均;減少高揮發(fā)份煤粉吹入風(fēng)口回旋區(qū).

（3）建議在每個風(fēng)口處安裝壓力傳感器，監(jiān)測壓力變化，由風(fēng)口處壓力值是否發(fā)生突變判斷該風(fēng)口回旋區(qū)是否發(fā)生塌料現(xiàn)象.

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Experimental research on the collapsing phenomena in the raceway of COREX melter gasifier

ZHOU Xiao-lei1，Han Li-hao1，LUO Zhi-guo1，YU Ai-bing1，2

（1.School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China;2.Center for Simulation and Modeling of Particulate Systems，The School of Materials Science and Engineering，The University of New South Wales，NSW 2052 Sydney，Australia）

In order to qualitatily study the collapsing phenomenon near the raceway of melter gasifier，a physical thermalmodelwas established and the state inside themodel was simulated with the particles of wax and maize.The results showed that there were the collapsing phenomena near the raceway，with the increasing of themelting rate，ore/（lump coal+coke）volume ratio，raceway gas temperature and raceway gas volume，the probability of collapsing increased.According to the experimental results，the reason of collapsing was analyzed and the suggestions about the COREX melter gasifier production were given

COREX melter gasifier;raceway;collapsing phenomenon;thermalmodel

TF 557

A

1671-6620（2011）01-0001-05

2010-12-06.

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助 （N090402021）.

周曉雷 （1981—），男，漢族，吉林省吉林市人，東北大學(xué)博士研究生，E－mail:zhouxiaolei81@163.com.