反應(yīng)罐直接還原鐵脫硫的研究

姜銀舉，董小明，宋紹開，樊 珍，張 鋒

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)，包頭 014010)

反應(yīng)罐直接還原鐵脫硫的研究

姜銀舉，董小明，宋紹開，樊 珍，張 鋒

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)，包頭 014010)

對反應(yīng)罐煤基直接還原鐵進(jìn)行了脫硫?qū)嶒炑芯?研究了脫硫劑CaO加入量對海綿鐵脫硫率的影響，考察了CaO、CaCO3、白云石等不同脫硫劑的脫硫效果，得到了最高脫硫率時海綿鐵中硫的分布情況.

直接還原鐵;反應(yīng)罐;脫硫

反應(yīng)罐直接還原法屬于煤基直接還原法.生產(chǎn)中一般采用隧道窯加熱方式.基于我國豐富的煤基資源，以及我國鋼鐵工業(yè)迅速發(fā)展對海綿鐵需求的增長，該法自20世紀(jì)90年代開始在我國得到快速發(fā)展［1］.作者開展了實驗室反應(yīng)罐直接還原的系列研究工作［2～4］，本文是相關(guān)研究工作的繼續(xù).對于硫含量高的鐵精礦，反應(yīng)罐直接還原可以實現(xiàn)脫硫，脫硫的機理也闡述明確［5～8］，但對于不同脫硫劑的效果，海綿鐵中硫分布的研究報道較少，為此開展了本論文的研究工作.

1 實驗方法

1.1 實驗原料及設(shè)備

實驗原料為鐵精礦粉、半焦和脫硫劑，原料的化學(xué)成分列于表1和2.脫硫劑分別為CaO、CaCO3、白云石，粉末狀，粒徑在0.16 mm以下.CaCO3為分析純，含量大于99.0%;CaO由分析純CaCO3高溫?zé)岱纸獾玫?白云石，化學(xué)式為CaCO3·MgCO3，工業(yè)級(其中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為CaO－29.65%，MgO－21.34，SiO2－0.67%， Ig－46.21%).

鐵精礦粉中配加FeS，使鐵精礦粉中的硫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.12%，鐵精礦中的硫在直接還原過程中以FeS的形式存在.FeS為分析純，F(xiàn)eS含量大于80%.FeS破碎為粒徑0.16 mm以下粉末，鐵精礦粉和FeS粉末在混料罐中充分混合均勻，作為實驗原料.

實驗設(shè)備為箱式電阻爐，CS－8810型紅外碳硫分析儀.

表1 鐵精礦粉化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 The chemical composition(mass fraction) of iron concentrate powder %

表2 半焦化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 The chemical composition(mass fraction) of char %

1.2 實驗方法

反應(yīng)罐直接還原實驗所用反應(yīng)罐、裝料方法、溫度控制及冷卻方式與文獻(xiàn)［2］相同，脫硫劑均勻配加在半焦中.

實驗條件:鐵精礦粉、半焦的加入量分別為341 g、152 g，溫度1 140℃，保溫時間2.0 h.以CaO作脫硫劑時，考察了不同質(zhì)量下的脫硫率;以CaO、CaCO3、白云石作脫硫劑時，考察了脫硫劑種類對海綿鐵脫硫率的影響;并得到了海綿鐵中硫的分布情況.

1.3樣品的取樣、分析及相關(guān)計算

海綿鐵樣品取樣采用徑向取樣法.在樣品上、中、下三個部位分別用鋸條徑向鋸開，收集鋸下粉末混合均勻后取樣.分析結(jié)果即為海綿鐵中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù).海綿鐵分層后取樣采用同一方法.樣品的上、中、下三個部位徑向鋸開后，用鋸條在每層的厚度內(nèi)刮取一定質(zhì)量的粉末混合均勻后取樣.

采用多處徑向取樣法可使所取樣品均勻、有代表性.

鐵精礦及還原后的海綿鐵的硫含量利用CS—8810型紅外碳硫分析儀測定.

反應(yīng)罐直接還原鐵脫硫率的計算公式如下:

式中:R脫硫為脫硫率;m1為鐵精礦的質(zhì)量，g;w1為鐵精礦中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;m2為海綿鐵的質(zhì)量，g;w2為海綿鐵中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%.半焦中硫含量甚微，可以忽略不計.

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 脫硫劑CaO不同加入量的脫硫率

脫硫劑CaO的加入量分別為3.8、7.6、11.4、15.2 g.CaO加入量對海綿鐵脫硫率影響的數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 CaO加入量對海綿鐵脫硫率的影響Table 3 Effect of adding amount of calcium oxide on the desulphurization ratio of sponge iron

由表3和圖1知，增加CaO量對提高海綿鐵的脫硫率是明顯的，但加入量超過一定量(焦炭質(zhì)量的7.5%)以后脫硫率不會再有明顯提高.直接還原條件下的脫硫過程如下:

圖1 CaO加入量對海綿鐵脫硫率的影響Fig.1 Effect of adding amount of calcium oxide on the desulphurization ratio of sponge iron

總反應(yīng)式:

從方程式可以看出此反應(yīng)為氣－固反應(yīng)，脫硫反應(yīng)依托于CO氣體進(jìn)行.隨著直接還原反應(yīng)的結(jié)束，脫硫反應(yīng)也停止，因此，脫硫率最高只能達(dá)到72%左右.當(dāng)脫硫劑加入量能夠滿足反應(yīng)(2)需要時，增加脫硫劑的量并不能提高脫硫率.

2.2 不同脫硫劑的脫硫率

CaO、CaCO3、白云石加入量分別為11.4 g.不同脫硫劑對海綿鐵脫硫率影響的數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 脫硫劑的種類對海綿鐵脫硫率的影響Table 4 Effect of desulfurizing agent types on the desulphurization ratio of sponge iron

從表4中數(shù)據(jù)分析可知在相同實驗條件下CaO的脫硫率最高，CaCO3次之，白云石最差.CaCO3高溫分解產(chǎn)生的CaO才起到脫硫的作用，故CaCO3脫硫率相對較低.白云石分解生成的MgO不參與脫硫反應(yīng)，只有CaO參加反應(yīng)［9］，所以白云石脫硫率最低.

2.3 海綿鐵中硫的分布

將表3中3#實驗得到的海綿鐵(圓筒狀)，如圖2所示從外到內(nèi)平分為8層取樣，并用數(shù)字標(biāo)記.測得每層硫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表5所示.

圖2 海綿鐵分層Fig.2 The layering of sponge iron

表5 海綿鐵的硫分布Table 5 The distribution of sulphur in the sponge iron

3 結(jié)論

(1)隨著脫硫劑CaO加入量的增大，脫硫率逐漸升高，但脫硫劑超過一定量以后，脫硫率不再增加.最大脫硫率為71.6%.

(2)選用的脫硫劑中，脫硫率最高的是CaO，其次是CaCO3，最低是白云石.

(3)海綿鐵斷面的硫含量的分布規(guī)律為中間高，外層低，這種分布規(guī)律是直接還原產(chǎn)生的CO氣體定向擴(kuò)散的結(jié)果.

圖3 海綿鐵的硫分布Fig.3 The distributions of sulphur in the sponge iron

由表5和圖3分析可知，海綿鐵外層的硫含量比較低，中間較高，這是直接還原產(chǎn)生的CO氣體定向擴(kuò)散的結(jié)果，在直接還原過程中，產(chǎn)生的CO不斷地由內(nèi)向外放出，外層物料中FeS的脫硫反應(yīng)更為充分.海綿鐵中最外層的硫含量比次外層高一些可能是因為海綿鐵表面黏附了CaS［9］.

［1］儲滿生，趙慶.中國發(fā)展非高爐煉的現(xiàn)狀及展望［J］.中國冶金，2008，18(9):1－9.

(CHU Man－sheng，ZHAO Qing.Present status and development perspective of direct reduction and smelting reduction in China［J］.China Metalurgy，2008，18(9):1－9.)

［2］姜銀舉，徐掌印，張峰，等.反應(yīng)罐直接還原過程動力學(xué)研究［C］//冶金反應(yīng)工程會議論文集.2009:153－158.

(JIANG Yin－ju，XU Zhang－yin，ZHANG Feng et al.kinetics study on direct in a reactioncylinder［C］//Metalurgy Reaction Engineering Conference Proceeding.2009:153－158.)

［3］姜銀舉，樊珍，宋紹開，等.反應(yīng)罐直接還原過程動力模型［J］.材料與冶金學(xué)報，2011，10(2):79－81.

(JIANG Yin－ju，，F(xiàn)AN Zhen，，SONG Shao－kai，et al.Kinetic model for direct reduction in a reactive cylinder［J］.Journal of Materials and Metalurgy，2011，10(2):79－81.)

［4］姜銀舉，卜文剛，宋紹開，等.提高反應(yīng)罐直接還原鐵反應(yīng)速率的研究［J］.材料與冶金學(xué)報，2011，10(2):85－87.

(JIANG Yin－ju，BU Wen－gang，SONG Shao－kai，et al.Study on increasing rate of DRI in the reaction cylinder［J］.Journal of Materials and Metalurgy，2011，10(2):85－87.)

［5］游錦洲，周國凡，于仲潔，等.鄂東高硫鐵精礦直接還原脫硫?qū)嶒炑芯浚跩］.煉鐵，1999，18(4):29－30.

(YOU Jin－Zhou，ZHOU Guo－fan，YU Zhong－jie，et al.Experimental study of desulphurization of high sulfur iron ore direct reduction in the east of Hu bei［J］.Iron Making，1999，18(4):29－30.)

［6］趙慶杰，史占彪.直接還原回轉(zhuǎn)窯技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1998:99－118.

(ZHAO Qing－jie，SHI Zhan－biao.Direct reduction rotary kiln technology［M］.Beijing:Mechanical industry press，1998:99－118.)

［7］秦民生，非高爐煉鐵［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1998: 50－119.

(QIN Min－sheng，Alternative processes for iron making［M］.Beijing:Mechanical industry press，1998:50－119.)

［8］王筱留主編.鋼鐵冶金學(xué)(煉鐵部分)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2009:260－261.

(WANG Xiao－liu.metallurgy of iron and steel(Iron making part)［M］.Beijing:Metalurgical Industry Press，2009:260－261.)

［9］呂慶，尹海生.煤基直接還原豎爐中熔劑脫硫的熱力學(xué)與動力學(xué)的分析［J］.鋼鐵研究，1997，9(4):1－4.

(LU Qing，YIN Hai－sheng.Thermodynamic and kinetic study of desulphuration in coal shaft furnace for direct reduction with flux［J］.Journal of Iron and Steel Research，1997，9 (4):1－4.)

Study on desulfurization in the direct reduction reactor

JIANG Yin-ju，DONG Xiao-ming，SONG Shao-kai，F(xiàn)AN Zhen，ZHANG Feng
(Materials and Metallrugy School，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China)

Desulphurization experiment was carried out in the coal－based direct reduction reactor.The effects of the adding amount of CaO on the desulphurization ratio of sponge iron were investigated.The desulfurization efficiency of desulfurizing agent types such as CaO，CaCO3was studied.The distribution of sulphur in the sponge iron at highest desulphurization ratio was obtained.

DRI;reaction reactor;desulphurization

TF 553

A

1671-6620(2012)01-0010-03

2011-09-22.

姜銀舉 (1965—)，男，內(nèi)蒙古科技大學(xué)教授，E－mail:jiangyinju3@126.com.