轉(zhuǎn)底爐工藝系統(tǒng)基本化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)分析

井廣敏

（濟(jì)鋼集團(tuán)國際工程技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南 250101）

試驗(yàn)研究

轉(zhuǎn)底爐工藝系統(tǒng)基本化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)分析

井廣敏

（濟(jì)鋼集團(tuán)國際工程技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南 250101）

轉(zhuǎn)底爐工藝是直接還原中煤基還原的一種，其內(nèi)部的熱力學(xué)反應(yīng)主要包括含碳球團(tuán)的自還原反應(yīng)、含碳球團(tuán)與氧化性氣體間的氧化反應(yīng)、含碳球團(tuán)的脫碳反應(yīng)、含碳球團(tuán)排出氣體的燃燒反應(yīng)及噴吹焦?fàn)t煤氣對直接還原的影響等5個部分。對轉(zhuǎn)底爐內(nèi)部溫度、氣氛、配煤比的控制，是轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝的關(guān)鍵。

直接還原；轉(zhuǎn)底爐工藝；含碳球團(tuán)；熱力學(xué)分析

1 前言

直接還原工藝是非高爐煉鐵工藝的一種，根據(jù)使用能源的不同，直接還原工藝又可分為氣基還原、煤基還原和電熱直接還原。轉(zhuǎn)底爐工藝是煤基還原的一種，使用冷固含碳球團(tuán)是其重要特征，具有原料廣泛、煤基還原、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)［1］，已在20世紀(jì)70年代在國外就有用于生產(chǎn)的實(shí)例。目前在鋼鐵企業(yè)微利、降低整體生產(chǎn)成本的大環(huán)境下，對該工藝的研究更具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 轉(zhuǎn)底爐工藝系統(tǒng)基本構(gòu)成

原料烘干系統(tǒng)：主要包括煙氣爐和燒嘴；配料系統(tǒng)：主要包括配料倉和稱量系統(tǒng)；潤磨造球系統(tǒng)：主要包括潤磨機(jī)、圓盤造球機(jī)；生球烘干系統(tǒng)：主要包括烘干機(jī)等；轉(zhuǎn)底爐主體：主要包括轉(zhuǎn)底爐本體、振動布料器、螺旋排料機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)等；冷卻系統(tǒng)：主要包括冷卻機(jī)等；除塵系統(tǒng)、水系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)及成品儲存系統(tǒng)。

3 轉(zhuǎn)底爐本體系統(tǒng)內(nèi)基本化學(xué)反應(yīng)

3.1 含碳球團(tuán)的自還原反應(yīng)

含碳球團(tuán)的碳在整個球團(tuán)內(nèi)均勻分布，當(dāng)球團(tuán)達(dá)到一定溫度時(shí)，分布在球團(tuán)內(nèi)的碳粒與氧化鐵發(fā)生劇烈反應(yīng)。碳的主要成分是固定C、灰分和揮發(fā)分，揮發(fā)分中可燃?xì)怏w主要是高分子碳?xì)浠衔?、CO和H2，高溫下高分子碳?xì)浠衔锒畏纸鉃镃和H。因此，赤泥和碳混合還原反應(yīng)過程相當(dāng)復(fù)雜，可以用下列反應(yīng)式表示：

煤熱解時(shí)揮發(fā)分的析出和碳?xì)浠衔锏牧呀猓骸鶦＋揮發(fā)分，高分子碳?xì)浠衔铩鶦＋CH4＋H2，含碳球團(tuán)中氧化鐵與固定碳的反應(yīng)為：

鐵氧化物與裂解產(chǎn)生的CO和H2以及揮發(fā)分中的CO和H2還原反應(yīng)為：

二氧化碳、水蒸氣共同與碳的氣化反應(yīng)為：由于在實(shí)際轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)當(dāng)中，配煤是過量的，則反應(yīng)（2）和（3）合并得FexOy＋C＝FexOy－1＋CO。

由此看來，轉(zhuǎn)底爐內(nèi)的還原反應(yīng)實(shí)際上就是固體碳與氧化鐵的還原反應(yīng)。由于被還原物質(zhì)和產(chǎn)物都為凝聚相，根據(jù)冶金熱力學(xué)中逐級反應(yīng)原則，則討論由Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe反應(yīng)可能性。

轉(zhuǎn)底爐的還原環(huán)境為溫度在1 200～1 400℃，預(yù)熱產(chǎn)生的揮發(fā)分和還原產(chǎn)生的CO被噴吹空氣迅速、充分的燃燒掉。本計(jì)算取還原溫度為1 350℃［2］。

則：ΔG1＝－267 433 J/mol＜＜0，

則：ΔG2＝－127 073 J/mol＜＜0，

則：ΔG3＝－94 584 J/mol＜＜0。

由熱力學(xué)計(jì)算可得，ΔG1、ΔG2、ΔG3都遠(yuǎn)小于0，則可得上述3個反應(yīng)在1 350℃時(shí)都可以進(jìn)行強(qiáng)烈反應(yīng)。

3.2 含碳球團(tuán)與氧化性氣體間的氧化反應(yīng)

在轉(zhuǎn)底爐工藝的末期，由于含碳量的下降，球團(tuán)周圍高溫?zé)煔庵醒趸詺夥誄O2和H2O的分壓逐漸占優(yōu)勢，此時(shí)會有氧化金屬球團(tuán)的可能性。

高溫?zé)煔庋趸饘勹F的反應(yīng)為：

有CO2導(dǎo)致的氧化反應(yīng)是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，溫度越高反應(yīng)越劇烈，由H2O導(dǎo)致的氧化反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，溫度越高反應(yīng)越受抑制。在1 200～1 400℃轉(zhuǎn)底爐爐溫下，ΔG4＜＜0，ΔG5稍大于零，因此，反應(yīng)（7）可以自發(fā)劇烈地進(jìn)行。

在轉(zhuǎn)底爐還原必須要注意CO2/CO氣氛的調(diào)節(jié),也可以采取措施使金屬球團(tuán)快速地離開這個區(qū)域，或者采取適當(dāng)?shù)母吲涿罕?，保證還原性氣氛。

高溫?zé)煔庵械难趸詺夥者M(jìn)入球團(tuán)內(nèi)部氧化金屬鐵的可能性極低，因?yàn)镃O逸出，使球團(tuán)內(nèi)部置于還原氣氛包圍之下。但是如果長時(shí)間在高溫?zé)煔庵?，特別是在還原后期，殘?zhí)剂亢苌?，CO逸出量很少，就不可避免地發(fā)生金屬球團(tuán)被O2再氧化，所以必須保證后期金屬球團(tuán)快速離開高溫?zé)煔鈪^(qū)域。

3.3 含碳球團(tuán)的脫碳反應(yīng)

C殘留在轉(zhuǎn)底爐末端的反應(yīng)。

其中，C殘留為含碳球團(tuán)中殘留的碳。

通過計(jì)算可知，在轉(zhuǎn)底爐1 200～1 400℃的爐溫下，式（9）和式（10）兩個反應(yīng)都能自發(fā)的進(jìn)行。實(shí)際在1 000℃以上時(shí)，只要煙氣中有CO2和H2O，脫碳反應(yīng)就不可避免。因此，含碳球團(tuán)在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)還原時(shí)，如果保證有一定的殘?zhí)剂?，就要使含碳金屬球團(tuán)迅速地離開高溫?zé)煔鈪^(qū)域。

3.4 含碳球團(tuán)排出氣體的燃燒反應(yīng)

含碳球團(tuán)還原過程中排出的可燃?xì)怏w包括CO和揮發(fā)分。揮發(fā)分在高于700℃以后發(fā)生了分解，產(chǎn)生了C＋CH4＋H2，因此，球團(tuán)排出可燃?xì)怏w的燃燒可以歸結(jié)為CO＋CH4＋H2的燃燒反應(yīng)。

3.5 噴吹焦?fàn)t煤氣對直接還原的影響

焦?fàn)t煤氣的主要成分見表1。

表1 焦?fàn)t煤氣成分%

由于焦?fàn)t煤氣中H2、CH4、CO和H2O占總成分的93.17%，因此主要討論這4種成分的影響。

由于噴入焦?fàn)t煤氣的同時(shí)，鼓入熱風(fēng)，焦?fàn)t煤氣燃燒產(chǎn)生大量的H2O和CO2，此時(shí)發(fā)生脫碳反應(yīng)和間接還原反應(yīng)：C殘留＋CO2＝2CO；C殘留＋H2O＝CO＋H2；FexOy＋CO/H2＝FexOy－1＋CO2/H2O。由于碳過量，所以這3式合并后實(shí)質(zhì)仍然是碳的直接還原：FexOy＋C＝FexOy－1＋CO。

由于含碳球團(tuán)中碳過量，焦?fàn)t煤氣的噴入促進(jìn)了碳基直接還原，因此，適當(dāng)引入焦?fàn)t煤氣有利于轉(zhuǎn)底爐內(nèi)還原反應(yīng)的進(jìn)行。

4 結(jié)論

4.1 轉(zhuǎn)底爐還原反應(yīng)實(shí)質(zhì)是含碳球團(tuán)的直接還原。

4.2 轉(zhuǎn)底爐系統(tǒng)內(nèi)基本化學(xué)反應(yīng)包括含碳球團(tuán)的自還原反應(yīng)、含碳球團(tuán)與氧化性氣體間的氧化反應(yīng)、含碳球團(tuán)的脫碳反應(yīng)、含碳球團(tuán)排出氣體的燃燒反應(yīng)及噴吹焦?fàn)t煤氣對直接還原等5個部分。

4.3 轉(zhuǎn)底爐還原必須注意CO2/CO氣氛的調(diào)節(jié)，防止金屬球團(tuán)被氧化。合理的配煤比可以保證還原氣氛的保持，也可以采取有效措施使金屬化球團(tuán)迅速離開轉(zhuǎn)底爐末端區(qū)域。

4.4 含碳球團(tuán)在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)還原時(shí)，如果保證有一定的殘?zhí)剂?，就要使含碳金屬球團(tuán)迅速的離開高溫?zé)煔鈪^(qū)域。

4.5 由于含碳球團(tuán)中碳過量，焦?fàn)t煤氣的噴入促進(jìn)了碳基直接還原，因此，適當(dāng)引入焦?fàn)t煤氣有利于轉(zhuǎn)底爐內(nèi)還原反應(yīng)的進(jìn)行。

［1］高文星，董凌燕.煤基直接還原及轉(zhuǎn)底爐工藝的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.礦冶，2008（2）：69.

［2］朱榮，任江濤.轉(zhuǎn)底爐工藝的發(fā)展與實(shí)踐［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29：172.

Thermodynamic Analysisof Basic Chemical Reactionsof Rotary Hearth FurnaceProcessSystem

JING Guangmin
（Jigang International Engineering and Technology Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

Rotary hearth furnace process is one of coal-based direct reduction processes,its internal thermodynamic reactions have 5 part such as the reduction reaction of carbon-containing pellets,the oxidation reaction of carbon-containing pellets with oxidizing gases,decarbonization reaction of carbon-containing pellets,combustion reaction of exhaust gases of containing carbon pellet and effecting of blowing coke oven gas on the reduction etc.The controlling of the internal temperature,atmosphere,blending ratio are the key technologies of the rotary hearth furnace direct reduction process.

direct reduction;rotary hearth furnace process;carbon-containing pellets;thermodynamic analysis

TF55

B

1004-4620（2014）04-0039-02

2014-07-16

井廣敏，男，1985年生，2009年畢業(yè)于東北大學(xué)冶金工程專業(yè)、材料成型及控制工程專業(yè)，雙學(xué)士?，F(xiàn)為濟(jì)鋼集團(tuán)國際工程技術(shù)有限公司市場部副部長，助理工程師，從事固體廢棄物綜合利用技術(shù)開發(fā)及市場推廣工作。