淺析還原氣需求量及其與爐內(nèi)流場關(guān)系

白明華，葛俊禮，王 健，樸英敏，徐 寬，符遠(yuǎn)翔

(燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島 066004)

0 前言

氣基豎爐是氣基直接還原鐵生產(chǎn)工藝中的主體設(shè)備，豎爐流程是氣基直接還原工藝的主要環(huán)節(jié)。就基本原理而言氣，基豎爐是移動(dòng)床式氣固反應(yīng)裝置，球團(tuán)料層與還原氣和冷卻氣在料層的孔隙中進(jìn)行熱量交換和化學(xué)反應(yīng)。因此，研究氣基豎爐內(nèi)各股氣流的流向，流量及其分布等流動(dòng)規(guī)律，對(duì)強(qiáng)化氣基豎爐熱量交換、化學(xué)反應(yīng)、提高直接還原鐵產(chǎn)量和質(zhì)量具有十分重要的意義［1-2］。

本文從還原反應(yīng)和熱平衡角度對(duì)氣基直接還原豎爐內(nèi)還原反應(yīng)還原氣的需求量進(jìn)行了計(jì)算，利用其結(jié)果分析氣基直接還原豎爐在不同通氣量下豎爐內(nèi)部還原氣的速度分布規(guī)律。

1 還原反應(yīng)還原氣的需求量

鐵礦石在還原豎爐內(nèi)被還原時(shí)，還原氣的需求量主要有兩個(gè)來源:一是還原氣中H2和CO參與還原反應(yīng)奪取氧化物中的氧元素，生成水和二氧化碳所消耗的還原氣量;二是從熱量的角度，還原氣給豎爐帶入的熱量，滿足豎爐內(nèi)爐料的加熱和各種化學(xué)反應(yīng)所需要的能量。還原氣的實(shí)際需求量并不是兩者的相加，而是取其中最大的還原氣需求量。

1.1 還原反應(yīng)所需還原氣消耗量

豎爐內(nèi)還原氣體的凈需求量可由氫氣還原氧化鐵和一氧化碳還原氧化鐵的化學(xué)反應(yīng)方程式來求得。理論上還原過程中還原氣的凈消耗量為600 Nm3/t海綿鐵［3］。

豎爐內(nèi)直接還原反應(yīng)過程中需求的還原氣消耗量

式中，V消耗為將Fe2O3還原為Fe所需還原氣量;VFe++為將 Fe2O3還原為 FeO所需還原氣量;V滲碳為滲碳反應(yīng)所需還原氣量。

式(1)中，還原氣消耗量V消耗是豎爐體內(nèi)直接還原過程中H2完全轉(zhuǎn)變成H2O，由CO完全轉(zhuǎn)變成CO2時(shí)還原氣的消耗量，而在實(shí)際冶煉過程中的還原反應(yīng)是可逆反應(yīng)。在溫度不同的環(huán)境下，還原反應(yīng)過程中的氣相成分有不同的平衡組成，參與還原反應(yīng)過程的氣體組分是不會(huì)完全參與反應(yīng)的。如果要還原出1 t的海綿鐵，所需要的H2(CO)的量就要比上述凈消耗量600 Nm3要多。

1.2 考慮反應(yīng)平衡所需還原氣消耗量

氣基還原豎爐內(nèi)發(fā)生的主要反應(yīng)是H2與CO還原Fe2O3，因此，在此只考慮這兩種還原氣體在還原過程中發(fā)生可逆反應(yīng)時(shí)的還原氣需求量(忽略其他反應(yīng)氣體消耗)。在用H2與CO的還原氣進(jìn)行還原反應(yīng)時(shí)，假設(shè)α%為CO還原鐵的氧化物時(shí)生成的鐵占總還原反應(yīng)生成鐵總量的百分比，β%為H2還原鐵的氧化物時(shí)生成鐵占還原反應(yīng)總鐵量的百分比，因此混合還原氣的總需求量可以表示為［4］

式中，VCO為生產(chǎn)1 t DRI所需CO量;VH2為生產(chǎn)1 t DRI所需H2量。

當(dāng)溫度800℃時(shí)，若還原得到1 kg鐵，H2還原FeO的還原氣需求量為1.18 Nm3，CO還原FeO的還原氣需求量為1.52 Nm3，VH2+CO為1.18～1.52 Nm3，當(dāng)用H2還原的Fe較多時(shí)，還原氣的需求量少;用CO還原的鐵較多的時(shí)候，還原氣的總需求量較大。還原1 kg鐵的海綿鐵需要的還原氣量為

式中，KH2與KCO為H2與CO還原FeO時(shí)的氣體平衡常數(shù)，計(jì)算公式如下

1.3 滿足熱量平衡的還原氣量

使用CO或H2或者兩者的混合氣體還原鐵礦石中鐵的氧化物，化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)是不同的，使用CO進(jìn)行鐵的氧化物還原鐵時(shí)的化學(xué)反應(yīng)是放熱反應(yīng)，而用H2還原是吸熱反應(yīng)。還原豎爐內(nèi)的熱量全是由熱還原氣來提供的，由還原氣帶來的物理熱來滿足還原豎爐冶煉的要求，還原豎爐內(nèi)的熱平衡方程式可表示為［5］

式中，QRg為還原氣體帶入的物理熱;Qτ為爐頂氣帶走的熱量;QR為還原時(shí)需要的反應(yīng)熱;QFe為海綿鐵帶走的熱量;QL為熱損失。

有考慮滿足熱平衡時(shí)還原氣需求量為

式中，Cg為氣體的比熱容，KJ/m2kg℃;CFe為海綿鐵的比熱容，KJ/m2kg℃;η為還原豎爐的熱效率，與爐子的大小有關(guān)，一般取值為0.7～0.9之間;tg為還原氣進(jìn)口溫度;t'g為還原氣出口溫度;tFe為海綿鐵離開還原段時(shí)的溫度，一般采取tFe=0.95tg;ΔHH2為H2還原Fe2O3到Fe時(shí)的熱函，為819 kJ/kg;ΔHCO為 CO還原 Fe2O3到Fe時(shí)的熱函，－226 kJ/kg;Fe為海綿鐵中的金屬鐵量含量。

在還原豎爐內(nèi)，參與反應(yīng)的熱消耗不大，當(dāng)H2與CO的比值適度時(shí)(H2/CO=0.28);參與化學(xué)反應(yīng)的供需熱量相互抵消，還原豎爐內(nèi)的熱耗主要取決于還原要求的溫度、爐頂氣溫度和還原豎爐的熱效率。

球團(tuán)物料中的含鐵量比較低時(shí)，其中參與還原反應(yīng)的還原氣需求量不大，氣體的需求量主要是用于給球團(tuán)物料的加熱。經(jīng)過這兩種情況計(jì)算的最少還原氣量為V混合=1 038 Nm3/t(還原反應(yīng)消耗量);Vg=1125.6 Nm3/t(熱平衡消耗量)

三種計(jì)算方法比較可知，還原氣最少需求量取決于球團(tuán)物料的預(yù)熱所需的熱量，BL法半工業(yè)試驗(yàn)時(shí)通入還原氣量為1 556 Nm3/t海綿鐵，是此計(jì)算數(shù)據(jù)的1.38倍，此數(shù)據(jù)可作為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的依據(jù)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一般為還原氣需求量計(jì)算值的1.1～1.4倍。即為1 238～1 580 Nm3/t海綿鐵。

2 還原氣通氣量對(duì)爐內(nèi)流場影響數(shù)值模擬研究

2.1 建立物理模型和數(shù)學(xué)模型

進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算前采用的假設(shè)條件如下［6］:

(1)將礦石近似成固定床，用多孔介質(zhì)代替;

(2)氣體沿各個(gè)方向壓降相等，即各向同性;

(3)氣體為不可壓縮流;

(4)忽略豎爐內(nèi)傳熱及化學(xué)反應(yīng)過程。

圖1為氣基直接還原豎爐模型。

圖1 氣基直接還原豎爐模型ig.1 Model of gas-based direct reduction shaft furnace

數(shù)學(xué)模型中的控制方程為

連續(xù)方程

動(dòng)量方程

湍流動(dòng)能方程

氣流通過料層時(shí)，因受到球團(tuán)摩擦和繞動(dòng)，使氣流的部分能量被消耗掉，導(dǎo)致料層靜壓力發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)通過研究沿氣流方向壓強(qiáng)變化與流經(jīng)礦石的表觀速度的關(guān)系，確定其慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)，進(jìn)而確定球團(tuán)礦對(duì)氣流的阻力性質(zhì)。

數(shù)值模擬時(shí)把豎爐中的礦石可看作為各向同性的多孔介質(zhì)。多孔介質(zhì)模型就是在定義為多孔介質(zhì)的區(qū)域結(jié)合了一個(gè)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)為主的流動(dòng)阻力的模型。本質(zhì)上，多孔介質(zhì)模型僅僅是在動(dòng)量方程上疊加了一個(gè)動(dòng)量源項(xiàng)。

分別取球團(tuán)礦在還原段內(nèi)通入還原氣量為1×105km3/h、1.24×105km3/h、1.66×105km3/h進(jìn)行計(jì)算。物理模型如圖1所示，計(jì)算所需的參數(shù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)表Tab.1 Structure and process parameters

2.2 結(jié)果分析

圖2為氣基豎爐速度分布云圖。

圖2 氣基豎爐速度分布云圖Fig.2 Cloud chart of gas-based shaft furnacevelocity distribution

由圖2可知，氣基豎爐還原段還原氣流速隨高度增加而增加。在還原段底部中心處流過的還原氣隨通氣量增大而增多。還原段上部，由于布料原因，料線高度不同，料線較低處還原氣速度較快。

取氣基豎爐中心線處速度分布，如圖3所示。比較圖3中曲線a、b、c可以得到還原氣在氣基豎爐內(nèi)分布的規(guī)律:隨還原氣量變大，氣基豎爐內(nèi)速度整體變大。還原段上下兩端速度增加較快，還原段中部80%左右的區(qū)域速度緩慢增加，速度分布均勻。

圖3 氣基豎爐速度分布曲線圖Fig.3 Curves of velocity distribution in gas-based shaft furnace

3 結(jié)論

(1)還原氣最少需求量取決于球團(tuán)物料預(yù)熱所需的熱量;

(2)氣基豎爐還原段還原氣流速隨高度增加而增加。還原氣量增加，氣基豎爐內(nèi)速度整體變大，速度增大的程度隨豎爐高度的增加而增加。

［1］周渝生，錢暉，張友平，等.非高爐煉鐵技術(shù)的發(fā)展方向和策略［J］.世界鋼鐵，2009(1).

［2］李永全，陳宏，周渝生，等.BL法直接還原工藝研究和開發(fā)［J］.鋼鐵，1999(9).

［3］方覺.非高爐煉鐵工藝與理論［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2002.

［4］藺志強(qiáng).豎爐直接還原過程中還原氣最小需要量的計(jì)算方法和應(yīng)用［J］.鋼鐵，1977(3).

［5］李久.氣體還原豎爐煤氣需要量的探討［J］.武漢冶金科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1996(3).

［6］力杰.球團(tuán)豎爐的阻力特性研究［J］.工業(yè)爐，2010(1).