不同惰性物對抑制流化還原過程中黏結(jié)失流行為的研究

薄 荷，郝素菊，張麗穎，蔣武鋒，張玉柱，方 覺

(1.唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院冶金工程系，河北唐山063011；2.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山063210)

不同惰性物對抑制流化還原過程中黏結(jié)失流行為的研究

薄 荷1，郝素菊2，張麗穎1，蔣武鋒2，張玉柱2，方 覺2

(1.唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院冶金工程系，河北唐山063011；2.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山063210)

本文采用可視化流化床進(jìn)行了石灰石粉、煤粉、干餾煤粉和焦粉作為惰性物對抑制流化還原黏結(jié)失流行為的研究.結(jié)果表明：配入少量的石灰石粉會降低黏結(jié)失流溫度，加劇黏結(jié)失流現(xiàn)象，因此石灰石粉不宜作為流化還原過程中抑制黏結(jié)失流的惰性物；直接使用煤粉作為惰性物會帶來難以解決的煤焦油問題，在生產(chǎn)實(shí)踐中是不可行的；干餾煤對黏結(jié)失流具有很好的抑制作用，添加15%粒度為0.11～0.12 mm的干餾煤可將黏結(jié)失流溫度提高75 ℃；焦粉對黏結(jié)失流具有很好的抑制作用，考慮工業(yè)生產(chǎn)的可行性與經(jīng)濟(jì)性，適宜的焦粉粒度可以取0.08～0.12 mm.

流化床；黏結(jié)失流；惰性物；煤粉；焦粉

近年來，我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展迅速，導(dǎo)致冶金焦的價(jià)格一路攀升甚至供應(yīng)緊張，使得煉鐵成本不斷增加.COREX流程使用非焦煤資源作為主體燃料，從根本上改善了煉鐵工業(yè)的能源結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢日漸顯著.流化還原的最大優(yōu)點(diǎn)在于能夠直接處理粉礦，可免去燒結(jié)生產(chǎn)、球團(tuán)生產(chǎn)等造塊工序.這一特點(diǎn)不僅使能耗、成本和建設(shè)費(fèi)用降低，還大大減輕了環(huán)境污染[1-5].流化床還原工藝雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但存在著黏結(jié)失流這個(gè)根本的難以解決的問題.鐵礦粉在還原至一定程度后會突然失去流化性，且恢復(fù)困難，使還原過程中斷[6-8].本文采用可視化流化床進(jìn)行了石灰石粉、煤粉、干餾煤粉和焦粉作為惰性物對抑制流化還原黏結(jié)失流行為的研究，并進(jìn)行了理論分析，力求找出既經(jīng)濟(jì)又可行的抑制黏結(jié)失流的方法.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)使用一套可視化流化床熱模型作為研究工作的主體設(shè)備.該模型的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是一個(gè)由石英玻璃構(gòu)成的流化床器壁.通過器壁可清楚地觀察到流化和失流過程的細(xì)節(jié).圖1是該設(shè)備的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖.該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，主要參數(shù)見表1.

圖1 可視化流化床熱模型Fig.1 Model of the visualized fluidized bed

最高還原溫度℃最高氣體流速(cm·s-1)最高床層高度mm工作壓力950100200常壓

還原氣由瓶裝氣體按比例混合而成.冷還原氣首先通入一個(gè)還原氣預(yù)熱爐，升溫至預(yù)定溫度后經(jīng)過氣體分布板通入流化床.

流化床與預(yù)熱爐中的耐熱鋼管通過軟密封連成一體.還原氣進(jìn)入流化床后流經(jīng)粉料床，在流化狀態(tài)下對礦粉進(jìn)行還原，然后通過頂端的沉降室流出反應(yīng)器.還原氣以及尾氣均可通過一個(gè)連續(xù)性氣體分析儀進(jìn)行分析.實(shí)驗(yàn)溫度為流化床內(nèi)分布板上方10 mm處的溫度.

2 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用原料化學(xué)成分分析如表2所示，表3為實(shí)驗(yàn)所用還原氣體化學(xué)組成.對于惰性物的選擇，應(yīng)確保添加的惰性物在冶煉過程中不產(chǎn)生有害影響，最好對冶煉有益，因此，燃料和熔劑成為了惰性物的首選.本實(shí)驗(yàn)選擇石灰石粉、煤粉、干餾煤粉和焦粉作為惰性物，其化學(xué)組成如表4～6所示，其中干餾煤粉是在 1 050 ℃ 的溫度中將煤粉干餾得到的.

表2 礦粉化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表3 還原氣體化學(xué)組成(體積分?jǐn)?shù))

表4 石灰石粉及煤粉化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表5 煤灰分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表6 焦粉化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 基礎(chǔ)參數(shù)的確定

實(shí)驗(yàn)過程中為了排除惰性物以外其他因素對黏結(jié)失流溫度的影響，需要對礦粉種類、氣流速度及礦粉粒度等因素的影響進(jìn)行研究，確定實(shí)驗(yàn)的最佳基礎(chǔ)參數(shù).

礦粉粒度0.1-0.15 mm，流化速度4.5 cm·s-1時(shí)，不同礦粉種類對流化還原過程中黏結(jié)失流溫度的影響如表7所示.從表中可以看出不同礦粉之間黏結(jié)失流溫度有很大的差別，在6種礦粉中，黏結(jié)失流溫度最大可相差65 ℃，其中Mount-Write礦粉黏結(jié)失流溫度最高，其次為澳洲粉礦.

表7 不同礦粉的黏結(jié)失流溫度ts(d=0.1-0.15 mm，流化速度ν=45 cm·s-1)

圖2 氣流速度對黏結(jié)失流溫度的影響(Mount-Write， d=0.1-0.15 mm)Fig.2 Influence of gas velocity on sticking temperatures

圖2為礦粉粒度0.1-0.15 mm時(shí)，不同還原氣流速對Mount-Write礦黏結(jié)失流溫度的影響.隨著氣流速度的增加，顆粒動能增大，床層高度增加，顆粒間距變大，黏結(jié)失流溫度從813 ℃快速提高到835 ℃，但當(dāng)流速超過70 cm·s-1后，黏結(jié)失流溫度變化趨于平緩.

由于實(shí)驗(yàn)室條件限制，本實(shí)驗(yàn)礦石粒度影響考察范圍為0.10-0.45 mm，其具體結(jié)果如表8所示，從圖中可以看出，在該粒度范圍礦粉粒度與黏結(jié)失流溫度影響較小，黏結(jié)失流溫度均在835 ℃ 左右.

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)參數(shù)應(yīng)為黏結(jié)溫度最高的Mount-Write礦、還原氣流速度為70 cm·s-1、礦粉粒度0.10-0.45 mm，但由于Mount-Write礦石儲量較少，從經(jīng)濟(jì)及資源條件考慮，本實(shí)驗(yàn)選擇具有黏結(jié)失流溫度較高且供應(yīng)能力較大的澳粉作為實(shí)驗(yàn)所用礦種原料，對不同惰性物抑制流化還原過程中黏結(jié)失流行為的作用進(jìn)行研究.

表8 礦粉粒度對黏結(jié)失流溫度ts的影響(Mount-Write， ν=45 cm·s-1)

3.2 石灰石粉對黏結(jié)失流溫度的影響

將不同比例的石灰石粉分別混入礦粉中進(jìn)行流化還原實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表9.由表可知，在石灰石粉配比小于20%時(shí)，黏結(jié)失流溫度反而比添加前溫度低，尤其當(dāng)石灰石粉配比為5%時(shí)，黏結(jié)失流溫度降低35 ℃，這一現(xiàn)象對流化還原極為不利，其作用機(jī)理目前還不清楚.當(dāng)石灰石粉配比為25%時(shí)，黏結(jié)失流溫度略有提高，但僅提高了5 ℃，從冶煉工藝考慮，已經(jīng)超出了熔融還原的接受能力.因此石灰石粉不適合作為抑制黏結(jié)失流的惰性物.

daughter普通詞義為“女兒”,在科技英語中表示 “子體”。如 :daughter board子插件；daughter neutron派生中子；daughter nucleus子核等。

表9 熔劑配比對黏結(jié)失流溫度的影響

3.3 煤粉及干餾煤對黏結(jié)失流溫度的影響

煤粉的加入造成了很大的麻煩.實(shí)驗(yàn)過程中可見大量濃煙排出.大量的焦油沾覆在石英管、沉降室和管道內(nèi)壁上，很難清理.采用各種可行的方式均不能解決問題，因此可以斷定，直接將煤粉加入流化床是不可行的.需要首先對煤進(jìn)行干餾處理，研究了干餾煤對黏結(jié)失流的影響.

3.3.1 干餾煤粒度對黏結(jié)失流的影響

將干餾煤破碎分為5個(gè)不同粒度等級，其具體數(shù)值如表10所示.然后分別將各組干餾煤按15%的比例混入礦粉進(jìn)行還原實(shí)驗(yàn).干餾煤粒度與黏結(jié)失流溫度的關(guān)系見圖3.

表10 干餾煤粒度

由圖3可以看出，5個(gè)粒度組的干餾煤均能對提高黏結(jié)失流溫度起到明顯的積極作用.但也可以看出，中間粒度組(0.11～0.12 mm)的作用要明顯高于其他粒度組，最高可將黏結(jié)失流溫度提高75 ℃.中間粒度的干餾煤之所以能夠發(fā)揮更大的作用是由于顆粒分布均勻，能更好地與礦粉混合，有效減少礦粉顆粒之間的碰撞.如果干餾煤的粒度過大，則大部分顆粒將集中于流化床下部，與礦粉混合不理想，從而降低了隔絕作用.而粒度過小的干餾煤顆粒則集中于流化床上部，甚至被氣流夾帶，脫離流化床，所以作用同樣會降低.

3.3.2 干餾煤加入量對黏結(jié)失流溫度的影響

選擇粒度為0.08～0.11 mm的干餾煤進(jìn)行了干餾煤加入量對黏結(jié)失流溫度的影響研究.干餾煤加入量與黏結(jié)失流溫度的關(guān)系如圖4所示，隨著干餾煤配比的提高，黏結(jié)失流溫度呈加速上升的趨勢，干餾煤比例越大，越不容易產(chǎn)生黏結(jié)失流現(xiàn)象.但過高的比例是工業(yè)生產(chǎn)所不能接受的，因此，在可以防止黏結(jié)失流的前提下，干餾煤比例越低，對生產(chǎn)越有利.如果以800 ℃以上的還原溫度為目標(biāo)，則干餾煤配比應(yīng)當(dāng)在10%左右.這時(shí)的黏結(jié)失流溫度大約在830～840 ℃.

圖3 干餾煤粒度與黏結(jié)失流溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between particle size of the carbonized coal and sticking temperature

圖4 干餾煤配比與黏結(jié)失流溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between the carbonized of coal ratio and sticking temperature

3.4 焦粉對黏結(jié)失流的影響

將焦粉破碎后分為5個(gè)粒度等級，如表11所示.分別將各組焦粉按15%的比例混入礦粉，然后進(jìn)行還原實(shí)驗(yàn)，研究了不同粒度范圍的焦粉對黏結(jié)失流溫度的影響.焦粉粒度與黏結(jié)失流溫度的關(guān)系見圖5.

表11 焦粉粒度

圖5 焦粉粒度與黏結(jié)失流溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship between the coke powder size and sticking temperature

圖6 焦粉配比對黏結(jié)失流溫度的影響Fig.6 Effect of the coke powder ratio on sticking temperature

從圖5可以看出，5個(gè)粒度組的焦粉均能提高礦粉的黏結(jié)失流溫度.焦粉粒度為0.11～0.12 mm(中間粒度組)時(shí)，作用明顯高于其他粒度組，最高可將黏結(jié)失流溫度提高70 ℃.當(dāng)焦粉粒度為0.08～0.11 mm時(shí)，黏結(jié)失流溫度提高61 ℃.當(dāng)焦粉粒度為0.11～0.12 mm時(shí)，黏結(jié)失流溫度提高65 ℃.其作用原理與干餾煤相同，考慮工業(yè)生產(chǎn)的可行性與經(jīng)濟(jì)性，適宜的焦粉粒度可以取0.08～0.12 mm.

3.4.2 焦粉加入量對黏結(jié)失流溫度的影響

焦粉加入量對黏結(jié)失流溫度的影響見圖6.隨著焦粉配比的增加，黏結(jié)失流溫度提高.如果焦粉配比在10%左右，這時(shí)的黏結(jié)失流溫度大約在820 ℃左右.

3.5 焦粉與干餾煤對黏結(jié)失流溫度影響的對比研究

圖7為焦粉和干餾煤配比對黏結(jié)失流溫度的影響曲線，從圖可以看出兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分接近，幾乎在同一條曲線上.由于焦粉與干餾煤作用機(jī)理相似，因此在實(shí)踐中焦粉與干餾煤完全可以等量互換.

圖7 焦粉與干餾煤配比對黏結(jié)失流溫度的影響Fig.7 Effects ratio of coke powder to the carbonized coal on sticking temperature

3.6 惰性物抑制黏結(jié)失流的機(jī)理

根據(jù)Langston的研究結(jié)果，鐵礦粉在流化還原過程中發(fā)生黏結(jié)失流的趨勢可用下式表示：

式中：S為礦粉發(fā)生黏結(jié)失流的趨勢；A為礦粉顆粒的表面黏度；B為礦粉顆粒發(fā)生碰撞時(shí)顆粒間的接觸面積；C為礦粉顆粒的動量.

根據(jù)上式可知，鐵礦粉發(fā)生黏結(jié)失流的趨勢與礦粉顆粒的表面黏度、礦粉顆粒發(fā)生碰撞時(shí)顆粒間的接觸面積成正比，與礦粉顆粒的動量成反比.礦粉顆粒的表面黏度與鐵礦粉種類有關(guān)，一旦鐵礦粉種類確定，礦粉顆粒的表面黏度是定值，是不可調(diào)的因素.礦粉顆粒的動量越大，發(fā)生黏結(jié)失流的趨勢越小，但是對于相同粒度的礦粉顆粒來說其運(yùn)動速度越大，在高溫區(qū)的停留時(shí)間會縮短，礦粉的還原度會降低.所以為了保證礦粉一定的還原度，礦粉顆粒的動量往往有一個(gè)適宜值，調(diào)節(jié)的范圍不大.而礦粉顆粒發(fā)生碰撞時(shí)顆粒間的接觸面積是唯一可調(diào)的影響發(fā)生黏結(jié)失流趨勢的主要因素，當(dāng)加入惰性物時(shí)惰性物均勻地分散在礦粉顆粒之間，惰性物的添加比例越大，礦粉顆粒直接接觸的機(jī)會越少，顆粒間的接觸面積越小，因此加入惰性物，就是降低了顆粒間的接觸面積，從而達(dá)到抑制黏結(jié)失流的目的.

4 結(jié) 論

(1)石灰石粉不宜作為抑制黏結(jié)失流的惰性物使用，配入少量的石灰石粉反而會降低黏結(jié)失流溫度，加劇黏結(jié)失流現(xiàn)象；

(2)直接使用煤粉作為惰性物會帶來難以解決的煤焦油問題，在生產(chǎn)實(shí)踐中是不可行的；

(3)干餾煤對黏結(jié)失流具有很好的抑制作用，添加15%粒度為0.11～0.12 mm的干餾煤可將黏結(jié)失流溫度提高75 ℃.

(4)焦粉對黏結(jié)失流具有很好的抑制作用，考慮工業(yè)生產(chǎn)的可行性與經(jīng)濟(jì)性，適宜的焦粉粒度可以取0.08～0.12 mm.

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Sticking resistance of iron ore fines doped different inert materials during fluidized bed reduction

Bo He1, Hao Suju2,Zhang Liying1,Jiang Wufeng2,Zhang Yuzhu2,Fang Jue2

(1. Department of Metallurgical Engineering,Tangshan Vocational College of Science and Technology,Tangshan 063011, China； 2. College of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology, Tangshan 063210, China)

The sticking resistances of limestone powder, pulverized coal,carbonized coal powder and coke powder as inert materials were studied by using a visualized fluidized bed. The results showed that the limestone powder is not suitable to be an inert material, because it will decrease the sticking temperature and intensify the sticking phenomenon. It is difficult to solve the problem of coal tar by using the pulverized coal. The carbonized coal has a good inhibitory effect on sticking. Addition of 15% of itwith a particle size of 0.11 ～ 0.12 mm can increase the sticking temperature by 75 ℃.The coke powder also has a good inhibitory effect on sticking. Considered the feasibility and economy of the industrial production, the suitable size of the coke powder is 0.08～0.12 mm.

fluidized bed; sticking; inertmaterial ;pulverized coal; coke powder

10.14186/j.cnki.1671-6620.2017.03.001

TF 552

：A

：1671-6620(2017)03-0159-06