COREX熔融气化炉热模拟研究

钢铁/980804ineto钢铁科技期刊WANFANG DATAIRON&STEEL1998年8月第33卷第8期COREX熔融气化炉热模拟研究吕庆吕长星段振瀛(河北理工学院) (东北大学)陈炳庆张瑞祥(宝山钢铁(集团)公司)滴要根据COREX熔融气化炉的模拟试验,对预还原矿金属化率、煤种、预还原矿预热温度、煤炭流化床、炉渣、热平衡进行了分析研究。得到了合理的熔融气化炉冶炼参数。关键词COREX 熔融气化炉模拟试验HOT SIMULATION OF COREX GASIFIERLU Qing LUChangxingDUAN Zhenying(Hebei Institute of Technology) (Northeastern University)CHEN BingqingZHANG Ruixiang(Baoshan Iron and Steel Corp.)ABSTRACT By hot simulation of COREX gasifier,the relation between metallization rate of DRI,kind of coal,preheat temperature and fluidization of coal,slag,heat balance have been studied.Reasonable parameters are obtained for COREX gasifier.KEY WORDS COREX,gasifier, simulation experiment1前言熔融气化炉(煤碳流化床)是COREX工艺的关键环节之一。它的作用是进行终还原和造气,它的工作状态直接影响着COREX工艺的产品质量、生产效率和能耗。因此,对它进行模拟研究,提供工艺参数是非常必要的。2实验设备、 过程及条件2.1实验设备COREX熔融气化炉实验装置如图1。中国煤化工熔融气化炉反应器内径160mm ,截面积0.0201 m2 ,高680mm,MYHCNMHG。喷氧管内径13mm ,喷枪伸入反应器内壁10mm，下倾6° ~ 7° , 距炉底166mm。为了减少反应区的热损失,在反应器外部安装了二硅化钼发热体,可自动控fl//E vqkgt/980804.htm (第1/ 6页) 2010-322 2031:40钢铁/980804个预热炉推 DRI,烟囱煤仓电动机-s生螺旋给煤机楼孔板486微机控制控温电偶化护打印机[画面的一-号变送器氧枪变压器底温热电偶可控硅调压电源图1COREX熔融气化试验装置Fig.1 Experiment equipment of COREX meltinggasifier furnace制到与反应区温度同步。因此,它是- -个绝热反应装置。2.2 试验条件各种配比的预还原矿和石灰石、白云石成分见表1。经筛选三种煤可供试验使用,即阳泉、神府、大同煤,其挥发分含量分别为10.97%、33.83%、30.25 % ;固定碳含量分别为77.14%、59.42 %、58.20%。 并组成两个配煤方案,配比1B为阳泉煤10% ,神府煤50%，大同煤40% ; 2B :阳泉煤20% ,大同煤80%。试验方案如表2。表1预还原矿、石灰石、白云石成分%Table1 Composition of DRI , limestone and dolomite成分TFe | MFe| FeO SiO2|CaO |Al2O3 MgO | MnPS| 金属化率1/91.48 86.39 6.54 3.03 1.76 1.07 0.1370.1340.047 0.02092A89.92 81.7010.57|2.991.74 1.05 0.135 0.132 0.046 0.0209(3A91.17 79.0015.65|2.89 1.68 | 1.02 | 0.13 0.128 0.045 0.0198|白云石| 0.150.46 | 31.5 0.04 21.780.038 0.003石灰石0.190.47 55.24 0.29 0.180.002 0.018表2试验方案Table2 Experimental plan编号23|4678|预热温度/°C 800 700 800 800 800 800 800 800矿种1A1A1A1A2A3A中国煤化工煤种1B|1B|1B 1B 1B 1BMHCNMH Gfle//E vqkg1980.t.m (第2/ 6页) 2010-3-22 20.31:40钢铁/9808043试验结果及分析3.1不同金 属化率预还原矿对冶炼过程的影响在1、6号对比试验中发现,两种矿加入熔融气化炉后,风口与炉顶间的压差都在逐渐升高6号样在6 min后压差升高到1180Pa ,而1号样在10 min后才达到840 Pa,如图2所示。引起这一现象的主要原因是:随着预还原矿金属化率的降低,渣量增加,而且初渣主要集中在半焦层之上，使风口鼓入的氧气穿过此初渣层时阻力增加。另外,金属化率低的预还原矿熔化时渣中FeO的含量高，在熔池中FeO的直接还原反应加剧,结果产生大量的泡沫渣。泡沫渣不但使风口至炉顶间压差升高,熔池温度降低,而且还会给冶炼带来- -系列不利影响。因此,对不同金属化率的预还原矿不能以任意的速率进行熔化[1]。根据试验结果,预还原矿的熔化速率必须与炉内压差和碳一氧反应速度相适宜,如6号试验达到1号试验的压差、熔池温度水平,预还原矿的熔化速率必须由6号的10 kg/h降到7 kg/h。可见,使用低金属化率预还原矿时,熔融气化炉为正常生产不得不降低熔化速率。3.2不同配煤方 案对冶炼的影响1 2001 100290030041012时间/ min图2不同金属化率预还原矿冶炼时压差与时间关系(熔池温度1500°C)Fig.2 Relation of differential pressure and timeduring melting DRI in different metallization●- 1号试验; 0 - -6号试验炉缸煤气温度取决于风口前碳氧燃烧温度,而这一温度的高低主要由煤的固定碳和挥发分的含量决定。另外,熔融气化炉产生的煤气要求有一定的氢含量 ,氢含量的多少主要由煤的挥发分决定,但是,高挥发分的煤在炉内由于迅速加热膨胀、分裂及组织脆化产生粉末给冶炼造成困难,一般要求挥发分在20%~ 30%。因此,选择煤是十分重要的。表3是试验用煤的绝热气化温度。挥发分由低到高的顺序是阳泉、大同、神府,而绝热气化温度由高到低的顺序是阳泉、大同,神府。显然,单独使用-种煤不能很好地满足熔融气化炉冶炼的要求。试验使用了两种不同的配煤方案1B、2B ,它们的冶炼效果无明显差别。因此,为了得到较高的绝热气化温度、适宜的煤气氢含量和理想的冶炼效果,高、低挥发分的煤种混合使用是十分必要的。表3煤的绝热气化温度中国煤化工T able3 Insulating gasifier temperaturefHCNM HGof coalfl://E vqkg[v980.t.m (第3/ 6页) 2010-3-22 20.31:40钢铁/980804煤种阳泉大同神府2B绝热气化温度/°C 2519.9 2146.8|2 012.0|2 116.7|2 221.43.3预还原 矿预热温度对冶炼的影响在1500 °C熔池温度下,预热温度为800 °C和700 °C的单体预还原矿熔化完了时间分别为10.50 s和11.70s[1]。在加矿和加煤速度均为0.165 kg/min的条件下,实际测定了1号(800 °C)和2号(700 °C)两种不同预热温度的矿熔化时熔池温度的变化。根据测定,两种预还原矿进入熔池后使炉缸温度由1 510°C分别下降到1481 °C和1 458°C ,大约在9 min后温度同时开始.上升,但它们始终存在大约20。C的温度差。显然,预热温度影响了预还原矿的熔化速度和炉缸温度,因此,提高预还原矿的预热温度是十分必要的。3.4 COREX煤炭流化床的吹出速 度和分层流化热模型试验中氧气供给速度平均为0.115~ 0.117m3/min,在1 600 °C时炉内空塔速度为1.7~1.93 m/s, dg小于5.5 mm煤粒可以流化。1 000 °C时炉内空塔速度为1.15~ 1.31 m/s,小于0.6 mm的煤粒被吹出。这一点与吹出炉尘的粒度分析相吻合。因此,应避免0.6 mm的煤粒入炉。由于COREX工艺入炉的煤粒径为50~ 0mm[2] ,其中大部分煤颗粒直径大,且筛分组成宽。当流化速度低于最大粒径的临界流化速度时,分层现象必然产生,这对下部不流化的半焦静止床的存在是非常必要的,它是碳氧燃烧为COREX熔融气化炉提供热源和渗碳及各元素终还原等冶金反应的主要场所[3]。因为COREX是无筛板的流化床,根据试验结果,不流化的静止半焦床的合理高度最好控制在喷氧口中心线上200 ~ 300 mm(具体数字要根据生产实践确定) , 这样可使炉缸下部煤气中含有适量的CO2,解决下部热量不足的矛盾。这-点类似铁浴法工艺中所追求的适宜的二次燃烧率-样,因此,认识和掌握控制半焦静止床高度的技术非常重要。另外,选择适宜的风口直径,使气流具有适宜的动能且气流的初始分布均匀稳定是COREX操作所追求的目标。3.5 造渣制度与生铁质量各次试验生铁成分如表4 ,炉渣中FeO的含量,初渣在6%左右,终渣在2 %左右。1号试验的炉渣自然碱度: Ca0/SiO2 = 0.36, CaO+MgO/SiO2=0.6; 4号试验: CaO/iO2= 0.90, CaO+MgO/SiO2= 1.25; 7号试验与宝钢高炉渣成分相近CaO/SiO2= 1.03 , CaO+MgO/SiO2= 1.24;其余试验炉渣碱度: CaO/SiO2= 1.02 , CaO+Mg0/SiO2= 1.54。1号、4号炉渣二元碱度均小于1 ,实际试验生铁硫含量分别为0.155 %和0.107%。从表4可以看到,只要炉渣保持一定碱度(C aO/SiO2> 1)就能生产出合格的低硫低硅生铁。表4生铁成分%Table4 Pig iron composition成分123456C 4.40 4.41 4.14 3.85 4.50 4.94 4.57 4.47S| 0. 155 0.072 0.070 0.107 0.0650.058 0.095 0.0550.075 0.044 0.044 1.26| 0.55 0.37中国煤化工Si | 0.04 0.10 | 0.16 1.78 0.14 0.15MYHCNMH G .fl://E vqkg1v80.t.m (第4/ 6页) 2010-3-22 20.31:40钢铁/980804由于COREX法冶炼过程中氧化物间固相反应机会少,若用石灰石作熔剂,成渣时石灰的外壳生成一层2CaO.SiO2的反应壳,它的熔点很高,不利于内部石灰继续熔化,若选用白云石代替石灰石为熔剂时,因生成的矿物是镁硅钙石3CaO.MgO.SiO2较2CaO-SiO2熔点低,使化渣早,成渣速度较快,有利于渣铁间脱硫的进行,使生铁硫含量降低。试验结果表明[4] , COREX工艺渣中MgO的含量不应超过16% ,如果Mg0含量过高,炉渣的流动性变差,熔化性温度高, Fe2+离子在渣中扩散困难,因而使渣中FeO偏高,渣的脱硫能力变差。在工业生产中,为保证造渣成分的稳定, COREX冶炼过程中应将吹出之炉尘,收尘后连续喷回熔融气化炉是非常必要的。3.6熔融气化炉下部区域热平衡计算与分析在试验条件下,热损失为零。根据试验数据计算的热平衡可知,碳素在风口氧化放热占热收入的89.94% ,因此,维持熔融气化炉正常冶炼的热源主要依靠碳在风口前的氧化放热。在支出项中,由于炉顶煤气温度较高(943°C) ,它带走了32.43 %的热量。其次是加热炉料的热量占21.74 %。两项占支出项的54.17 %。这反映了熔融气化炉热平衡的特点。从炉内热平衡计算还可以看出, 热支出大于热收入(相差3688.79k) , 造成这-结果的主要原因是在热平衡计算中认为风口前氧与碳反应全部生成CO。如果适当地控制风口前碳与氧的燃烧状态可使煤气中含有部分CO2,使炉内下部热平衡收入项增加，例如,当煤气中CO2/(CO+CO2)= 10%时,热量总收入为54359.36kJ。 热收入与支出差为1956.81 kJ。根据试验测定炉缸最高温度为1566.6°C ,高于外界恒温温度1 550°C。 从炉顶煤气分析结果看，煤气中均含有部分CO2 ,所以通过控制半焦固定床的高度, 适当地控制风口前碳与氧的燃烧状态,可以解决和改善炉子下部对热量和温度的需求。4结论(1)预还原矿金属化率应大于90% ,这样不但加快了预还原矿的熔化速率,提高了熔融气化炉的生产效率,而且有利于提高铁水质量。(2)为了保证炉缸温度、适宜的煤气氬含量和理想的冶炼效果,高、低挥发分的煤种混合使用是十分必要的。(3)预热温度高的预还原矿有利于熔化和保持较高的熔池温度, 因此,对于竖炉一熔融气化炉工艺应使预还原矿保持上限温度。(4)认识和掌握控制半焦静止床高度的技术是非常重要的,试验中高度控制在喷氧口中心线上200 ~ 300 mm。(5)渣中二元碱度大于1 , MgO的含量在16%左右,就能得到合格生铁。(6)经计算熔融气化炉下部热量不足,应适当控制风口前氧煤的燃烧状态,产生部分CO2,这样不但有利于提高下部温度,而且能够降低炉顶温度,使炉内热量得到充分利用。参考文献1吕庆, 李殷泰.预还原矿熔化行为对熔融气化炉冶炼的影响.东北大学学报, 1997,(1) : 54~58.中国煤化工2 DelportH M.W.COREX Technology.Ironmaking and Steelmaking. 1992,/MH| CNMHG,3 LemperleL.COREX技术- 从理论到工业化.唐山钢铁公司,东北大学口洞，归咄还原从铁新工艺.1993 , 366.4吕庆,尹海生.COREX工艺中高Mg0炉渣性能的研究河北理工学院学报, 1996, (4) : 18.fle//E vqkg(/980804.htm (第5/ 6页) 2010-322 2031:40钢铁980804中国煤化工MYHCNMHG .，