[精选]非高炉炼铁第三章重点设备介绍(上)10817.pptx
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1、第三章第三章 重点设备介绍重点设备介绍n n直接还原 气基：竖炉、流化床、反应罐 煤基：回转窑、反应罐、竖炉n n熔融还原 还原单元：竖炉、流化床 熔炼造气单元：煤炭流化床、铁浴炉3.1 还原竖炉还原竖炉n n竖炉法目前占直接还原法的83；n n炉内反应过程与高炉间接还原带相似；n n竖炉内分为预热带、还原带、过渡带及冷却带。3.1.1 炉料运动炉料运动 炉料顺行的条件：有效重力炉料顺行的条件：有效重力F0F0。根据。根据JanssenJanssen公式：公式：式中：式中：DD竖炉直径，竖炉直径，mm；M M炉料堆比重，炉料堆比重，kg/mkg/m3 3；f f炉料与炉墙摩擦系数；炉料与炉墙摩
2、擦系数；n n侧压系数。侧压系数。n n高炉中，高炉中，P/ZP/ZMM，即，即F F0 0，下料不顺；，下料不顺；n n竖炉中，竖炉中，P/Z P/Z 较小（较小（2Pa/m2Pa/m3 3)，MM较大较大（2000Pa/m2000Pa/m3 3），竖炉不会因为煤气浮力引起悬料。），竖炉不会因为煤气浮力引起悬料。n n竖炉悬料的原因：竖炉悬料的原因：球团体积膨胀而发生侧压系数球团体积膨胀而发生侧压系数n n增大；增大；矿石相互粘结或与炉墙粘结而引起摩擦系数增大。矿石相互粘结或与炉墙粘结而引起摩擦系数增大。n n竖炉利用系数：式中：包括预热、还原、过渡及冷却 各段总的停留时间，h；Fev炉料容
3、积含铁量；Fep产品含铁量，3.1.2 传热过程传热过程n n竖炉内炉料气流间的传热过程决定了预热炉料竖炉内炉料气流间的传热过程决定了预热炉料及冷却炉料需要的时间。及冷却炉料需要的时间。n n预热带主要进行气固相的热交换过程。预热带主要进行气固相的热交换过程。对于料柱中一微元段对于料柱中一微元段dZdZ，由热平衡有：，由热平衡有：炉料：炉料：煤气：煤气：式中：式中：GsGs，GgGg炉料及煤气流通量，炉料及煤气流通量，kg/mkg/m2 2；气气-固相间传热系数；固相间传热系数；A A单位体积炉料表面积，单位体积炉料表面积，mm2 2。由（由（1 1）得：）得：由（由（2 2）得：）得：两式相
4、等得：两式相等得：即：即：积分得：积分得：（3 3）由边界条件：由边界条件：t ts st ts so o时，时，t tg gt tg g 代入上式得：代入上式得：代入（代入（3 3）得：）得：（4 4）又由（又由（1 1）、（）、（2 2）得：）得：两式相减得：两式相减得：积分得：积分得：（5 5）边界条件：边界条件：Z Z0 0时，时，t ts st ts so o，t tg gt tg g 代入（代入（5 5）得：）得：代入（代入（5 5）得：）得：（6 6）联立（联立（4 4）、（）、（6 6）得：）得：一般情况下，一般情况下，t ts so o 0 0，则：，则：而：而：由上两式可求
5、炉内温度分布，此外可求出预热带高度。由上两式可求炉内温度分布，此外可求出预热带高度。如：定义预热带结束的标志为如：定义预热带结束的标志为t tg gt ts s1010，则：，则：n n冷却带的传热过程与预热带类似。冷却带的传热过程与预热带类似。n n冷却带中易发生析碳反应（冷却带中易发生析碳反应（2CO2COC CCOCO2 2）。）。后果：析碳过多，阻碍气流，降低冷却作用。后果：析碳过多，阻碍气流，降低冷却作用。原因：冷却带处于原因：冷却带处于COCO分解反应易发生温度区，新还分解反应易发生温度区，新还原的金属铁具有析碳反应的触媒效应。原的金属铁具有析碳反应的触媒效应。措施：保证一定的冷却
6、煤气氧化度。措施：保证一定的冷却煤气氧化度。3.1.3 还原过程还原过程（1）竖炉还原数学模型简化的一步未反应核模型的导出式：简化的一步未反应核模型的导出式：而：而：由物料平衡：由物料平衡：由热平衡得：由热平衡得：联立以上方程式即为移动床还原过程完整的数学联立以上方程式即为移动床还原过程完整的数学模型的微分方程组，可用于描述稳态条件下的竖炉模型的微分方程组，可用于描述稳态条件下的竖炉还原过程。还原过程。边界条件：气体出口处：边界条件：气体出口处：Z Z0 0，R R0 0；气体入口处：气体入口处：Z ZZ Zi i；t tg gt tgigi；C CA AC CAiAi；P PP Pi i。（
7、2）竖炉中矿石还原过程的特点）竖炉中矿石还原过程的特点n n主要特点在于移动床反应器内存在两种影响矿石主要特点在于移动床反应器内存在两种影响矿石还原过程的因素，即床层中还原气体的浓度场和还原过程的因素，即床层中还原气体的浓度场和炉料与煤气的温度场。炉料与煤气的温度场。1 1）浓度场派生效应：床层中煤气有效成分的浓度与）浓度场派生效应：床层中煤气有效成分的浓度与还原进程的关系。还原进程的关系。矿石还原度矿石还原度还原性气体浓度还原性气体浓度还原反应推还原反应推动力（动力（C CA AC CB B/K/Ke e)阻碍矿石还原度阻碍矿石还原度，反之亦，反之亦然。然。结果：减弱操作参数（矿石粒度、矿石
8、还原性、结果：减弱操作参数（矿石粒度、矿石还原性、还原气体入炉成分等）对矿石还原程度的影响。还原气体入炉成分等）对矿石还原程度的影响。2 2）温度场派生效应：任何影响反应床温度分布）温度场派生效应：任何影响反应床温度分布的因素都会对还原过程产生显著的影响；反之，矿的因素都会对还原过程产生显著的影响；反之，矿石还原度的变化对床层温度场也有一定的影响，即石还原度的变化对床层温度场也有一定的影响，即温度场变化对矿石还原有温度场变化对矿石还原有“反馈反馈”作用。作用。如：煤气如：煤气H H2 2/H/H2 2+CO+CO对还原过程的影响。对还原过程的影响。H H2 2多，矿石还原度的多，矿石还原度的使
9、床层温度使床层温度，阻碍还原，阻碍还原 CO CO多，矿石还原度的多，矿石还原度的使床层温度使床层温度，促进还原，促进还原 即温度场的变化可对铁矿石的还原过程产生一种即温度场的变化可对铁矿石的还原过程产生一种反馈作用，作用的效果由煤气中反馈作用，作用的效果由煤气中H H2 2和和COCO相对含量所相对含量所决定。决定。3 3）最佳煤气）最佳煤气H H2 2/H/H2 2+CO +CO 动力学：动力学：H H2 2反应速率常数和扩散系数反应速率常数和扩散系数还还原速度显著原速度显著 温度场效应：温度场效应：H H2 2温度温度还原速度还原速度 最佳煤气成分最佳煤气成分：矿石还原度在某一煤气成分（
10、：矿石还原度在某一煤气成分（H H2 2/H/H2 2+CO+CO）下达到最大值。它与移动床温度条件，）下达到最大值。它与移动床温度条件，即操作条件和矿石的特性参数有关。即操作条件和矿石的特性参数有关。数模计算结果：数模计算结果：H H2 2/H/H2 2+CO0.3+CO0.3 实际生产：实际生产：H H2 2/H/H2 2+CO+CO0.50.5，H H2 2+CO+CO0.750.75应舍弃追求使用高H2煤气的观点 4 4）反应空区：还原反应停滞的反应空间。）反应空区：还原反应停滞的反应空间。特点：特点：FeFe2 2O O3 3FeFe3 3O O4 4的还原过程已全部结束，而的还原过
11、程已全部结束，而FeFe3 3O O4 4FeFex xO O的还原仍没有发生，此时矿石还原度的还原仍没有发生，此时矿石还原度为为0.1110.111。床层温度较低，气相浓度较小就易发生。床层温度较低，气相浓度较小就易发生。5 5）影响竖炉生产率的操作因素）影响竖炉生产率的操作因素 操作因素操作因素还原速度还原速度生产率生产率n n温度：提高入炉煤气温度，有利于提高生产率。温度：提高入炉煤气温度，有利于提高生产率。n n煤气流量：流量煤气流量：流量，气固比，气固比，炉内平均温度，炉内平均温度，推动力（推动力（C CA AC CB B/K/Ke e），促进还原，但利用率，促进还原，但利用率n n
12、矿石入炉粒度：缩小矿石粒度能提高矿石还原速度，矿石入炉粒度：缩小矿石粒度能提高矿石还原速度，但实际效果不明显。但实际效果不明显。矿石粒度减小同时有利于传热和冷却，从而提高生矿石粒度减小同时有利于传热和冷却，从而提高生产率。产率。但需满足炉料透气性的限制。但需满足炉料透气性的限制。n n炉料运动：顺行条件；悬料原因；n n传热过程：还原剂、炉料温度分布；预热带长度计算；n n还原过程：浓度场派生效应；温度场派生效应；最佳煤气H2/(H2+CO)；反应空区；影响竖炉生产率的操作因素3.1 还原竖炉学习重点还原竖炉学习重点3.2 回转窑回转窑3.2.1 回转窑法炼铁过程n n最重要的固体还原剂直接还
13、原工艺。最重要的固体还原剂直接还原工艺。n n按不同作业温度可生产海绵铁、粒铁及液态生铁，按不同作业温度可生产海绵铁、粒铁及液态生铁，其中低温作业的回转窑海绵铁法最有意义。其中低温作业的回转窑海绵铁法最有意义。n n原料：细粒煤（原料：细粒煤（0 03mm3mm），脱硫剂（），脱硫剂（0 03mm3mm石灰石灰石、白云石），块铁矿（石、白云石），块铁矿（5 520mm20mm）。）。n n炉体稍有倾斜（炉体稍有倾斜（4 4），转速），转速4r/m4r/m。窑头外侧有烧。窑头外侧有烧嘴燃烧燃料（煤粉、煤气或然油），废气炉尾排出，嘴燃烧燃料（煤粉、煤气或然油），废气炉尾排出，炉气与炉料逆向运动。炉
14、气与炉料逆向运动。n n炉料在预热段加热，蒸发水分及分解石灰石；在炉料在预热段加热，蒸发水分及分解石灰石；在800800以后，再进行固体碳还原。以后，再进行固体碳还原。放出放出COCO再氧化区被氧化，提供热量。再氧化区被氧化，提供热量。n n炉身横断面有：氧化区、中性区、还原区。炉身横断面有：氧化区、中性区、还原区。n n回转窑内进行的反应过程可按炉料运动、传热、还回转窑内进行的反应过程可按炉料运动、传热、还原反应及杂质气化分解。原反应及杂质气化分解。3.2.2 炉料运动炉料运动（1 1）炉料运动方式）炉料运动方式n n滑落：如果炉料与炉衬之间摩擦力太小，不足以带动滑落：如果炉料与炉衬之间摩擦
15、力太小，不足以带动炉料，则炉料不断产生上移和滑落而且炉料颗粒不混炉料，则炉料不断产生上移和滑落而且炉料颗粒不混合，炉料与气流的传热现象处于近似停滞状态；合，炉料与气流的传热现象处于近似停滞状态；n n塌落：炉料与炉衬间有足够的摩擦力，但窑的转速很塌落：炉料与炉衬间有足够的摩擦力，但窑的转速很小时，则炉料反复被带起，达到一定高度而蹋落；小时，则炉料反复被带起，达到一定高度而蹋落；n n滚落：当窑体转速加快时，则炉料由塌落进入滚动落滚落：当窑体转速加快时，则炉料由塌落进入滚动落下的状态，这是回转窑炉料的正常运动状态；下的状态，这是回转窑炉料的正常运动状态；n n瀑布型落下：进一步加快转速，带动的炉
16、科则离开料瀑布型落下：进一步加快转速，带动的炉科则离开料层放落形成瀑布状落下；层放落形成瀑布状落下；n n离心转动；转速太快，则炉料随窑壁离心转动而不落离心转动；转速太快，则炉料随窑壁离心转动而不落下，这是不允许在回转窑中产生的现象。下，这是不允许在回转窑中产生的现象。正常情况下回转窑处于正常情况下回转窑处于塌落、滚落和瀑布型落下塌落、滚落和瀑布型落下三三种状态中。种状态中。（2 2）炉料停留时间）炉料停留时间）炉料停留时间）炉料停留时间n n由于回转窑不断转动，有摩擦力，炉料不断被推进。由于回转窑不断转动，有摩擦力，炉料不断被推进。炉料轴心方向的推进速度为炉料轴心方向的推进速度为 s s。式
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