外熱式豎爐直接還原法簡(jiǎn)史

豎爐直接還原法是1932年由馬丁·韋伯(Wiberg)發(fā)明的在瑞典建成了第一座生產(chǎn)裝置，稱(chēng)維伯爾法(Wiberg Soderfors process)。此法開(kāi)始是用木炭制造還原氣。后因經(jīng)濟(jì)上的原因，改用焦炭制氣。60年代，隨著石油、天然氣工業(yè)的發(fā)展，以天然氣為能源的豎爐直接還原法蓬勃興起。30多年來(lái)，先后有阿姆科(Armco)法、普羅費(fèi)爾(Purofer)法、米德萊克斯(Midrex)法、NSC和希爾(HYL)法等豎爐直接還原法問(wèn)世。70年代初，用煤做還原劑的外熱式豎爐直接還原法(KM法)投入生產(chǎn)。

1968年意大利達(dá)涅利公司與瑞士蒙特福諾公司合作開(kāi)始研究鐵礦石直接還原，并于1971年成立金洛—梅托（Kinglor-Metor）礦業(yè)和冶金公司，專(zhuān)門(mén)研究外熱式豎爐煤基直接還原煉鐵。并隨后獲得專(zhuān)利。1973年在意大利北部布特里奧（Buttrio）建立了中試廠，年生產(chǎn)能力為6500t。此法簡(jiǎn)稱(chēng)為KM法。

1981年。緬甸第三礦業(yè)公司1981～1983年先后引進(jìn)兩套意大利KM法裝置。每套能力為年產(chǎn)2萬(wàn)t，近幾年生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：噸鐵礦耗1.58t、煤（干）耗510kg、燃油耗166kg、電耗74kW·h。平均日產(chǎn)52t，最高日產(chǎn)62.5t，利用系數(shù)為1.2～1.3t/m·d。

該法的還原過(guò)程實(shí)質(zhì)是煤中的碳在高溫下氣化生成的CO與鐵礦石中鐵氧化物發(fā)生多相高溫冶金物化反應(yīng)。還原劑可用非結(jié)焦煤。工藝流程見(jiàn)圖1。

鐵礦石、煤與石灰石分別閉路破碎、篩分，取合格粒級(jí)配料與混合，混合料從爐頂部加入，隨下部排料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，物料沿爐身干燥、預(yù)熱、還原、冷卻各段逐步下降。豎爐燃燒室的加熱采用氣體或液體燃料。燃燒室的熱量通過(guò)碳化硅磚墻傳入豎爐還原反應(yīng)室并傳導(dǎo)至爐料中心。還原后的排出料包括直接還原鐵、煤灰和未反應(yīng)完的殘煤。經(jīng)磁選分離，大于3mm的直接還原鐵入庫(kù)；大于3mm的剩煤可作返煤摻入新煤中再利用。豎爐由裝料漏斗、干燥段、預(yù)熱段、還原段、水箱冷卻段及螺旋排料機(jī)構(gòu)等組成。反應(yīng)室上部是爐料預(yù)熱段，由一排5根φ280mm×3.1m的AISI310s不銹鋼管組成，爐料在鋼管內(nèi)既有均勻下料，又有受燃燒廢氣預(yù)熱的作用。

反應(yīng)室中部為還原段，由碳化硅磚砌成，高度10.4m，截面呈矩形，上口小，下口大，爐型窄、長(zhǎng)、高，加熱面置于窄向兩側(cè)。一座豎爐內(nèi)含6個(gè)反應(yīng)室，單室有效容積為7.2m。反應(yīng)室外部為燃燒室，爐墻長(zhǎng)邊方向每邊沿高度布置15個(gè)短焰燒嘴，窄邊方向每端沿高度布置10個(gè)長(zhǎng)焰燒嘴。反應(yīng)室下部是水箱冷卻段。爐子底部是4個(gè)水平帶水冷套的液壓式螺旋排料機(jī)，既可排料又起控制爐料在反應(yīng)室內(nèi)停留時(shí)間的作用。其他設(shè)備及輔助設(shè)施包括原燃料的破碎系統(tǒng)、豎爐上料提升卷?yè)P(yáng)翻斗、移動(dòng)式布料機(jī)、磁選機(jī)、殘煤和煤灰分離器、爐頂氣與燃燒廢氣返回利用系統(tǒng)。此外，還有配料、加料、排料和溫度自動(dòng)控制儀表、熱工儀表等。設(shè)備構(gòu)造較簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)部件少，電耗較低。操作中主要控制還原溫度、還原時(shí)間和排料速度。這些參數(shù)隨不同原料特性而變化。還原段溫度一般控制在1000～1050℃，對(duì)難還原礦可稍高一些，但應(yīng)考慮碳化硅磚的承受能力，注意碳化硅磚的保護(hù)。依據(jù)直接還原鐵所需的金屬化率，可調(diào)整排料速度以控制爐料在還原段停留的時(shí)間。

（1）原燃料適應(yīng)性較廣，對(duì)磁、赤、褐鐵礦以及攀枝花釩鈦磁鐵礦都進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)，結(jié)果較好；還原劑采用過(guò)褐煤、煙煤和無(wú)煙煤；燃料可用各種煤氣、天然氣、石油液化氣及燃料油；

（2）設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易；

（3）生產(chǎn)裝置起點(diǎn)規(guī)模小，最小工業(yè)裝置為年產(chǎn)2萬(wàn)_t，增加還原室個(gè)數(shù)，即可適當(dāng)擴(kuò)大生產(chǎn)能力；

（4）能量回收較好，生產(chǎn)中配置了廢氣顯熱回收和爐頂氣回收兩套節(jié)能裝置，部分頂氣可返回還原室強(qiáng)化還原反應(yīng)，其余頂氣可用作燃料以降低燃料消耗。 2100433B

1 概述

1．1 直接還原技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

1．1．1 世界直接還原技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

1．1．2 我國(guó)直接還原技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

1．2 典型的氣基豎爐直接還原工藝

1．2．1 MIDREX工藝

1．2．2 HYL-Ⅲ工藝

2 氣基豎爐直接還原機(jī)理

2．1 氣基豎爐直接還原反應(yīng)的熱力學(xué)規(guī)律

2．1．1 鐵氧化物的穩(wěn)定性

2．1．2 還原氣平衡組分

2．1．3 還原氣熱力學(xué)利用率分析

2．2 鐵礦石球團(tuán)氣基直接還原動(dòng)力學(xué)機(jī)理

2．2．1 還原過(guò)程組成環(huán)節(jié)

2．2．2 還原過(guò)程數(shù)學(xué)模型的選擇

2．2．3 單界面未反應(yīng)核模型

3 氣基直接還原物料平衡及能量利用分析

3．1 直接還原豎爐物料平衡熱平衡計(jì)算模型

3．1．1 工藝參數(shù)

3．1．2 還原氣需求量計(jì)算

3．1．3 物料平衡及熱平衡計(jì)算

3．2 物料平衡及熱平衡計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

3．2．1 計(jì)算結(jié)果與MIDREX生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比

3．2．2 H2/CO的影響

3．2．3 N2含量的影響

3．2．4 CH4含量的影響

3．2．5 還原氣溫度的影響

3．2．6 物料溫度的影響

3．3 還原氣利用率及最低能耗對(duì)比

4 氣基豎爐直接還原實(shí)驗(yàn)研究

4．1 球團(tuán)礦還原膨脹標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法

4．2 還原膨脹實(shí)驗(yàn)方法

4．2．1 實(shí)驗(yàn)原料

4．2．2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

4．2．3 實(shí)驗(yàn)條件

4．2．4 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

4．3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

4．3．1 動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)和ISO4698標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

4．3．2 恒溫升溫條件下還原結(jié)果

4．3．3 還原過(guò)程顯微形貌變化

4．3．4 動(dòng)力學(xué)分析

4．3．5 還原膨脹分析

5 氣基直接還原豎爐爐型設(shè)計(jì)及仿真

5．1 氣基直接還原豎爐

5．2 爐型參數(shù)及其確定方法

5．2．1 合理爐型的定義

5．2．2 豎爐爐型參數(shù)間的制約關(guān)系及影響因素

5．3 設(shè)計(jì)范例

5．4 還原段必要還原時(shí)間的確定

5．5 還原段物料傳輸模擬及其高度確定

5．5．1 顆粒離散元素法

5．5．2 仿真模型的建立

5．5．3 模擬結(jié)果及分析

5．5．4 還原段高度的確定

5．6 豎爐還原段內(nèi)型曲線的確定

5．6．1 內(nèi)型曲線的確定方法

5．6．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用

5．6．3 內(nèi)型曲線的擬合與確定

6 氣基豎爐內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

6．1 氣基直接還原豎爐內(nèi)流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型的建立

6．1．1 模型建立

6．1．2 基本假設(shè)

6．1．3 控制方程

6．2 氣基豎爐流場(chǎng)分布的影響因素

6．2．1 爐頂壓強(qiáng)對(duì)流場(chǎng)影響

6．2．2 爐頂氣出口大小對(duì)流場(chǎng)影響

6．2．3 還原氣通入量對(duì)流場(chǎng)的影響

6．2．4 還原氣溫度對(duì)流場(chǎng)的影響

6．2．5 支管數(shù)量對(duì)流場(chǎng)影響

6．3 氣基直接還原豎爐內(nèi)的流場(chǎng)優(yōu)化

6．3．1 合理的氣流分布

6．3．2 基于響應(yīng)面多個(gè)因素對(duì)流場(chǎng)的影響分析

6．3．3 基于遺傳算法氣基豎爐流場(chǎng)優(yōu)化

7 氣基直接還原豎爐布料過(guò)程仿真分析

7．1 離散單元法

7．2 模型仿真

7．2．1 擋板布料器

7．2．2 溜槽布料器

7．3 結(jié)果與分析

7．3．1 布料器擋板角度

7．3．2 擋板布料器料線高度

7．3．3 擋板布料器顆粒質(zhì)量比

7．3．4 溜槽布料器溜槽角度

7．3．5 溜槽布料器料線高度

7．3．6 溜槽布料器顆粒質(zhì)量比

8 直接還原熱送工藝流程及裝備

8．1 保溫輸送設(shè)備概述

8．1．1 普通機(jī)械輸送系統(tǒng)

8．1．2 氣力輸送系統(tǒng)

8．1．3 熱輸送系統(tǒng)

8．1．4 熱送系統(tǒng)的工藝要求

8．2 輸送斗物料輸送系統(tǒng)

8．2．1 密封系統(tǒng)

8．2．2 設(shè)計(jì)目標(biāo)和參數(shù)

8．2．3 物料輸送斗的結(jié)構(gòu)

8．2．4 系統(tǒng)總體輸送參數(shù)

8．3 物料輸送斗

8．3．1 物料輸送斗的隔熱層

8．3．2 料斗隔熱層的仿真分析

8．3．3 硅酸鋁板厚度

8．3．4 料斗保溫試驗(yàn)

8．4 氣體密封倉(cāng)

8．4．1 密封倉(cāng)內(nèi)氣體

8．4．2 氮?dú)鈧}(cāng)外罩材料

8．4．3 氮?dú)鈧}(cāng)外罩溫度場(chǎng)

8．4．4 氮?dú)鈧}(cāng)外罩厚度

8．4．5 氮?dú)鈧}(cāng)內(nèi)壓強(qiáng)

8．5 輸送系統(tǒng)中的密封

8．5．1 傳輸鏈與保溫罩之間的密封設(shè)備

8．5．2 板簧密封原理

8．5．3 板簧壓力

8．5．4 板簧溫度場(chǎng)

8．5．5 中間倉(cāng)的密封研究

8．6 高溫保溫螺旋輸送機(jī)

8．6．1 結(jié)構(gòu)組成

8．6．2 保溫原理

參考文獻(xiàn)

《氣基豎爐直接還原技術(shù)及仿真》介紹了氣基豎爐直接還原技術(shù)的基礎(chǔ)理論、仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究。內(nèi)容涵蓋了氣基豎爐直接還原技術(shù)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)、直接還原機(jī)理、物料平衡分析、氣基豎爐的爐型設(shè)計(jì)方法、氣基豎爐內(nèi)流場(chǎng)、布料過(guò)程的仿真模擬、物料熱送工藝及裝備等方面的知識(shí)，內(nèi)容力求科學(xué)性與通俗性相結(jié)合，由淺入深，循序漸進(jìn)。

《氣基豎爐直接還原技術(shù)及仿真》可作為高等院校冶金機(jī)械、燒結(jié)球團(tuán)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的本科生、研究生的教材或參考書(shū)；也可供廣大冶金設(shè)計(jì)研究院、燒結(jié)球團(tuán)行業(yè)的技術(shù)人員、DRI豎爐生產(chǎn)企業(yè)的從業(yè)人員參考。