第三章-非高炉炼铁重点设备介绍(下)..

上三式带入（4）可得：
（4）
计算umf时应使用颗粒的平均直径，u0不能太靠近umf； 而计算ut时则应使用小粒度组分直径，uo同样不能太 靠近ut。 令Du＝ut－umf，则Du越大，流化床越稳定。 u0的选择必须保证流化床下部uo>umf，上部u0 <ut。
床层内压力分布与高度大致成直线关系： 在恒温床层内有： 床层极限高度Lmax时，ui＝umf，上部u0 ＝ut，可得：
干基热量为Qd； Q包括造气热（Qg，干基造气热Qgd）和熔炼煤的有效热值（Qe，干基有
效热值Qed）； ➢ 造气热Qg ：包括煤气物理热、挥发物分解热、溶剂分解热等与熔炼无关
的热消耗，以煤气物理热为主； ➢ 有效热值：真正用于熔炼的热量
熔炼煤主要性质
熔炼煤的干基有效热值可由下式估算：
有效热值（Qe）的影响因素： ➢ 湿度：影响较大。
➢ 煤气出炉温度Tg。
3.4.2 矿石熔炼热
铁矿石化学成分
铁矿石热收入包括铁矿石（海绵铁）物理热和成渣 热；
熔炼热支出包括：冷却热损失、SiO2分解热、FeO 分解热、脱硫热、溶剂分解热、铁水物理热、矿渣 物理热、渗碳热等。
一般矿石的熔炼热（Qs）可由下式估算：
3.4.3 煤耗与产气量
umf的二次方程： 如Rep很低，压降以粘度损失为主，忽略动能损失，
有： 很高，压降以动能损失为主可忽略粘度损失，有：
对很多系统有： 则有：
由上三式可求出临界流化速度，标准误差为±35％。
其中：（2）适用于小Re，即小粒度炉料； （3）适用于大Re，即大粒度炉料； （1）适用Re适中。
终端速度ut有： 式中：Cd为曳力系数，其有：
度。
（4）还原率或金属化率。粘结失流的前提是Rm>0及还原行气氛， 粘结失流总是在粘结失流还原率Rs附近发生。
（5）还原剂种类和铁的析出形态。H2还原时，铁以多孔的或致密 的平面状析出，CO还原时，铁则多以针状析出。
（6）矿粉粒度。大颗粒矿粉可在一定程度上抑制粘结失流现象。
➢ Ts＝830℃ ➢ 失流以前矿石还原率f在Ts处不连续。
粘结失流的影响因素 颗粒的粘结失流趋势：
式中：St是粘结失流趋势；Ak是发生碰撞时的颗粒接 触面积；Sp是颗粒表面粘度或活性；mp是颗粒动量。
间接影响因素较多：
（1）还原温度。当还原温度高于粘结失流温度Ts时，粘结失流则 会有规律的发生。
（2）气氛。粘结失流现象仅发生于还原气氛中。 （3）气流流速。较高的流速下， Ts较高，则可使用较高的还原温
（4）使用粘结趋势较低的矿石。
（5）使用高速流化床。高速流下带出的矿粉返回使用，即采用循环流化 床。
3.3.4 还原速度与气体利用率
流化床的反应条件：
（1）矿粉成分接近全混合床。床层上下还原率分布较均 匀，尾气还原需最低与FeO和Fe平衡，还原气利用率 低于竖炉。
（2）气流接近活塞流。温度分布下高上低，总温差较小。 （3）总压降约等于单位截面积上的矿粉质量，压力分布
应的Rm即为Rm0，C记为C0，统称理论最佳配合参数，其由熔炼 煤有效热值和矿石熔炼热决定。
3.4.5 原燃料及配合参数对煤耗的影响
矿石成分。矿石成分→矿石熔炼热→配合参数(Rm0） →煤耗。
式中：Q0——矿石预还原金属化率＝0时的熔炼热， 对Q0影响最为显著的参数是TFe、SiO2和CaO。
➢ Rm0随Q0的提高而提高； ➢ 当Q0很低时，Rm0也很低。虽然对应煤耗较低，但过
铁矿石还原用气固两相流。实际中炉料粒度不均匀，所以工业流化床一般不 能以单纯的形式存在。
3.2.2 流化参数
临界流化条件：气流对料层向上的摩擦力等于料层的 质量。由此可得：
整理得：
式中： S——流化床截面积；Lmf——临界流化床高度； εmf——临界流化床孔隙率；ρs——固体颗粒密度。 固定床压将为：
用液体流化介质形成的流化床较为均匀，称为均匀流化床。
（4）鼓泡流化床。使用气体流化介质形成的流化床均匀性、稳定性较均匀床低， 料层中可观察到明显的鼓泡现象和沟流现象，颗粒运动比均匀床活跃，床层 的膨胀率不如均匀床，称为鼓泡流化床或聚式流化床，简称鼓泡床。
（5）腾涌床。如果流化床截面积较小，气泡直径能够长大到流化床直径以上， 床层将被气泡截断，形成腾涌现象。
煤气的改质或重整：将高温煤气通入煤炭床（如 资源条件允许，天然气或其他碳氢化合物也可以 使用），使其中的氧化性气体得到还原，提高煤 气的还原性气氛，降低煤气温度。
预热空气明显不利于有效热值的提高； 煤气含氮量高，质量变差； 随着助燃空气温度提高，Qe有所改善。
重要冶炼参数与二次燃烧率的关系（氧气助燃）
rpc↑，Qe↑，Tg↑。过高会给炉衬维护带来麻烦，煤气 物理热的利用越来越重要。
煤气物理热的利用方法有：通过换热器预热空气作 二次助燃剂；煤气的改质或重整。
低会造成冶炼困难，一般规定Rm不能低于85％； ➢ 当Q0很高时，Rm0也很高。太高生产无法满足，一般
规定，不能高于96％。
熔炼热对配合参数的影响
熔炼煤湿度。湿度→Qe→煤耗。
3.4 熔炼造气煤炭流化床学习重点
熔炼煤的有效热值及影响因素 理论最佳配合配合点，理论最佳配合参数； 矿石成分、熔炼煤湿度及配合参数对煤耗的
两式合并则有：
3.3 还原流化床学习重点
流化床类型及各类流化床△P与u0的关系，Umf和Ut； 粘结失流：定义、影响因素、粘结失流机制及控制
粘结失流的措施；
3.4 熔炼造气煤炭流化床
3.4.1 熔炼煤的有效热值
热收入——煤的燃烧； CH4和H2O比例很低，可忽略H2的热效应； 煤在熔炼过程中放出的全部热量（Q）为碳素燃烧热和煤灰成渣热之和，
二次燃烧：向气相中通入氧气，烧掉部分煤气，同时 保持生成的CO2和H2不被还原。
二次燃烧率：通过二次燃烧氧化掉的CO和H2的比例， 记为rpc。其对熔炼煤有效热值的影响极大。计算可知， 当rpc ＝0.3左右时二次燃烧热的水平即可与一次燃烧 相当。
3.5.3 二次燃烧率与有效热值
Qcom ←二次燃烧率 Qe←
（6）稀相流化床。流体流速进一步提高，流体与颗粒间摩擦力大于颗粒质量， 颗粒被流体带走，形成夹带现象。使床层上届面消失，颗粒密度降低，这种 床称为稀相流化床。
床层类型可由△P与u0的关系确定：
（1） △P与u0 呈直线关系，固定床。 （2）u0＝umf， △P＝W/S，临界流化床。 （3） u0>umf， △P恒定，鼓泡床。 （4）u0↑，△P开始波动，并逐渐减小，腾涌床。 （5）u0>ut，△P较小。稀相流化床。
近似直线。
（4）炉料粒度小，扩散条件好。 （5）影响气体利用率因素复杂，主要有还原速
度、热量供应、还原剂供应和流速要求等。 （6）流化床形式有重要影响。主要形式有单级
流化床、多级流化床、鼓泡床和循环流化床。
气体利用率
还原剂扩散量在流化床高度上的分布（即为还原反应 速度在高度上的分布）：
单位时间还原剂供应量为M0，η为气体利用率，则有：
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3.3 还原流化床
3.2.1 流态化现象及流化床类型
（1）固定床。流体流速较低，床层颗粒静止，孔隙率不变。 （2）临界流化床。流体流速达临界值umf，流体与颗粒间的摩擦力等于颗粒质
量，此时为固定床与流化床的分界点。 （3）均匀流化床。流速↑，孔隙率↑，高度↑，实际流速恒定，称为流化床。使
0点左边，Mr>Mr‘，金属化率偏低，还原气供过于求。煤耗由Mr 决定，有副产品过剩煤气产出；
0点右边，Mr<Mr‘，金属化率偏高，还原气供应不足；解决办法： ➢ 循环使用煤气。还原尾气清洗，脱除氧化性成分，加压，预热，
返回使用；
➢ 按Mr’确定煤耗。热收入过剩，Tg提高。 0点，Mr＝Mr‘，系统最简单，此点称为理论最佳配合点。 0点对
Tg ←二次燃烧热效率ηq和煤气水当量 燃烧热Qcom与二次燃烧率rpc近似成直线关系。
rpc越大， Qe越高。但为了避免金属铁或低价氧化铁 的氧化，不能无限提高。 二次助燃剂可选用氧气、空气和预热空气。使用氧气 时煤气水当量最低，煤气量最低，在同样冶炼强度下 煤气与熔池间热交换时间最长，热效率最高。
➢ 产品类似高炉生铁。
➢ 连续运行。
卧式铁浴炉主要特点是煤气与熔池的接触面积较大， 且在炉内有一个与熔池平行的流动过程，强化了气 液两相之间的热交换。
铁浴炉中的过程主要有三个：继续完成还原单元未完 成的还原过程、将还原出的铁熔炼成生铁和制取还原 气(煤的气化)。
还原反应： 气化反应产物没有二次燃烧的主要产物CO2 和H2O。 熔炼所需热量由碳的燃烧反应提供：
熔炼煤耗随入炉海绵铁金属化率的提高直线下降， 其关系有：
产气量与煤耗的关系近似正比； 总气量Mg有： 还原剂（CO＋H2O）气量Mr有：
3.3.4 与还原单元的配合
熔炼单元与还原单元通过还原气和海绵铁的联系称为一 个整体；
还原单元的还原剂需要量由海绵铁金属化率和气体利用 率决定；
海绵铁金属化率同时影响产气量（煤耗）和需气量； 产气量（Mr）随Rm提高而降低； 需气量（Mr‘）随Rm提高而升高。
式中：pu＝ umf/ut。 可见，pu越高， Lmax则越大。
Lmax还与流体压力有关。当气体出口式得：
则在 当
时， Lmax随pu提高而提高； 时， Lmax与pu无关，其应写为：
Du和Pu是粒度的函数。
➢粒度较小（0.1mm）时， pu较大，ut和umf相对差别很 大，u0的控制和床层的提高 较容易。利于提高产率和还 原气体利用率。但粒度太低， 易粘结失流。
或：
3.5.2 影响熔炼煤有效热值的参数
对于铁浴炉有：
由上式可见，影响Qe的主要因素是煤气温度和熔炼 煤湿度。 铁浴炉煤气出口温度与离开燃烧区时的温度差别不大 较煤炭流化床高。主要是由于熔池上方不存在含碳料 层，不能有效形成垂直方向的温度梯度。 铁浴炉单位煤耗较高。主要是由于熔炼煤在铁浴炉中 的有效热值过低，可通过提高燃烧热来改善。