非高炉炼铁--重点设备介绍

长度计算； 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
3.2 回转窑
3.2.1 回转窑法炼铁过程
最重要的固体还原剂直接还原工艺。 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。 原料：细粒煤（0～3mm），脱硫剂（0～3mm石灰
4）反应空区：还原反应停滞的反应空间。 特点：Fe2O3→Fe3O4的还原过程已全部结束，而
Fe3O4→FexO的还原仍没有发生，此时矿石还原度 为0.111。
床层温度较低，气相浓度较小就易发生。
5）影响竖炉生产率的操作因素 操作因素→还原速度→生产率
温度：提高入炉煤气温度，有利于提高生产率。
一般可用经验公式确定炉料在回转窑中的停留 时间 。
对于粉料：
式中：θ——炉料堆角；P——窑体斜度，rad； D——窑径。
对于颗粒炉料和球团矿：
式中： θ‘——堆角增量；
R——窑半径，m； g——重力加速度。
回转窑的利用系数
式中：ψ——填充率，％； ——总的停留时间，s；
（3）传热过程
炉料必须加热到800℃才能开始金属铁的还原。 预热段占回转窑长度40％。
3.2.5 硫及有害杂质的去除
脱硫：燃料及矿石中硫→气流。 回转窑气流中H2少，气态硫以COS为主。 COS可被CaO和Fe吸收，CaO更易吸收，故CaO多，
气化脱硫率也愈低。
回转窑中CaS脱硫机理。
脱硫剂：白云石
不利影响：减少硫的挥发率；增加燃料消耗，同时 增加入炉流量；降低炉料含铁量，降低生产率。
①球团体积膨胀而发生侧压系数n增大； ②矿石相互粘结或与炉墙粘结而引起摩擦系数增大。
竖炉利用系数：
式中：τ∑——包括预热、还原、过渡及冷却 各段总的停留时间，h；
Fev——炉料容积含铁量； Fep——产品含铁量，％
3.1.2 传热过程
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。
正常情况下回转窑处于塌落、滚落和瀑布型落下三 种状态中。
（2）炉料停留时间
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ωs。
式中：K——窑体转动一周带炉料下落的次数； N——窑体转速，r/min； S——炉料被带起一次所推进的距离，m。
则炉料停留时间为：
式中：L——窑体长度，m。
冷却带的传热过程与预热带类似。 冷却带中易发生析碳反应（2CO→C＋CO2）。
后果：析碳过多，阻碍气流，降低冷却作用。
原因：冷却带处于CO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。
措施：保证一定的冷却煤气氧化度。
3.1.3 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：
1）浓度场派生效应：床层中煤气有效成分的浓度与 （CA－CB/Ke)↓→阻碍矿石还原度↑，反之亦然。 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。
2）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 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“反馈”作用。
炉料顺行的条件：有效重力F≥0。根据Janssen公式：
式中：D——竖炉直径，m； M——炉料堆比重，kg/m3； f——炉料与炉墙摩擦系数； n——侧压系数。
高炉中，△P/Z→M，即F→0，下料不顺； 竖炉中，△P/Z 较小（2Pa/m3)，M较大
（2000Pa/m3），竖炉不会因为煤气浮力引起悬料。 竖炉悬料的原因：
减小预热段长度的分析：
增大加热面积。
减小炉料填充率。一般填充率<20％，如过小，则 还原条件变坏，所以扩大加热面积作用有限。
增加传热系数。
传热方式为对流（70％）和辐射（25％），操作 温度受限制，气流速度不能过大，所以提高传热 系数可能性不大。
提高尾气温度。有效
尾气温度不能小于500℃，一般多控制在600～ 800℃。 热效率降低（废气热能利用）。
第三章 重点设备介绍
直接还原 气基：竖炉、流化床、反应罐 煤基：回转窑、 反应罐、竖炉
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
竖炉法目前占直接还原法的83％； 炉内反应过程与高炉间接还原带相似； 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
重于泰山，轻于鸿毛。08:12:2608:12: 2608:12Thurs day, December 10, 2020
不可麻痹大意，要防微杜渐。20.12.1020.12.1008:12:2608: 12:26December 10, 2020
加强自身建设，增强个人的休养。2020年12月10日 上午8时 12分20.12.1020.12.10
杂质去除方式；
踏实，奋斗，坚持，专业，努力成就 未来。20.12.1020.12.10Thurs day, December 10, 2020
弄虚作假要不得，踏实肯干第一名。08:12:2608:12: 2608:1212/10/2020 8:12:26 AM
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.12.1008:12:2608:12Dec-2010-Dec-20
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如：煤气H2/H2+CO对还原过程的影响。 H2多，矿石还原度的↑使床层温度↓，阻碍还原 CO多，矿石还原度的↑使床层温度↑，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 反馈作用，作用的效果由煤气中H2和CO相对含量所 决定。
3）最佳煤气H2/H2+CO
动力学：H2↑→反应速率常数和扩散系数↑→还原 速度显著↑
➢ 碳的反应性（Rb）。影响重大。 ➢ 配碳量。Mc↑，还原速度↑。常配加过剩碳量，
为理论值的100～200％。 ➢ 温度。T↑，促进还原，对气化尤为明显。受
限于灰分熔点及矿石的软化点。使窑内温度 有控制地达到最高极限是重要的操作原则。 ➢ 填充率。↑填充率，↓矿石氧化程度，有利于 矿石还原。受限于传热。 ➢ 触媒效应。Li、Na、K改善接触条件。
传热方式
窑尾部分 窑头部分
炉气热辐射
＜50％ ＞80％
气流与炉料对流 ≈30％ ≈10％
炉墙对炉料导热 ≈30％ ＜5％
实际回转窑内，气流-炉料呈逆流运动，可有五种 传热途径。
令回转窑内预热段炉料吸收热量为Q。 解出：
当入窑炉料温度tso=0时，有： 预热段炉料温度按升高至800℃，预热段长度为
3.2.4 回转窑还原过程
（1）数学模型 还原段的数学模型应结合固体碳还原速率方程。
回转窑还原段中可认为CO→100％，Kb→∞。 或
回转窑操作温度（900～1000℃）下， 矿石的还原速度很快，上式中前项的值大 大高于后项之值，因此碳的气化反应是回 转窑中还原过程的限制环节。
（2）影响还原的因素
煤气流量：流量↑，气固比↑，炉内平均温度↑，推 动力（CA－CB/Ke）↑，促进还原，但利用率↓
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。
矿石粒度减小同时有利于传热和冷却，从而提高生 产率。
但需满足炉料透气性的限制。
3.1 还原竖炉学习重点
炉料运动：顺行条件；悬料原因； 传热过程：还原剂、炉料温度分布；预热带
石、白云石），块铁矿（5～20mm）。 炉体稍有倾斜（4％），转速4r/m。窑头外侧有烧
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。
炉料在预热段加热，蒸发水分及分解石灰石；在 800℃以后，再进行固体碳还原。
放出CO再氧化区被氧化，提供热量。
炉身横断面有：氧化区、中性区、还原区。 回转窑内进行的反应过程可按炉料运动、传热、还
温度场效应：H2↑→温度↓→还原速度↓ 最佳煤气成分：矿石还原度在某一煤气成分 （ H2/H2+CO）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。
数模计算结果： H2/H2+CO≈0.3 实际生产： H2/H2+CO＞0.5， H2+CO＞0.75
应舍弃追求使用高H2煤气的观点
而： 由物料平衡：
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 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。
边界条件：气体出口处：Z＝0，R＝0； 气体入口处：Z＝Zi；tg＝tgi； CA＝CAi；P＝Pi。
（2）竖炉中矿石还原过程的特点
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 炉料与煤气的温度场。
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dZ，由热平衡有：
炉料：
⑴
煤气：
⑵
式中：Gs，Gg——炉料及煤气流通量，kg/m2；
β——气-固相间传热系数；
A——单位体积炉料表面积，m2。
由（1）得：
由（2）得：
两式相等得：
即：
积分得：
（3）
由边界条件：ts＝tso时，tg＝tg‘代入上式得：
其它气化温度低的杂质气化去除。
Pb：PbO、PbS、Pb蒸汽压低，不能大量气化，但 Pb粒易析离海绵铁而被气流带走； Na、K：虽气化温度低，但形成硅酸盐，难还原； P：挥发率低，形成磷酸盐。