流态化还原炼铁技术

流态化还原炼铁技术

流态化(fluidization)是一种由于流体向上流过固体颗粒堆积的床层而使得

固体颗粒具有一般流体性质的物理现象,是现代多相相际接触的工程技术。使用流态化技术的流化床反应器因具有相际接触面积大,温度、浓度均匀,传热传质条件好,运行效率高等优点而应用于现代工业生产。

高炉炼铁技术在矿产资源受限和环保压力增大等形势下,将面临着前所未有的挑战。铁矿石对外依存度过高、铁矿石粒度越来越小和焦炭资源枯竭等状况,迫使人们加快步伐探索改进或替代高炉工艺的非高炉型炼铁工艺。以气固流态化还原技术为代表的非高炉炼铁工艺逐步受到重视。

新工艺的建立和发展需要理论研究作为支撑。目前国内对于流态化还原炼铁

过程中的气固两相流规律的认识还不够深入,特别是对不同属性铁矿粉的流态化特性、不同操作条件下的流态化还原特性,以及反应器结构对流态化还原过程的影响等相关研究还不够充分,基于流态化还原技术的新工艺要成熟应用于大规模工业生产还有明显距离。

发展流态化技术须重视基础研究

流态化技术可以把固体散料悬浮于运动的流体之中,使颗粒与颗粒之间脱离接触,从而消除颗粒间的内摩擦现象,使固体颗粒具有一般流体的特性,以期得到良好的物理化学条件。流态化技术很早就被引入冶金行业,成为非高炉炼铁技术气基还原流程中的一类重要工艺。流态化技术在直接还原炼铁过程中主要有铁矿粉磁化焙烧、粉铁矿预热和低度预还原、生产直接还原铁的冶金功能。

我国从上世纪50年代后期开始流态化炼铁技术的研究。1973年~1982年,为

了开发攀枝花资源,我国进行了3次流态化还原综合回收钒钛铁的试验研究。中国科学院结合资源特点对贫铁矿、多金属共生矿的综合利用,开展了流态化还原过程和设备的研究;钢铁研究总院于2004年提出低温快速预还原炼铁方法(FROL TS),并

随后对工艺流程进行了探索,取得一定效果。除此之外,还有针对铁矿及铁氧化物微粉的低温还原特性的研究,探索了小粒径矿粉进行流态化还原的技术特点。使用流态化技术的代表性非高炉炼铁工艺的床层结构、还原气和物料特性见附表。

流态床的预还原反应器中的铁矿粉等物料与还原气体在流态化过程中相互作用,其动力学行为可促进两相之间的动量、热量和质量交换,为铁矿粉的还原反应创造良好的条件。为有效发挥流化床反应器的还原效果,开展气固两相流的理论研究很有必要,基础性研究成果将促进流态化技术发展及工业应用。

气固两相流相关研究进展

在流态化过程中,固体颗粒在流动的气体或液体中呈现悬浮状态,具有流体的性质,其状态受流体属性、固体颗粒属性、床体结构、操作条件和相间作用的影响。

物料属性对流化状态的影响。研究颗粒及气体属性对流态化状态的影响具有重要意义,特别是对工业应用原料的制备和选取具有指导作用,从而使原料对流态化过程的不利影响降低到最小,并最大限度地服务于需要的流态化状态。

国外早在1947年就有研究人士用金刚砂研究了粒度和粒度分布对流化质量的影响,并作了定性的描述。在针对不同平均粒径以及粒径分布对流化状态的影响研究中,得出的一般结论为:大粒子趋于增加流化的湍流强度,小粒子则趋于减弱流体的湍流强度,并且在粗粒床中加入细颗粒的作用是降低平均粒径从而改变与平均粒径有关的流化性质。

床体结构对流态化状态的影响。在流态化反应器从实验室级试验到半工业试验直至工业生产规模试验的逐渐放大过程中,出现气泡的短路现象逐渐严重,气体反混逐渐加剧,致使反应选择性变差,转化率降低,不利于工业生产的进行。而实践证明,通过合理的流化床反应器设计可以很好地改善这个问题。流化床反应器的结构

形式很多,但一般由床层壳体、内部装置、换热装置、气固分离装置等组成,研究各个部分的工作特性,对控制床层内部状态和指导反应器设计具有重要意义。

为了适应工业生产需要,大型化、连续性、稳定性生产变得非常重要。针对颗粒的还原度控制、还原气体的利用率提高、系统稳定经济高效的运行要求,流化床反应器趋向于循环流化床、多级流化床串联,鼓泡床、快速流化床、喷动床等多种流化床混合使用,各反应器相互独立又相互协作的方向发展,对流化床的设计和运行控制也提出了更高的要求。

流态化还原技术应用展望

随着适用于炼铁的优质铁矿资源不断减少、粒度越来越细,使用球团矿会增加生产成本,直接采用粉矿进行流态化还原成为炼铁技术发展中被考虑的一种重要途径。该工艺可直接使用粉矿,省去传统的烧结、球团和炼焦流程,大大缩短铁前工序,有利于环境保护和资源综合利用,而且拥有高的换热、传质和输送效率,因其理论上的经济可行性与传统高炉工艺形成鲜明对比而备受关注。

目前开发成功并已工业化的FINEX工艺,采用了4级(或3级)串联的流化床预还原反应器,进行铁矿粉的预热和预还原,再进行压块或终还原。无论是FINEX工艺,还是其他处于开发阶段、半工业化或小型工业化的流态化还原工艺,最常出现的问题包括:颗粒黏结,导致传输线堵塞和流态化效果损失;不能处理精矿大小的细颗粒;淘析损失和粉尘俘获效率低等。此外,气体利用率低、气体循环消耗的能量高、产品的均匀度低等问题也有待解决。于是,现有流化床反应器的流程(FINMET、FINEX、Circored)比气基竖炉(Midrex、HYL-III)更难控制和实现大型化工业应用。

因此,研究颗粒属性对流化特性的影响,对指导特定流化特性要求的生产工艺

的物料选择和制备具有重要意义。而合理的床体结构和内部构件设计可以有效地改善流态化过程中气体的分布和气泡状态,是流化床反应器的放大及工业化应用的重要前提。

对于流态化还原的炼铁技术发展而言,须要进一步开展理论与实验研究,可借

助物理模型和数值模拟,研究不同粒径及分布、不同微观性质、不同成分与密度的铁矿粉的流化过程及性质,得出铁矿粉属性与流化性质的相互关系;研究针对铁矿粉流化的不同床体形状及尺寸和内部构件如分布板、气泡控制部件等对铁矿粉流化流态的影响,研究黏结失流产生的原因和条件,寻求适于铁矿粉流化的床体设计的变量和参数,以及改善内部流体力学条件的适宜的物理量及参数、多级流化床反应器或不同流型的流化床反应器的衔接参数等。铁矿粉在流态化状态下表现出的动力学特性与传统铁矿粉还原的差异,以及不同还原条件(如温度、压力、气体成分组成等)对流态化还原过程的影响也同样值得进一步研究,以确定铁矿粉流态化还原的热力学和动力学适宜条件,避免黏结失流,并提高还原气体利用率和生产效率等。还须研究反应器的放大问题,提出系

列有关流化床反应器的设计及运行优化的控制参数,以适应新工艺的发展要求,促进我国流态化还原炼铁新工艺的工业化应用。