不同惰性物对抑制流化还原过程中黏结失流行为的研究

薄 荷，郝素菊，张丽颖，蒋武锋，张玉柱，方 觉

(1.唐山科技职业技术学院冶金工程系，河北唐山063011；2.华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山063210)

不同惰性物对抑制流化还原过程中黏结失流行为的研究

薄 荷1，郝素菊2，张丽颖1，蒋武锋2，张玉柱2，方 觉2

(1.唐山科技职业技术学院冶金工程系，河北唐山063011；2.华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山063210)

本文采用可视化流化床进行了石灰石粉、煤粉、干馏煤粉和焦粉作为惰性物对抑制流化还原黏结失流行为的研究.结果表明：配入少量的石灰石粉会降低黏结失流温度，加剧黏结失流现象，因此石灰石粉不宜作为流化还原过程中抑制黏结失流的惰性物；直接使用煤粉作为惰性物会带来难以解决的煤焦油问题，在生产实践中是不可行的；干馏煤对黏结失流具有很好的抑制作用，添加15%粒度为0.11～0.12 mm的干馏煤可将黏结失流温度提高75 ℃；焦粉对黏结失流具有很好的抑制作用，考虑工业生产的可行性与经济性，适宜的焦粉粒度可以取0.08～0.12 mm.

流化床；黏结失流；惰性物；煤粉；焦粉

近年来，我国钢铁工业发展迅速，导致冶金焦的价格一路攀升甚至供应紧张，使得炼铁成本不断增加.COREX流程使用非焦煤资源作为主体燃料，从根本上改善了炼铁工业的能源结构，其优势日渐显著.流化还原的最大优点在于能够直接处理粉矿，可免去烧结生产、球团生产等造块工序.这一特点不仅使能耗、成本和建设费用降低，还大大减轻了环境污染[1-5].流化床还原工艺虽然有很多优点，但存在着黏结失流这个根本的难以解决的问题.铁矿粉在还原至一定程度后会突然失去流化性，且恢复困难，使还原过程中断[6-8].本文采用可视化流化床进行了石灰石粉、煤粉、干馏煤粉和焦粉作为惰性物对抑制流化还原黏结失流行为的研究，并进行了理论分析，力求找出既经济又可行的抑制黏结失流的方法.

1 实验设备

本实验使用一套可视化流化床热模型作为研究工作的主体设备.该模型的关键结构是一个由石英玻璃构成的流化床器壁.通过器壁可清楚地观察到流化和失流过程的细节.图1是该设备的外形和内部结构示意图.该设备运行稳定可靠，主要参数见表1.

图1 可视化流化床热模型Fig.1 Model of the visualized fluidized bed

最高还原温度℃最高气体流速(cm·s-1)最高床层高度mm工作压力950100200常压

还原气由瓶装气体按比例混合而成.冷还原气首先通入一个还原气预热炉，升温至预定温度后经过气体分布板通入流化床.

流化床与预热炉中的耐热钢管通过软密封连成一体.还原气进入流化床后流经粉料床，在流化状态下对矿粉进行还原，然后通过顶端的沉降室流出反应器.还原气以及尾气均可通过一个连续性气体分析仪进行分析.实验温度为流化床内分布板上方10 mm处的温度.

2 实验原料

实验所用原料化学成分分析如表2所示，表3为实验所用还原气体化学组成.对于惰性物的选择，应确保添加的惰性物在冶炼过程中不产生有害影响，最好对冶炼有益，因此，燃料和熔剂成为了惰性物的首选.本实验选择石灰石粉、煤粉、干馏煤粉和焦粉作为惰性物，其化学组成如表4～6所示，其中干馏煤粉是在 1 050 ℃ 的温度中将煤粉干馏得到的.

表2 矿粉化学成分分析(质量分数)

表3 还原气体化学组成(体积分数)

表4 石灰石粉及煤粉化学成分分析(质量分数)

表5 煤灰分析(质量分数)

表6 焦粉化学成分分析(质量分数)

3 实验结果及分析

3.1 基础参数的确定

实验过程中为了排除惰性物以外其他因素对黏结失流温度的影响，需要对矿粉种类、气流速度及矿粉粒度等因素的影响进行研究，确定实验的最佳基础参数.

矿粉粒度0.1-0.15 mm，流化速度4.5 cm·s-1时，不同矿粉种类对流化还原过程中黏结失流温度的影响如表7所示.从表中可以看出不同矿粉之间黏结失流温度有很大的差别，在6种矿粉中，黏结失流温度最大可相差65 ℃，其中Mount-Write矿粉黏结失流温度最高，其次为澳洲粉矿.

表7 不同矿粉的黏结失流温度ts(d=0.1-0.15 mm，流化速度ν=45 cm·s-1)

图2 气流速度对黏结失流温度的影响(Mount-Write， d=0.1-0.15 mm)Fig.2 Influence of gas velocity on sticking temperatures

图2为矿粉粒度0.1-0.15 mm时，不同还原气流速对Mount-Write矿黏结失流温度的影响.随着气流速度的增加，颗粒动能增大，床层高度增加，颗粒间距变大，黏结失流温度从813 ℃快速提高到835 ℃，但当流速超过70 cm·s-1后，黏结失流温度变化趋于平缓.

由于实验室条件限制，本实验矿石粒度影响考察范围为0.10-0.45 mm，其具体结果如表8所示，从图中可以看出，在该粒度范围矿粉粒度与黏结失流温度影响较小，黏结失流温度均在835 ℃ 左右.

综上所述，本实验基础参数应为黏结温度最高的Mount-Write矿、还原气流速度为70 cm·s-1、矿粉粒度0.10-0.45 mm，但由于Mount-Write矿石储量较少，从经济及资源条件考虑，本实验选择具有黏结失流温度较高且供应能力较大的澳粉作为实验所用矿种原料，对不同惰性物抑制流化还原过程中黏结失流行为的作用进行研究.

表8 矿粉粒度对黏结失流温度ts的影响(Mount-Write， ν=45 cm·s-1)

3.2 石灰石粉对黏结失流温度的影响

将不同比例的石灰石粉分别混入矿粉中进行流化还原实验，结果见表9.由表可知，在石灰石粉配比小于20%时，黏结失流温度反而比添加前温度低，尤其当石灰石粉配比为5%时，黏结失流温度降低35 ℃，这一现象对流化还原极为不利，其作用机理目前还不清楚.当石灰石粉配比为25%时，黏结失流温度略有提高，但仅提高了5 ℃，从冶炼工艺考虑，已经超出了熔融还原的接受能力.因此石灰石粉不适合作为抑制黏结失流的惰性物.

daughter普通词义为“女儿”,在科技英语中表示 “子体”。如 :daughter board子插件；daughter neutron派生中子；daughter nucleus子核等。

表9 熔剂配比对黏结失流温度的影响

3.3 煤粉及干馏煤对黏结失流温度的影响

煤粉的加入造成了很大的麻烦.实验过程中可见大量浓烟排出.大量的焦油沾覆在石英管、沉降室和管道内壁上，很难清理.采用各种可行的方式均不能解决问题，因此可以断定，直接将煤粉加入流化床是不可行的.需要首先对煤进行干馏处理，研究了干馏煤对黏结失流的影响.

3.3.1 干馏煤粒度对黏结失流的影响

将干馏煤破碎分为5个不同粒度等级，其具体数值如表10所示.然后分别将各组干馏煤按15%的比例混入矿粉进行还原实验.干馏煤粒度与黏结失流温度的关系见图3.

表10 干馏煤粒度

由图3可以看出，5个粒度组的干馏煤均能对提高黏结失流温度起到明显的积极作用.但也可以看出，中间粒度组(0.11～0.12 mm)的作用要明显高于其他粒度组，最高可将黏结失流温度提高75 ℃.中间粒度的干馏煤之所以能够发挥更大的作用是由于颗粒分布均匀，能更好地与矿粉混合，有效减少矿粉颗粒之间的碰撞.如果干馏煤的粒度过大，则大部分颗粒将集中于流化床下部，与矿粉混合不理想，从而降低了隔绝作用.而粒度过小的干馏煤颗粒则集中于流化床上部，甚至被气流夹带，脱离流化床，所以作用同样会降低.

3.3.2 干馏煤加入量对黏结失流温度的影响

选择粒度为0.08～0.11 mm的干馏煤进行了干馏煤加入量对黏结失流温度的影响研究.干馏煤加入量与黏结失流温度的关系如图4所示，随着干馏煤配比的提高，黏结失流温度呈加速上升的趋势，干馏煤比例越大，越不容易产生黏结失流现象.但过高的比例是工业生产所不能接受的，因此，在可以防止黏结失流的前提下，干馏煤比例越低，对生产越有利.如果以800 ℃以上的还原温度为目标，则干馏煤配比应当在10%左右.这时的黏结失流温度大约在830～840 ℃.

图3 干馏煤粒度与黏结失流温度的关系Fig.3 Relationship between particle size of the carbonized coal and sticking temperature

图4 干馏煤配比与黏结失流温度的关系Fig.4 Relationship between the carbonized of coal ratio and sticking temperature

3.4 焦粉对黏结失流的影响

将焦粉破碎后分为5个粒度等级，如表11所示.分别将各组焦粉按15%的比例混入矿粉，然后进行还原实验，研究了不同粒度范围的焦粉对黏结失流温度的影响.焦粉粒度与黏结失流温度的关系见图5.

表11 焦粉粒度

图5 焦粉粒度与黏结失流温度的关系Fig.5 Relationship between the coke powder size and sticking temperature

图6 焦粉配比对黏结失流温度的影响Fig.6 Effect of the coke powder ratio on sticking temperature

从图5可以看出，5个粒度组的焦粉均能提高矿粉的黏结失流温度.焦粉粒度为0.11～0.12 mm(中间粒度组)时，作用明显高于其他粒度组，最高可将黏结失流温度提高70 ℃.当焦粉粒度为0.08～0.11 mm时，黏结失流温度提高61 ℃.当焦粉粒度为0.11～0.12 mm时，黏结失流温度提高65 ℃.其作用原理与干馏煤相同，考虑工业生产的可行性与经济性，适宜的焦粉粒度可以取0.08～0.12 mm.

3.4.2 焦粉加入量对黏结失流温度的影响

焦粉加入量对黏结失流温度的影响见图6.随着焦粉配比的增加，黏结失流温度提高.如果焦粉配比在10%左右，这时的黏结失流温度大约在820 ℃左右.

3.5 焦粉与干馏煤对黏结失流温度影响的对比研究

图7为焦粉和干馏煤配比对黏结失流温度的影响曲线，从图可以看出两组实验数据十分接近，几乎在同一条曲线上.由于焦粉与干馏煤作用机理相似，因此在实践中焦粉与干馏煤完全可以等量互换.

图7 焦粉与干馏煤配比对黏结失流温度的影响Fig.7 Effects ratio of coke powder to the carbonized coal on sticking temperature

3.6 惰性物抑制黏结失流的机理

根据Langston的研究结果，铁矿粉在流化还原过程中发生黏结失流的趋势可用下式表示：

式中：S为矿粉发生黏结失流的趋势；A为矿粉颗粒的表面黏度；B为矿粉颗粒发生碰撞时颗粒间的接触面积；C为矿粉颗粒的动量.

根据上式可知，铁矿粉发生黏结失流的趋势与矿粉颗粒的表面黏度、矿粉颗粒发生碰撞时颗粒间的接触面积成正比，与矿粉颗粒的动量成反比.矿粉颗粒的表面黏度与铁矿粉种类有关，一旦铁矿粉种类确定，矿粉颗粒的表面黏度是定值，是不可调的因素.矿粉颗粒的动量越大，发生黏结失流的趋势越小，但是对于相同粒度的矿粉颗粒来说其运动速度越大，在高温区的停留时间会缩短，矿粉的还原度会降低.所以为了保证矿粉一定的还原度，矿粉颗粒的动量往往有一个适宜值，调节的范围不大.而矿粉颗粒发生碰撞时颗粒间的接触面积是唯一可调的影响发生黏结失流趋势的主要因素，当加入惰性物时惰性物均匀地分散在矿粉颗粒之间，惰性物的添加比例越大，矿粉颗粒直接接触的机会越少，颗粒间的接触面积越小，因此加入惰性物，就是降低了颗粒间的接触面积，从而达到抑制黏结失流的目的.

4 结 论

(1)石灰石粉不宜作为抑制黏结失流的惰性物使用，配入少量的石灰石粉反而会降低黏结失流温度，加剧黏结失流现象；

(2)直接使用煤粉作为惰性物会带来难以解决的煤焦油问题，在生产实践中是不可行的；

(3)干馏煤对黏结失流具有很好的抑制作用，添加15%粒度为0.11～0.12 mm的干馏煤可将黏结失流温度提高75 ℃.

(4)焦粉对黏结失流具有很好的抑制作用，考虑工业生产的可行性与经济性，适宜的焦粉粒度可以取0.08～0.12 mm.

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Sticking resistance of iron ore fines doped different inert materials during fluidized bed reduction

Bo He1, Hao Suju2,Zhang Liying1,Jiang Wufeng2,Zhang Yuzhu2,Fang Jue2

(1. Department of Metallurgical Engineering,Tangshan Vocational College of Science and Technology,Tangshan 063011, China； 2. College of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology, Tangshan 063210, China)

The sticking resistances of limestone powder, pulverized coal,carbonized coal powder and coke powder as inert materials were studied by using a visualized fluidized bed. The results showed that the limestone powder is not suitable to be an inert material, because it will decrease the sticking temperature and intensify the sticking phenomenon. It is difficult to solve the problem of coal tar by using the pulverized coal. The carbonized coal has a good inhibitory effect on sticking. Addition of 15% of itwith a particle size of 0.11 ～ 0.12 mm can increase the sticking temperature by 75 ℃.The coke powder also has a good inhibitory effect on sticking. Considered the feasibility and economy of the industrial production, the suitable size of the coke powder is 0.08～0.12 mm.

fluidized bed; sticking; inertmaterial ;pulverized coal; coke powder

10.14186/j.cnki.1671-6620.2017.03.001

TF 552

：A

：1671-6620(2017)03-0159-06