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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：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。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：代入（3）得：（4）又由（1）、（2）得：两式相减得：积分得：（5）边界条件：Z＝0时，ts＝tso，tg＝tg‘代入（5）得：代入（5）得：（6）联立（4）、（6）得：一般情况下，tso→0，则：而：由上两式可求炉内温度分布，此外可求出预热带高度。如：定义预热带结束的标志为tg＝ts＋10℃，则：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：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。1）浓度场派生效应：床层中煤气有效成分的浓度与还原进程的关系。矿石还原度↑→还原性气体浓度↓→还原反应推动力（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。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↑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。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。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3.1还原竖炉学习重点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、还原反应及杂质气化分解。3.2.2炉料运动（1）炉料运动方式滑落：如果炉料与炉衬之间摩擦力太小，不足以带动炉料，则炉料不断产生上移和滑落而且炉料颗粒不混合，炉料与气流的传热现象处于近似停滞状态；塌落：炉料与炉衬间有足够的摩擦力，但窑的转速很小时，则炉料反复被带起，达到一定高度而蹋落；滚落：当窑体转速加快时，则炉料由塌落进入滚动落下的状态，这是回转窑炉料的正常运动状态；瀑布型落下：进一步加快转速，带动的炉科则离开料层放落形成瀑布状落下；离心转动；转速太快，则炉料随窑壁离心转动而不落下，这是不允许在回转窑中产生的现象。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。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％。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）。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。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。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。炼铁过程：产品；原料；设备；流程；炉料运动：运动方式；停留时间；传热过程：减小预热段长度的措施；还原过程：影响还原的因素；脱硫及其它杂质去除：脱硫方式；脱硫剂；杂质去除方式；3.2回转窑学习重点