Hi-QIP工艺——新型粒铁制造技术的开发

LIU1018

Hi-QIP工艺——新型粒铁制造技术的开发

    JFE钢铁公司开发了一种煤基新型粒铁制造工艺，该工艺可直接使用粉矿和煤粉在转底炉内制造不含脉石（矿渣）的粒铁。特别是在炉床上铺设了粉状的碳材，该碳材层不仅起到耐火材料的作用，还可作为熔融铁再凝固时的铸型及辅助还原材。利用该特点，在转底炉内可熔融还原铁，而且对原料性质及原料配合变化的适应性强。该公司建设了试验工厂，进行了操作试验，连续作业时间为6天，最大生产率为1.23t/m2?d。
    1.基于如下概念推进新型煤基粒铁制造工艺的开发。
    （1）    不需要高炉法使用的焦炭、直接还原铁制造时使用的天然气；
    （2）    制造在电炉内也能容易使用的不含脉石成分的粒铁；
    （3）    由最简单的设备和最低限度的能源回收系统构成。
    根据多个实验室水平的实验结果，JFE钢铁公司发明了命名为Hi-QIP（High Quality Iron Pebble Process 高质量粒铁工艺）的新型粒铁制造工艺。该工艺的开发现在已进入实证试验阶段，本文以实证试验的结果为主，介绍开发情况。
    2．Hi-QIP工艺
    Hi-QIP工艺和其他类似工艺相比，区别在于在转底炉上铺满碳材，在炉内熔融还原铁。作为设备构成中心的还原熔融炉采用转底炉。铁矿石、煤、石灰石等原料均使用粉状。首先，将碳材铺设在转底炉上，利用带凹陷的滚筒在碳材表面形成小的杯状凹陷，在碳材层的上面铺设由铁矿石、煤、石灰石组成的混合粉。在利用烧嘴加热时，混合粉层中的铁矿石被还原熔融，煤气化还原铁矿石，石灰石也和脉石、灰分一起熔融。熔融铁和渣首先流入碳材表面的凹陷处。随后，通过冷却装置，再凝固的粒铁和粒渣利用螺旋装置从炉中排出。
    在Hi-QIP工艺中，碳材层具有如下3个重要作用：
    （1）    耐火材料：在产生熔融物的工艺中，耐火材料的保护是最重要的。Hi-QIP工艺中的碳材层发挥了耐火材料的作用，防止熔融物和炉床接触。因此，无需考虑炉床内使用的耐火材料和熔融物的接触。
    （2）    铸型：生成的熔融铁和渣在炉内冷却带再凝固，此时粒状物可容易地从炉中排出。在Hi-QIP工艺中，碳材表层的小杯状的凹陷，可作为铸型使用。
    （3）    辅助还原材：混合粉中的煤作为还原材被使用，但是炉床上堆积的混合粉中煤的比率在炉床上的任何位置及任意时间要保持一定，这在工业上很难实现。在煤量不充分的区域，铁矿石的还原也可能不充分，混合粉层下面的碳材层起到了辅助还原材的作用，可以帮助铁矿石还原。
    3. 试验工厂的试验
    3.1   设计和建设
    考虑到向实机化的能力提高，试验工厂的产量定为15t/d。原料的升温模式和熔融物的降温模式通过实验室规模的实验及模拟模型进行研究，由此确定了炉床直径、炉床宽度、预热带长度、还原带长度、熔融带长度、冷却带长度、烧嘴数量、烧嘴能力等转底炉的规格。转底炉直径：7m；转底炉宽度：1m；烧嘴数量：11；最高温度：1823K。
    试验工厂建在JFE钢铁公司东日本制铁所千叶地区，试验工厂的外观如图1所示，图中右侧是原料系设备，中央部分是废气处理设备，左侧是转底炉本体。
    3.2   试验条件
    实证试验中采用的原料组成如表1所示。所有的原料均为粉状，大小为烧结中使用的尺寸。作为碳材层使用的煤也使用和表1一样的煤。混合粉的配比是渣碱度为0.8～1.6，还原材比选择0.8～1.6的范围。还原材比是指煤中的碳和铁矿石中的被还原氧的摩尔比。炉内温度以熔融带温度在1773～1823K范围内。
     
              表1  实证试验采用的原料组成
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              T-Fe    SiO2    Al2O3    CaO    MgO
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    矿石A    57.3    5.72    2.63    0.43    0.19
    矿石B    67.7    1.10    0.54    0.03    0.04
    矿石C    67.5    0.75    0.70    0.01    0.02
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              F.C     VM      Ash       S
    煤       85.7     6.7     7.1    0.54
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    F.C：固定碳，VM：挥发性物质
   
    3.3    试验结果
    混合粉层中的铁矿石被还原熔化，熔融物集中在各凹陷中。熔融物在还原带的下一工序即熔融带被进一步升温，完全熔融集中在凹陷处。试验中获的所有粒铁呈玉石形状，几乎同一尺寸。
    粒铁的化学成分如表2所示。试验在各种条件下进行，获得的粒铁的化学成分的变动很小。多数情况下，C浓度为2%～3%（重量百分比），Si、Mn几乎没有，P浓度低于高炉生铁，S浓度高于高炉生铁。渣的化学成分如表3所示。FeO浓度为3%～10%（重量百分比），由此算出铁的收得率为97%以上。
   
                 表2  粒铁的化学组成
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              C       Si     Mn       P        S
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    矿石A    2.5    0.08    0.01    0.040    0.21
    矿石B    2.1    0.04    0.01    0.027    0.25
    矿石C    3.0    0.07    0.01    0.038    0.24
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                 表3  粒渣的化学组成
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             FeO    SiO2    Al2O3    CaO    MgO
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    矿石A    9.8    31.9    15.4    36.4    1.4
    矿石B    3.2    34.4    16.0    40.9    3.3
    矿石C    5.5    29.9    17.6    36.3    0.1
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    回收的粒铁、粒渣中粒铁-粒渣未分离物的重量比率称为粒铁-粒渣未分离率。粒铁-粒渣未分离率接近零是所希望的。混合粉层的层厚越薄，粒铁-粒渣越容易分离，生产率也越高。如果增加层厚，单位面积的堆积量增加，表面上生产率提高了，实际上由于向混合粉层内部的热传导量大大减少，生产率反而降低。对于炉床半径方向及旋转方向，通过提高层厚的均一性，杯状凹陷深度的最佳化，可提高生产率。
    此外，由于矿石种类不同，生产率也有所不同。矿石采用A、B、C三种矿的情况下，生产率分别为0.9 t/m2?d、1.1 t/m2?d和1.2 t/m2?d，采用脉石成分少的矿石，生产率提高。
    在Hi-QIP工艺中，可使用将混合粉球团化、压密、压块后的东西，采用混合粉压密体的情况下，生产率为1.23 t/m2?d。
    4. 确立向实机化规模扩大的技术
    4.1   面向商业化的课题
    面向商业化的课题之一是，改善炉内能源效率，降低燃料消耗。在实证试验中，还原带炉床上的CO气体浓度的测定结果是：在原料表层附近，CO浓度约为7%；从原料表层到0.3m处，下降到1%以下。矿石还原时产生的CO和碳材升温生成的挥发成分等可燃性气体，在排出炉外前可在炉内作为燃烧热源，从而减少燃料消耗。为此，燃料烧嘴及喷吹空气或富氧空气的二次燃烧烧嘴的使用方法是很重要的。作为研究烧嘴有效利用法的工具，介绍采用燃烧?流动分析软件CFX5.7而开发的Hi-QIP计算机模拟模型介绍如下。
    4.2   模型概要
    该模型是由炉壳及炉床围成的炉内空洞部，也就是模拟燃烧流动部，近似地将转底炉直线展开。形状制作采用Design Modeler进行，各部分尺寸可变更。网格全部为四面体要素，要素数量为578122。气体燃烧流动部考虑的气体为O2、N2、CO、CO2、H2、H2O、CH4、C2H6八种，进行气体燃烧流动部的流动?传热分析。气体燃烧流动部内的反应模型采用标准内装CFX5.7的化学反应数据库，考虑的反应如下：
    CH4+（1/2）O2→CO2+H2
    C2H6+O2→2CO2+3H2   
    CO+（1/2）O2→CO2   
    H2+（1/2）O2→H2O        
    CO+H2O→CO2+H2
    实际中，在炉床部的气体燃烧流动部下端存在混合粉层，发生矿石的还原、煤的气化等反应，由于这些反应产生了CO气体，从气体燃烧流动部来看，发生了所谓CO流入的边界条件。还有，作为来自气体燃烧流动部下端的热损失，反应吸热被模型化。
    在该模型下还需要设定以下边界条件：（1）烧嘴条件；（2）来自炉壳的热损失；（3）来自炉床部（气体燃烧流动部下端）的CO等气体的进出条件；（4）炉床部（气体燃烧流动部下端）的热损失（反应吸热）。
    （1）    烧嘴条件：提供给烧嘴的燃料、燃烧用空气、氧的量、各供给物质的温度。燃料假定为CH4和C2H6的混合气体，保持CH4的比例，C2以上的成分全部置换为C2H6；
    （2）    来自炉壳的热损失：设定为总热传导率；
    （3）    来自炉床部的CO等气体的进出条件：由矿石还原及碳材气化产生CO气体；
    （4）    炉床部的热损失：由矿石还原及碳材气化产生反应热，矿石的直接还原是吸热反应，作为实际热损失，将吸热量进行单位换算成热损失，作为边界条件。
    作为计算结果，得到的各项是炉内温度，CO、CO2、O2、N2、CH4、C2H6等各气体成分的浓度，来自各烧嘴的流线，炉内速度，CO的反应率等。
    4.3   计算结果
    介绍利用本模型得到的计算结果，计算条件如表4所示。
   
                                 表4  计算条件
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                        熔融带（Nm3/h）               还原带（Nm3/h）
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      烧嘴        LNG    空气        O2         LNG      空气      O2
                 90.0    510.0     110.0       100.0    620.0    135.0
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                        空气比率    1.21                空气比率   1.33
                          O2%      35.02                  O2%     35.13
    二次空气             200.0      55.0                  300.0    80.0
                          O2%      38.04                  O2%     37.63
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    设置还原带二次燃烧烧嘴的目的是使混合粉层内的矿石还原或煤干馏时产生的CO气体等燃烧，从产生气体的有效利用这一点来看，该气体在炉内流向何处是很重要的。一般的二次燃烧烧嘴送风的富氧空气的流动如下所述。首先，直线传播到烧嘴对面周围。随后，多数气体转变为炉床方向或炉内气体排出方向。其中沿烧嘴对面炉床方向的气体达到炉床后，可改变为还是沿着炉床方向，稍微向炉内气体排出方向倾斜的烧嘴设置面方向。但是这种流动不会到达烧嘴设置面，在途中离开炉床，同时可变为炉内气体排出方向。但是，这种一般的流动不管在何种二次燃烧烧嘴中都看不到。在炉内气体排出口附近设置二次燃烧烧嘴的情况下，送风的富氧空气到达炉床前变为炉内气体排出口方向。这可以从紊流强度分布的结果中得到确认。在还原带上流部、炉床附近部分，存在紊流强度较弱部分。
    此外，炉床前进方向垂直断面（XY断面）的CO气体浓度分布如下所述：由于混合粉层产生CO气体，所以在还原带的炉床正上部存在CO浓度高的区域。由二次燃烧烧嘴送风的富氧空气使得CO气体燃烧，所以离开炉床CO气体浓度下降。在这样的一般倾向中，在还原带炉内气体下游侧，可以看到从炉床稍微偏向炉内气体排出口方向存在CO浓度较高部分。这是因为由混合粉层产生的CO气体没能充分燃烧。从炉内能源效率改善，燃料消耗削减的角度看，未必是理想状态。根据先前的气体流动解说，这种高浓度CO区域几乎和弱流动（紊流强度低）部位是一致的，可以推断由二次燃烧烧嘴送风的富氧空气和由混合粉层产生的CO气体没有充分混合。今后，将采用该模型，改变烧嘴、二次烧嘴的配置及其烧嘴使用方法，炉内形状等，研究由混合粉层产生的CO气体的高效燃烧条件。
    5. 结语
    JFE钢铁公司推进煤基新型粒铁制造工艺（Hi-QIP工艺）的开发，建设了试验工厂并进行试验，实证说明在高生产率下可连续生产粒铁。此外，在面向Hi-QIP工艺的商业化方面，开发了可进行Hi-QIP炉内燃烧?流动分析的工具。