浅析还原气需求量及其与炉内流场关系
2014-05-31白明华葛俊礼朴英敏符远翔
白明华，葛俊礼，王 健，朴英敏，徐 宽，符远翔
(燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北 秦皇岛 066004)
0 前言
气基竖炉是气基直接还原铁生产工艺中的主体设备，竖炉流程是气基直接还原工艺的主要环节。就基本原理而言气，基竖炉是移动床式气固反应装置，球团料层与还原气和冷却气在料层的孔隙中进行热量交换和化学反应。因此，研究气基竖炉内各股气流的流向，流量及其分布等流动规律，对强化气基竖炉热量交换、化学反应、提高直接还原铁产量和质量具有十分重要的意义［1-2］。
本文从还原反应和热平衡角度对气基直接还原竖炉内还原反应还原气的需求量进行了计算，利用其结果分析气基直接还原竖炉在不同通气量下竖炉内部还原气的速度分布规律。
1 还原反应还原气的需求量
铁矿石在还原竖炉内被还原时，还原气的需求量主要有两个来源:一是还原气中H2和CO参与还原反应夺取氧化物中的氧元素，生成水和二氧化碳所消耗的还原气量;二是从热量的角度，还原气给竖炉带入的热量，满足竖炉内炉料的加热和各种化学反应所需要的能量。还原气的实际需求量并不是两者的相加，而是取其中最大的还原气需求量。
1.1 还原反应所需还原气消耗量
竖炉内还原气体的净需求量可由氢气还原氧化铁和一氧化碳还原氧化铁的化学反应方程式来求得。理论上还原过程中还原气的净消耗量为600 Nm3/t海绵铁［3］。
竖炉内直接还原反应过程中需求的还原气消耗量
式中，V消耗为将Fe2O3还原为Fe所需还原气量;VFe++为将 Fe2O3还原为 FeO所需还原气量;V渗碳为渗碳反应所需还原气量。
式(1)中，还原气消耗量V消耗是竖炉体内直接还原过程中H2完全转变成H2O，由CO完全转变成CO2时还原气的消耗量，而在实际冶炼过程中的还原反应是可逆反应。在温度不同的环境下，还原反应过程中的气相成分有不同的平衡组成，参与还原反应过程的气体组分是不会完全参与反应的。如果要还原出1 t的海绵铁，所需要的H2(CO)的量就要比上述净消耗量600 Nm3要多。
1.2 考虑反应平衡所需还原气消耗量
气基还原竖炉内发生的主要反应是H2与CO还原Fe2O3，因此，在此只考虑这两种还原气体在还原过程中发生可逆反应时的还原气需求量(忽略其他反应气体消耗)。在用H2与CO的还原气进行还原反应时，假设α%为CO还原铁的氧化物时生成的铁占总还原反应生成铁总量的百分比，β%为H2还原铁的氧化物时生成铁占还原反应总铁量的百分比，因此混合还原气的总需求量可以表示为［4］
式中，VCO为生产1 t DRI所需CO量;VH2为生产1 t DRI所需H2量。
当温度800℃时，若还原得到1 kg铁，H2还原FeO的还原气需求量为1.18 Nm3，CO还原FeO的还原气需求量为1.52 Nm3，VH2+CO为1.18～1.52 Nm3，当用H2还原的Fe较多时，还原气的需求量少;用CO还原的铁较多的时候，还原气的总需求量较大。还原1 kg铁的海绵铁需要的还原气量为
式中，KH2与KCO为H2与CO还原FeO时的气体平衡常数，计算公式如下
1.3 满足热量平衡的还原气量
使用CO或H2或者两者的混合气体还原铁矿石中铁的氧化物，化学反应的热效应是不同的，使用CO进行铁的氧化物还原铁时的化学反应是放热反应，而用H2还原是吸热反应。还原竖炉内的热量全是由热还原气来提供的，由还原气带来的物理热来满足还原竖炉冶炼的要求，还原竖炉内的热平衡方程式可表示为［5］
式中，QRg为还原气体带入的物理热;Qτ为炉顶气带走的热量;QR为还原时需要的反应热;QFe为海绵铁带走的热量;QL为热损失。
有考虑满足热平衡时还原气需求量为
式中，Cg为气体的比热容，KJ/m2kg℃;CFe为海绵铁的比热容，KJ/m2kg℃;η为还原竖炉的热效率，与炉子的大小有关，一般取值为0.7～0.9之间;tg为还原气进口温度;t'g为还原气出口温度;tFe为海绵铁离开还原段时的温度，一般采取tFe=0.95tg;ΔHH2为H2还原Fe2O3到Fe时的热函，为819 kJ/kg;ΔHCO为 CO还原 Fe2O3到Fe时的热函，－226 kJ/kg;Fe为海绵铁中的金属铁量含量。
在还原竖炉内，参与反应的热消耗不大，当H2与CO的比值适度时(H2/CO=0.28);参与化学反应的供需热量相互抵消，还原竖炉内的热耗主要取决于还原要求的温度、炉顶气温度和还原竖炉的热效率。
球团物料中的含铁量比较低时，其中参与还原反应的还原气需求量不大，气体的需求量主要是用于给球团物料的加热。经过这两种情况计算的最少还原气量为V混合=1 038 Nm3/t(还原反应消耗量);Vg=1125.6 Nm3/t(热平衡消耗量)
三种计算方法比较可知，还原气最少需求量取决于球团物料的预热所需的热量，BL法半工业试验时通入还原气量为1 556 Nm3/t海绵铁，是此计算数据的1.38倍，此数据可作为设计数据的依据，设计数据一般为还原气需求量计算值的1.1～1.4倍。即为1 238～1 580 Nm3/t海绵铁。
2 还原气通气量对炉内流场影响数值模拟研究
2.1 建立物理模型和数学模型
进行数值仿真计算前采用的假设条件如下［6］:
(1)将矿石近似成固定床，用多孔介质代替;
(2)气体沿各个方向压降相等，即各向同性;
(3)气体为不可压缩流;
(4)忽略竖炉内传热及化学反应过程。
图1为气基直接还原竖炉模型。
图1 气基直接还原竖炉模型ig.1 Model of gas-based direct reduction shaft furnace
数学模型中的控制方程为
连续方程
动量方程
湍流动能方程
气流通过料层时，因受到球团摩擦和绕动，使气流的部分能量被消耗掉，导致料层静压力发生变化。实验通过研究沿气流方向压强变化与流经矿石的表观速度的关系，确定其惯性阻力系数和粘性阻力系数，进而确定球团矿对气流的阻力性质。
数值模拟时把竖炉中的矿石可看作为各向同性的多孔介质。多孔介质模型就是在定义为多孔介质的区域结合了一个根据经验假设为主的流动阻力的模型。本质上，多孔介质模型仅仅是在动量方程上叠加了一个动量源项。
分别取球团矿在还原段内通入还原气量为1×105km3/h、1.24×105km3/h、1.66×105km3/h进行计算。物理模型如图1所示，计算所需的参数见表1。
表1 结构和工艺参数表Tab.1 Structure and process parameters
2.2 结果分析
图2为气基竖炉速度分布云图。
图2 气基竖炉速度分布云图Fig.2 Cloud chart of gas-based shaft furnacevelocity distribution
由图2可知，气基竖炉还原段还原气流速随高度增加而增加。在还原段底部中心处流过的还原气随通气量增大而增多。还原段上部，由于布料原因，料线高度不同，料线较低处还原气速度较快。
取气基竖炉中心线处速度分布，如图3所示。比较图3中曲线a、b、c可以得到还原气在气基竖炉内分布的规律:随还原气量变大，气基竖炉内速度整体变大。还原段上下两端速度增加较快，还原段中部80%左右的区域速度缓慢增加，速度分布均匀。
图3 气基竖炉速度分布曲线图Fig.3 Curves of velocity distribution in gas-based shaft furnace
3 结论
(1)还原气最少需求量取决于球团物料预热所需的热量;
(2)气基竖炉还原段还原气流速随高度增加而增加。还原气量增加，气基竖炉内速度整体变大，速度增大的程度随竖炉高度的增加而增加。
［1］周渝生，钱晖，张友平，等.非高炉炼铁技术的发展方向和策略［J］.世界钢铁，2009(1).
［2］李永全，陈宏，周渝生，等.BL法直接还原工艺研究和开发［J］.钢铁，1999(9).
［3］方觉.非高炉炼铁工艺与理论［M］.北京:冶金工业出版社，2002.
［4］蔺志强.竖炉直接还原过程中还原气最小需要量的计算方法和应用［J］.钢铁，1977(3).
［5］李久.气体还原竖炉煤气需要量的探讨［J］.武汉冶金科技大学学报，1996(3).
［6］力杰.球团竖炉的阻力特性研究［J］.工业炉，2010(1).
