欧冶炉中心煤气流分布技术开发与应用

2022-06-17邹庆峰

新疆钢铁 2022年1期

邹庆峰

(新疆八一钢铁股份公司炼铁厂)

前言

八钢欧冶炉设备本体是由罗泾1#COREX装置整体搬迁，通过工艺设计及工程改进，于2015年6月18日点火开炉。八钢欧冶炉投入运行后通过不断创新，实现了稳定运行并迅速达产和稳产，取得了显著成效。罗泾COREX-3000运行表明，其竖炉煤气流运行状况是该项技术的难点，也是八钢欧冶炉实现长期稳定运行需攻克的核心技术之一。近几年八钢欧冶炉技术团队通过对欧冶炉竖炉煤气流分布(CGB)技术的研究。

1 欧冶炉与COREX炉设计指标对比

表1为欧冶炉和C-3000的设计指标。由表1可知，欧冶炉除铁水温度的控制参数相同，其它参数及指标控制都不相同。

在八钢欧冶炉工程建设中，从工艺技术、能耗降低、清洁生产方面进行技术升级和改造，组织并实施了31项重大技术改进，针对梳理出的罗泾COREX-3000的236项现场问题进行了改进。经过技术创新与开发，目前八钢欧冶炉已形成完整的工艺技术系统，设计指标见表1，工艺流程见图1。

表1 欧冶炉和COREX-3000的设计指标对比表

图1 欧冶炉工艺流程图

2 关于COREX炉竖炉煤气流分布的分析

罗泾COREX生产中，煤气流难以穿透到竖炉中心，操作上竖炉长期采用中心加粉矿操作，过分发展边缘煤气流，以至于DRI金属化率一直偏低。为了解决这个问题，宝钢COREX-3000竖炉采用了Areal Gas Distribution (AGD) 技术，生产实践效果良好，但围管容易发生堵塞。

COREX预还原竖炉作为典型的填充床反应器，其内部的气流分布，压力分布直接决定了床内热能和化学能利用的好坏。因此填充床中流体流动现象将对实际生产过程有直接的指导作用。

1952年，SABRI Ergun提出了填充床压差的经验公式[1]，

式中：ΔP—压差，Pa；

L—床层高度，m；

G—流体质量通量，kg/m2·s；

dp—颗粒当量直径，m；

Vm—流体表观速度，m/s；

k1—黏性项系数，k1取150；

k2—动能项系数，k2取1.75；

ε—床层空隙率；

μg—流体动力黏度，Pa·s。

式(1)中，右侧第一项表示黏性阻力，第二项表示惯性阻力。

研究认为固定床中决定压差的因素有流体速率、流体的黏度和密度、填充床的空隙率以及颗粒的尺寸、形状和表面粗糙度。也有研究认为，移动床和固定床相比，移动床其内部的气流运动情况还是存在着差别。气体通过颗粒移动床的压降与通过固定床的情况不同，它与床厚、床高之比有关，且当颗粒移动速度小于一定值时，气体通过床层的压降基本上与颗粒移动速度无关。

近年来，随着COREX工艺快速发展，科技工作者针对COREX预还原竖炉内部的气流分布进行了详细研究。

WuSL等人建立COREX竖炉二维数学模型研究不同高度、不同料面形状条件下炉内煤气速度分布和压降分布，模型同时考虑了下料管气体对炉内气流分布的影响。模拟结果表明：竖炉内气流流线由炉墙向中心呈现“J”型分布；增加下料管中还原气体可以促进竖炉中心气流分布，此外，料面形状对竖炉上部气流分布影响明显，对下部气流分布影响不大。

[1]周恒等人建立COREX竖炉三维数学模型研究了AGD(Areal Gas Distribution)对1#COREX及2#COREX预还原竖炉炉内煤气RTD的影响以及不同熔炼率下COREX预还原竖炉的煤气RTD变化规律。模拟结果表明，随着AGD梁的安装，2#COREX预还原竖炉的整体时间密度分布变宽，平均停留时间变短，炉内死区体积分数增大。

[2、3]徐辉、周恒等人分别建立三维COREX竖炉三维数学模型研究了CGD管道对煤气流分布的影响。研究结果表明，安装CGD管道能够降低竖炉的整体压差，提高竖炉的整体操作压力。此外，CGD管道对煤气反窜有抑制效果，有利于炉内气流均匀分布。

上述分析研究都对填充床及竖炉内气流分布进行了详细论述，针对竖炉的CGD没有实际的工程应用经验，但这些研究成果可为八钢欧冶炉竖炉CGD内部气流分布研究提供重要借鉴。

3 欧冶炉的竖炉CGD技术的开发

通过研究，八钢欧冶炉竖炉采用CGD(底部煤气导入)技术，旨在通过开发CGD中心疏导气流技术，降低气化炉的高温煤气反窜至竖炉底部的安全风险、同时保证竖炉煤气能够在中心分布。八钢在此基础上进行相关技术方案研究和开展工程应用。

技术分析路线：通过建立三维稳态模型对欧冶炉安装CGD后的竖炉煤气流分布进行数学模拟→竖炉炉料运动的DEM数值模拟→竖炉压力场、浓度场、温度场、金属化率数值模拟→竖炉粉尘运动行为的数值模拟的技术路线。

通过对模拟结果(图2)的总结分析对CGD工作有效性进行评估。进而提出CGD结构的关键参数。八钢技术团队确定CGD中心疏导气流方案，八钢欧冶炉竖炉CGD方案见图3。

图2 八钢欧冶炉竖炉CGD数值模拟对比

图3 八钢欧冶炉竖炉CGD方案示意图

4 竖炉煤气流分布技术应用效果

2017年欧冶炉开炉时CGD即投入使用，从运行情况来看，大约有(1～3.5)万Nm3/h的还原煤气从竖炉底部中心导入，中心煤气导入量的多少受竖炉压差的影响，压差越大，中心气流导入越多。投入运行后CGD装置对煤气利用和煤气反窜的影响，见表2。

表2 欧冶炉竖炉CGD装置功效对比

CGD疏导煤气方式对抑制下降管煤气反窜的作用效果明显，对竖炉煤气的利用和稳定性改善也较为显著，图4为2017年6—7月金属化率的生产实绩图,因CGD堵塞后导煤气功能失效，金属化率明显大幅降低，且波动明显。CGD投用有效抑制了竖炉底部的反窜气流，悬料次数明显减少，竖炉粘接次数为零。

图4 2017年6—7月CGD失效前后竖炉金属化率的变化

竖炉对金属化率的影响：金属化率作为欧冶炉和COREX炉操作的一个重要操作参数，不仅反应了竖炉炉况的顺行情况，也是整个炉况参数调剂的直接反应数据。当竖炉金属化率明显提高，竖炉炉况向好，具备进一步提产或其它参数调剂的前提条件。竖炉CGD的功效对欧冶炉金属化率也较为明显。

近几年欧冶炉通过不断开展核心技术的研究与创新，总体生产状况平稳，各项经济技术指标均得到显著的提升，取得了较好的技术成果和经济成效。2015年6月至2021年10月，欧冶炉月均产量不断提升, 冶金焦比逐步降至月均124kg/t，周均最低118kg/t，燃料比月均838kg/t，铁水硅素降至0.9%以下，铁水物理热稳定，月均作业率93.94%，铁水硅稳定在0.9%以下，PT稳定。见图5。