COREX熔化氣化爐風口回旋區塌料現象研究

周曉雷，韓立浩，羅志國，余艾冰，2

（1.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004;2.新南威爾士大學 材料科學與工程學院顆粒系統模擬研究中心，悉尼 新南威爾士 2052）

COREX熔化氣化爐風口回旋區塌料現象研究

周曉雷1，韓立浩1，羅志國1，余艾冰1，2

（1.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004;2.新南威爾士大學 材料科學與工程學院顆粒系統模擬研究中心，悉尼 新南威爾士 2052）

通過建立COREX熔化氣化爐熱態模型，利用石蠟模擬礦石，玉米粒子模擬焦炭，對熔化氣化爐風口回旋區塌料現象進行了定性的研究.研究結果表明，在某些條件下風口回旋區內存在塌料現象，并且熔煉率越大、礦/（焦+塊煤）體積比越大、風口回旋區煤氣溫度越高、風口回旋區煤氣量越大，越容易產生塌料現象.根據實驗結果，分析了塌料現象產生的原因，并針對COREX熔化氣化爐生產條件提出技術建議，供生產人員參考.

COREX熔化氣化爐;風口回旋區;塌料;熱態模型

COREX煉鐵工藝是一種新型的煉鐵生產工藝，它不僅能使用非煉焦煤直接煉鐵，而且工藝流程短、投資小、生產成本低、污染少、生產的鐵水質量可以與高爐鐵水相媲美［1］.COREX熔融還原煉鐵過程在兩個反應器中完成，即上部的預還原豎爐，將鐵礦石還原成金屬化率為92% ～93%的海綿鐵;下部的熔化氣化爐，將海綿鐵熔煉成鐵水，同時產生還原煤氣.COREX熔化氣化爐是一個內部發生氣－固－液多相高溫反應的復雜容器［2，3］.在 COREX 熔化氣化爐內部，從上到下包括上部空間擴大區、填充床區、軟熔區域、半焦床、風口回旋區、死料柱區及渣－鐵盛聚區等區域.

風口回旋區內的物理化學機制十分復雜.在實際生產中，工業純氧不斷鼓入風口并噴吹煤粉，焦炭顆粒以及煤粉，在隨氣體運動的過程中，發生動量傳輸、熱量傳輸、質量傳輸及化學反應，產生的熱量和煤氣，保證煉鐵生產持續穩定進行.風口回旋區的穩定運行對COREX熔化氣化爐冶煉過程起著十分重要的作用，是爐況順行的基礎.

很多學者采用冷態實驗對風口回旋區的尺寸、邊界及其內部的流動狀況進行研究.Hatano M［4］，Takahashi H［5］，Sarkar S［6］，杜爾諾夫［7］等人各自建立了冷態模型，通過對模型的觀察或拍照，獲得回旋區各方面參數，回歸出不同條件下回旋區大小的關系式，總結出風口回旋區直徑與床層高度、風速、風口大小等多個因素的關系.冷態模型實驗假設風口回旋區處于完全由焦炭組成的填充床中，未考慮礦石的軟熔過程及其產生的影響.

關于礦石軟熔過程也有很多學者進行了大量研究.入田倰幸［8］，田村健二［9］，福島勤［10］等人各自建立了熱態模型，通過對模型觀察、測溫、測壓、測電阻等方法，研究操作參數對軟熔帶的影響.但是這些學者大多沒有考慮回旋區對軟熔帶的影響，少部分學者僅僅通過人為搭建固定形狀的回旋區代替.

當前COREX熔化氣化爐采用混裝布料方式，與高爐傳統的層裝布料方式不同，回旋區和軟熔區域也有著不同的存在形式.作者依據相似原理建立熔化氣化爐熱態物理實驗系統，采用石蠟顆粒模擬DRI，玉米顆粒模擬塊煤和焦炭，并從風口吹入熱空氣模擬高溫煤氣.由于物料和熱風的相互作用，實驗過程中模型內可形成回旋區、半焦床、軟熔區域、填充床等區域.

本研究通過熱態實驗考察熔煉率、礦/（塊煤+焦）體積比、風口回旋區煤氣溫度和風口回旋區煤氣量等操作條件對熔化氣化爐風口回旋區穩定運行的影響.

1 熔化氣化爐物理實驗

1.1 實驗裝置

實驗模型內部尺寸依據寶鋼COREX熔化氣化爐縱剖面的內部幾何尺寸按1:30比例縮小設計制作.模型整體為不銹鋼結構，夾層有石棉保溫層;模型正面設有雙層鋼化耐熱玻璃作為觀察面板，可以保溫;模型背面有測溫孔，熱電偶通過測溫孔伸入模型內部15 mm，溫度數據由工程控制機保存;模型兩側各有兩個風口由側壁插入，向下傾角4（°），深入爐內2 mm，可通熱風，連接到風口的氣體管路有保溫材料包裹;模型頂部有布料裝置;模型底部有排料裝置，包括機械傳動機構和爐底擋板，可控制模型排料速度，并且能夠保證排料速度均勻平穩;模型內設有死料柱，死料柱的位置和形狀依據實際生產經驗設置.

實驗系統如圖1所示，包括鼓風機、氣體流量計、熱風機、氣流分配器、物理模型、熱電偶、溫度變送器和計算機.

圖1 實驗系統Fig.1 Experimental system

1.2 實驗物料

本實驗采用粒徑約3 mm的石蠟顆粒模擬DRI，3 mm玉米顆粒模擬塊煤和焦炭，從風口吹入熱空氣模擬高溫煤氣.熱風通過風口進入模型，在模型內上升的過程中，不斷把熱量傳遞給物料，最終從模型頂部排出.制備好的物料按實際生產時礦/（塊煤+焦）體積比均勻混合后，通過布料裝置進入模型，模型中的物料越接近風口，溫度越高.加入的物料在下降過程中，溫度逐漸升高;當溫度達到一定程度時，石蠟顆粒逐漸軟化;當溫度進一步升高，石蠟顆粒熔化形成石蠟小液滴;石蠟液滴滴落，經過半焦床和回旋區，進入爐缸;最終通過模型底部排料裝置連續排出.

1.3 預備實驗

實驗時模型內變化情況描述如下.在實驗開始2 min時，通過觀察面板看不到回旋區，但是物料中的石蠟顆粒在熱風的作用下開始熔化.隨著實驗的進行，回旋區開始出現，并且逐漸增大且趨于穩定，軟熔區域不斷地向邊緣擴展并且厚度不斷增加.一些條件下的實驗逐步形成穩定的各個區域一直到實驗結束.還有一些條件下的實驗，軟熔區域發生塌陷，上沿中心位置彎曲，軟熔區域的厚度也有所減小，塌落的物料進入到回旋區，通過觀察面板看不到回旋區的存在.但是經過一段時間，回旋區會再次出現，并隨時間延長回旋區大小緩慢增加，軟熔區域厚度不斷增加，其上邊緣逐漸變平.部分條件下的實驗會多次發生塌料現象并恢復.整個實驗過程依賴物料和熱風的相互作用，在模型內形成熔化氣化爐爐內的各個區域.

1.4 實驗方法

在某些條件下的實驗過程中，通過觀察面板可以發現回旋區塌料現象.本實驗通過熱電偶測溫的方法考察風口回旋區塌料現象，熱電偶位置如圖1所示.當發生塌料現象時，回旋區上方的物料突然塌落，導致回旋區尺寸變小，塌落的物料將熱電偶包圍，導致熱電偶溫度發生突降.此熱電偶的溫度隨時間的變化曲線，可以判斷塌料現象何時發生.

1.5 實驗方案

本實驗采用3 mm石蠟顆粒模擬DRI，3 mm玉米顆粒模擬塊煤和焦炭.兩種物料按實際生產時礦/（塊煤+焦）體積比均勻混合后裝入模型中.實驗過程中，物料從模型上方連續加入，從模型下方連續排出.由生產實際熔煉率，計算模型排料速度;利用佛魯德數［11，12］計算模型風量;由風口吹入熱空氣，熱空氣溫度由模型物料平衡及熱量平衡［13］計算.實驗參數如表1所示.

表1 物理實驗參數Table 1 Parameters of physicalexperiment

2 實驗結果與分析

2.1 排料速度

其他實驗條件相同，不同排料速度下特征位置熱電偶測得溫度隨時間的變化如圖2所示.由圖可見，排料速度為2.2 dm3/h時，溫度變化曲線光滑、無突變，說明此條件下風口回旋區穩定，氣體和物料運動過程穩定;排料速度為4.4 dm3/h時，溫度曲線有較小的波動，說明風口回旋區基本穩定，通過觀察發現，雖然此時不斷有成塊的固體物料落入風口回旋區之中，并隨氣體回旋運動，這導致了溫度有一定的波動，但整體還比較穩定;排料速度為6.6 dm3/h時，該點的溫度變化曲線存在較大的波動，在23 min、39 min、53 min均發現了溫度的突變，這說明在本實驗條件下存在回旋區周期性塌料現象，周期大約為15 min.

圖2 不同排料速度下，特征點溫度隨時間變化的曲線Fig.2 Under different discharge rates，temperature change of the specific thermocouple w ith the time

2.2 石蠟顆粒/玉米顆粒體積比

不同石蠟顆粒/玉米顆粒體積比下，熱電偶測得溫度隨時間變化的曲線如圖3所示.石蠟顆粒/玉米顆粒體積比為0.5∶1時，溫度變化曲線光滑、無突變，說明此條件下風口回旋區穩定，氣體和物料運動過程穩定.石蠟顆粒/玉米顆粒體積比為0.75∶1時，溫度曲線有較小的波動，說明風口回旋區基本穩定.石蠟顆粒/玉米顆粒體積比為1∶1時，溫度變化曲線存在較大的波動.在35 min、50 min發生溫度的突降，這說明在該實驗條件下回旋區塌料現象的發生周期大約為15 min.

圖3 不同石蠟顆粒/玉米顆粒體積比下，特征點溫度隨時間的變化Fig.3 Under differentwax/maize volume ratio，temperature change of the specific thermocoup le w ith the time

2.3 風溫

不同風溫下，熱電偶測得溫度隨時間變化的曲線如圖4所示.風溫為80℃和100℃時，溫度變化曲線光滑、無突變，說明此條件下風口回旋區穩定，氣體和物料運動過程穩定.風溫為120℃時，該點的溫度變化曲線在35 min溫度發生了突變，這說明在本實驗條件下存在回旋區塌料現象.由于實驗在60 min結束，未發現第二次塌料，預計其塌料周期大于25 min.

圖4 不同風溫下，特征點溫度隨時間變化的曲線Fig.4 Under different b last tem perature，tem perature change of the specific thermocouple w ith the time

2.4 風量

不同風量下，熱電偶測得溫度隨時間變化的曲線如圖5所示.風量為10 m3/h、14 m3/h和18 m3/h時，溫度變化曲線光滑、無突變，說明此條件下風口回旋區穩定，氣體和物料運動過程穩定.但通過觀察發現，風量為18 m3/h時，風口回旋區發生周期很短的頻繁塌料現象，塌料后風口回旋區迅速恢復，溫度曲線波動不明顯.

圖5 不同風量下，特征點溫度隨時間變化的曲線Fig.5 Under different blast volume，temperature change of the specific thermocouple w ith the time

3 對實際生產的分析

COREX－C3000自投產以來，熔化氣化爐經常出現頂壓冒尖、爐溫波動、風量不穩、風口易損壞、爐缸向涼、渣鐵出不凈等現象.這些現象又與高爐風口回旋區發生塌料時的征兆非常相似，如風壓、風量不穩，劇烈波動;頂壓出現向上尖峰;風口工作不均，部分風口有涌渣現象，嚴重時灌渣;爐溫波動，嚴重時鐵水溫度顯著下降，放渣困難等.在此判斷在某些操作條件下熔化氣化爐風口回旋區會產生塌料現象.

在分析熔化氣化爐塌料現象產生的原因之前，先總結引發高爐塌料現象的原因.引發高爐塌料現象的原因包括:焦炭質量差;休風次數多;爐熱;爐涼;低料線;頻繁更換裝料和送風制度等.當前COREX－C3000具有類似的影響因素.①COREX工藝本身使用塊煤代替大量焦炭，導致熔化氣化爐內半焦質量較低.②相對于高爐來講，熔化氣化爐相當于低料線.③由于COREX在我國尚屬一種新興的煉鐵技術，其生產過程仍屬于摸索和磨合階段，為了尋找合適的裝料制度，導致現場操作人員頻繁更換裝料制度.④生產過程中，熔化氣化爐風口破損頻繁，需要經常更換，導致送風制度不穩定.這些都可能導致熔化氣化爐風口回旋區發生塌料現象.

在本研究實驗條件下，熔煉率越大、礦/（焦+塊煤）體積比越大、風口回旋區煤氣溫度越高、風口回旋區煤氣量越大，熔化氣化爐風口回旋區越容易產生塌料現象.對于熔煉率來講，熔煉率越大越容易產生塌料現象，這就需要在實際生產過程中控制熔煉率參數，避免引起爐況不穩;對于礦/（焦+塊煤）體積比來講，當采取噴煤操作時，噴入的煤粉替代了大量的焦炭和塊煤，導致礦/（焦+塊煤）體積比增加，焦炭的骨架作用降低，容易引起塌料現象;對于風口回旋區煤氣溫度和氣量來講，在實際生產過程中存在風口風量不穩、風口易損壞、風口工作不均等現象，可能導致部分風口吹氧量較高，這部分回旋區煤氣溫度上升，煤氣量增加，增加風口回旋區塌料現象發生的可能性.

此外，COREX煉鐵工藝正逐步引入噴煤技術.噴入煤粉對回旋區塌料現象具有正反兩方面影響.一方面，噴入煤粉可以降低回旋區煤氣溫度，減少塌料現象出現的可能性;另一方面，當噴入煤粉具有較高揮發份時，一般會產生大量的煤氣，會增加回旋區塌料現象出現的可能性.從FINEX熔化氣化爐噴煤工藝的開展來看，噴煤工藝的引入對煉鐵生產有利.

為了減少塌料現象的發生，應當以穩定爐況為前提，保證入爐料質量，提高半焦強度，穩定裝料和送風制度.避免熔煉率過高;避免礦/（焦+塊煤）體積比過大;避免煤氣溫度過高，煤氣量過大;避免風口工作不均;減少高揮發份煤粉吹入風口回旋區.

4 結論及技術建議

通過熱態物理實驗，在不同實驗條件下觀察到在模型內存在形式相似、程度不同、周期不等的風口回旋區塌料現象.本文結論及技術建議如下.

（1）C－3000熔化氣化爐冶煉強度越大、礦/（焦+塊煤）體積比越大、風口回旋區煤氣溫度越高、風口回旋區煤氣量越大，越容易產生塌料現象.

（2）為了減少塌料現象的發生，應當以穩定爐況為前提，保證入爐料質量，提高半焦強度，穩定裝料和送風制度.避免熔煉率過高;避免礦/（焦+塊煤）體積比過大;避免煤氣溫度過高，煤氣量過大;避免風口工作不均;減少高揮發份煤粉吹入風口回旋區.

（3）建議在每個風口處安裝壓力傳感器，監測壓力變化，由風口處壓力值是否發生突變判斷該風口回旋區是否發生塌料現象.

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Experimental research on the collapsing phenomena in the raceway of COREX melter gasifier

ZHOU Xiao-lei1，Han Li-hao1，LUO Zhi-guo1，YU Ai-bing1，2

（1.School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China;2.Center for Simulation and Modeling of Particulate Systems，The School of Materials Science and Engineering，The University of New South Wales，NSW 2052 Sydney，Australia）

In order to qualitatily study the collapsing phenomenon near the raceway of melter gasifier，a physical thermalmodelwas established and the state inside themodel was simulated with the particles of wax and maize.The results showed that there were the collapsing phenomena near the raceway，with the increasing of themelting rate，ore/（lump coal+coke）volume ratio，raceway gas temperature and raceway gas volume，the probability of collapsing increased.According to the experimental results，the reason of collapsing was analyzed and the suggestions about the COREX melter gasifier production were given

COREX melter gasifier;raceway;collapsing phenomenon;thermalmodel

TF 557

A

1671-6620（2011）01-0001-05

2010-12-06.

中央高校基本科研業務費專項資金資助 （N090402021）.

周曉雷 （1981—），男，漢族，吉林省吉林市人，東北大學博士研究生，E－mail:zhouxiaolei81@163.com.