竖炉生产直接还原铁过程的数值模拟

1、第8卷第1期2009年3月材料与冶金学报JournalofMaterialsandMetallurgyVol18No11March2009竖炉生产直接还原铁过程的数值模拟徐辉,邹宗树,周渝生,李肇毅,余艾冰11221,3(11东北大学材料与冶金学院,沈阳110004;21宝山钢铁股份有限公司宝钢研究院,上海201900;31新南威尔士大学材料科学与工程学院,澳大利亚悉尼新南威尔士2052)摘要:采用基于气相和固相的质量和能量的竖炉球团(块矿)法直接还原炼铁的一维数学模型.含铁原料的还原采用三界面未反应核模型,并考虑了热量损失,得到了各物质的组成和温度在炉内的分布.以Gilmore厂Midrex

2、作为对象进行模拟,模型结果与生产数据相符,验证了模型的准确性.模拟结果表明:Midrex竖炉的绝大部分区域内气相和固相的温度基本保持在还原煤气的入口温度.对高度为9175m的Midrex竖炉,炉内绝大部分为浮氏体的还原,含铁原料运行约015m即可完全变成磁铁矿,运行约2m即可完全变成浮氏体.在竖炉7109175m深度范围内,随着还原气的上行,H2的体积分数迅速减少,而CO的体积分数变化不大.在竖炉210710m深度范围内,H2和CO的体积分数缓慢降低,在竖炉0210m深度范围内,H2和CO的体积分数显著降低.关键词:竖炉;直接还原;数值模拟中图分类号:TF554文献标识码:A文章编号:1671

3、26620(2009)0120007205Preliminarynumericaluli,Z,ZHOUYu2sheng,LIZhao2yi,YUAi2bing1221,3(11SchoolMetallurgy,NortheasternUniversity,Shenyang110004,China;21BaosteelResearchInstitute,BaoshanIronSteelCo1Ltd1,Shanghai201900,China;31SchoolofMaterialsScienceandEngineering,UniversityofNewSouthWales,SydneyNSW20

4、52,Australia)Abstract:Basedonmassandenergybalancesofgasandsolidphases,aone2dimensionalkineticmodelofshaftfurnaceprocessforDRIproductionwasdeveloped.ThemodelwasabletosatisfactorilyreproducethedatafromGilmoreSteelCorporation.Thecalculationresultsshowthat,thetemperaturedifferencebetweensolidandgasissma

5、llinthemostpartofreductionsectionofMIDREXshaftfurnace.Forashaftof9175meterheight,thewustitereductionoccursinthelowerpartof8175meter,whilethehematiteandmagnetitereductionsoccurintheupperpartsof015meterand210meter,respectively.Inthelowerpartof2175meter,thehydrogenconcentrationdecreasesrapidly,whilethe

6、carbonmonoxideconcentrationvariationissmall.Intheupperpartof210meter,thehydrogenandcarbonmonoxideconcentrationsdecreaserapidly.Intherestpart,thehydrogenandcarbonmonoxideconcentrationsdecreasesmoothly.Keywords:shaftfurnace;directreduction;numericalsimulation符号表A床层横截面积,m;Ag-s单位床层高度的气固接触面2h传热系数,J/(mKs)

7、2P气相压强,Pa;R反应速率,mol/(ms);S源相,mol/(ms);T温度,K;u速度,m/s;33H反应焓,J/mol;K反应平衡常数;k反应速率常数,m/s;L竖炉高度,m;M摩尔质量,g/mol;积,m;cP摩尔热容,J/(molK);d直径,m;GM摩尔流量,mol/s;孔隙度;收稿日期:2008203202.作者简介:徐辉(1979),男,山东高密人,东北大学博士研究生,E2mail:hxu1neugmail1com;邹宗树(1958),男,山东章丘人,东北大学教授,博士生导师;周渝生(1945),男,宝钢研究院教授级高级工程师;李肇毅(1957),男,宝钢研究院教授级高级工

8、程师;余艾冰(1963),男,新南威尔士大学教授,博士生导师.© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 8密度,kg/m3;气体黏度,PasW阻力系数,m/s;33材料与冶金学报第8卷w质量分数;j物质s固相g气相下标:i化学反应式随着世界钢产量增长,电炉钢比扩大,对直接还原铁的需求也日益增多.这不仅是应对废钢短缺的需要,而且由于直接还原铁具有成分稳定、有害杂质含量低、粒度均匀等多种优点,用直接还原铁代替部分废钢,可以减少废钢中有害杂质对1钢质量的负面影响.

9、从技术经济上比较,直接还原工艺仍以竖炉球团(块矿)法最有竞争力(投资最少、成本最低、技术最成熟、生产率最1,2高).国内对直接还原铁的研究主要集中在工艺介1-6绍和总体评价上,对反应器进行数值模拟的7论文几乎没有.国外学者Rao模拟了Midrex还原段内的反应过程,模型中假定还原过程的控制环节为气体在固相产物层内的扩散,忽略了还原气体在气相边界层内的传质和界面化学反应速率的影响;且假定温度随炉子深度成线性变化,忽略8气相和固相的能量平衡.Parisi同样模拟了Midrex还原段内的反应过程,不可逆的未反应核模型,但假定气-,且忽略了整个过程的热损失.本文采用三界面未反应核模型,根据气相和固相的

10、质量和能量守恒方程,建立了竖炉生产直接还原铁的数值模型,模拟了Midrex还原竖炉.1F1ticsofshaftfurnace3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2R1R2R3R4R5R6R74x-3Fe3O4+CO=FexO+CO24x-3FexO+CO=xFe+CO2Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O4x-3Fe3O4+H2FexO+H2O4x-31模型的建立111基本假设和近似FexO+H2=xFe+H2OCO+H2O=H2+CO2112模型的基本方程(1)质量守恒方程dGMAdz生产直接还原铁的竖炉是典型的气固逆流反应器,其简略示意图如图1所示.模型建立的假设和近似条件如下.(1

11、)逆流移动床操作过程处于稳态;(2)忽略含铁原料内部的温度分布;(3)气相和固相的流动为活塞流;(4)假定气体的热损失为10%;(5)仅考虑含铁物料的还原反应和水煤气变换反应,且含铁物料的还原采用三界面未反应核模型描述;(6)含铁原料还原反应的热效应完全作用在固相上.众所周知,铁氧化物的还原遵循逐级转变的原则,在848K以上的转变顺序如下所示.=Si(1)式中源相Si见表1.(2)气体流动方程92uu=1502+11753dzdsds(3)能量守恒方程103(2)Ag-sh(Tg-Ts)+AR7H7+011cpgGMgTg/LdTg=-dzcpgGMg(3)© 1994-2010 C

12、hina Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第1期徐辉等:竖炉生产直接还原铁过程的数值模拟69dTs=dzAg-sh(Tg-Ts)-AcpsGMsRHii=1i(4)3模型的求解由于已知气相和固相的入口条件不在竖炉的同一端,因此模型在上述边界条件下,采用四阶标准Runge-Kutta法求解由式(1)(4)组成的常微分方程组的程序框图如图2所示.其收敛准则为由假定值计算得z=L处气相参数与已知相符.10113反应速率式的选择(1)含铁原料的还原反应11Ri6dsWm=1i,mKmwCO(H)MCO

13、(H2)-wCO(HO)MCO2(H2O)(2)水煤气反应11R7PCOPH()1-PP-2COH2O(101325)K7表1质量守恒方程的源相Table1Sourcetermsinmassbalanceequations物相COSi-R1-R2-R3-R7R1+R2+R3+R7-R3-R4-R5+R7R3+R4+R5-R7-3×(R1+R4)2×(R1+R4)-x(R2+R5)/(4x-3)3×(R2+R5)/(4x-3)-R3-R6x(R3+R6)气相CO2H2H2OFe2O3固相Fe3O4FexOFe图Blockdiagramofsimulationcalc

14、ulation2件,即00Mg,j(z=L)=Mg,j;Ms,j(z=0)=Ms,j;P(z=L)=P;Tg(z=L)=Tg;Ts(z=0)=Ts.4算例分析与讨论竖炉生产直接还原铁产的典型工艺有Midrex和HYL,2005年其产量分别占世界直接还原铁总量的6216%和1919%.本文以GILMORE厂的8Midrex为模拟对象,其操作条件如表2所示.表2操作条件Table2Operationcondition气体流量(0,100kPa)m/h53863产铁量t/h2614球团密度kg/m417海绵铁密度kg/m312球团半径m515×10-3单位体积的球团个数个/cm30164还

15、原段长度m9175还原段直径(H2)4126(CO)还原气体组成/%(H2O)(CO2)(CH4+N2)表3为美国Gilmore厂生产数据与模型结果的比较.由表可知,模型计算结果和实际生产数据基本吻合,表明模型能基本反应还原竖炉的真实过程.模型计算结果如图3至图5所示.图3为气相组成随竖炉深度变化图.由图3可知,还原气从风口进入竖炉后,在竖炉7109175m深度范围内,随着气体的上行,H2的体积分数显著降低,而CO的气体分数反而少许增加后缓慢减低.由于还原气的在入口条件下(详见表2),水煤气反应向逆向进行,即消耗H2并生成CO.且气体入口处含铁原料的金属化率为9215%,即浮氏体的未反应核半径

16、为0123cm,还原反应速率很低,且CO的反应速率低于H2.因此,H2的体积分数显著降低,当水煤气反应的逆© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 10材料与冶金学报第8卷炉内含铁原料的还原过程.向反应速率超过CO的还原反应速率,即出现CO体积分数的增加.在竖炉210710m深度范围内,气相组成基本达到了水煤气反应的平衡,H2和CO的体积分数均匀速下降.在竖炉0210m深度范围内,进行赤铁矿到浮氏体的还原,H2和CO的体积分数显著减低.从竖炉整体而言,H2的

17、还原速率都高于CO的还原速率,因此H2的体积分数降低幅度大于CO.由于本模型未考虑CH4的反应,所以(CH4+N2)的体积分数基本保持不变.表3模型结果与生产数据的比较Table3Comparisonofmodelcalculationwithproductiondata%图4固相属性随竖炉深度的变化Fig14Variationsofpelletpropertieswithshaftfurnacedepth生产数据8(H2)(CO)(H2O)(CO2)(CH4+N2)金属化率371018192112141381693模型结果331421162318131181109215图5为竖炉内气相和固相

18、的温度随竖炉深度的变化.由图5可知,固体物料升温迅速,下行约015m,气相和固相的温差小于5K.因为含铁原料的下行速度很慢,约为/s,下行015m约m.0,气相和固相的温图3气相组成随竖炉深度的变化Fig13Gascompositionvariationwithshaftfurnacedepth图5温度随竖炉深度的变化Fig15Temperaturevariationwithshaftfurnacedepth图4为各未反应核半径及含铁原料的还原率和金属化率随竖炉深度的变化.由图4可知,竖炉内绝大部分为浮氏体的还原,含铁原料下行约015m即可完全变成磁铁矿,下行约210m即可5结论(1)本模型模

19、拟结果与实际数据基本吻合,完全变成浮氏体.含铁原料下行约110m即能出现金属铁,此处含铁原料的还原率低于30%.单界面或逐级反应的多界面未反应核模型都假定含铁原料完全转化成浮氏体(还原率达到3313%)后,进行浮氏体至金属铁的还原反应.在实际的还原过程中,各级之间的反应是同时进行的,因此本文采用的多界面未反应核模型更精确地描述了竖基本能反应还原竖炉的真实过程.(2)Midrex竖炉的绝大部分区域内气相和固相的温度基本保持在还原煤气的入口温度.(3)在本模型所模拟的操作条件下,在竖炉7109175m深度范围内,随着还原气的上行,H2的体积分数迅速减少,而CO的体积分数变化很小.在竖炉210710

20、m深度范围内,H2和CO的体积分数缓慢降低,在竖炉0210m深度范围© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第1期徐辉等:竖炉生产直接还原铁过程的数值模拟内,H2和CO的体积分数显著降低.(4)在本模型所模拟的操作条件下,在竖炉1109175m深度范围内,进行浮氏体的还原,含铁原料运行约015m即可完全变成磁铁矿,运行约210m即可完全变成浮氏体.参考文献:1黄雄源,周兴灵.现代非高炉炼铁技术的发展现状与前景J.金属材料与冶金工程,2007,35(6):4

21、9-56.(HUANGXiong2yuan,ZHOUXing2ling.Developmentactualitiesandforegroundoftheiron2makingtechniqueformodernnon2blastfurnaceJ.MetalMaterialsandMetallurgyEngineering,2007,35(6):49-56.)2杨婷,孙继青.世界直接还原铁市场发展现状及前景J.moderniron-makingprocessJ.Titanium,2006,27(2):26-32.)11IronSteelVanadium6张汉泉,朱德庆.直接还原的现状与发展J.钢

22、铁研究,2002,2:51-54.(ZHANGHan2quan,ZHUDe2qing.&Steel,2002,2:51-54.)7RaoYK,PichestapongP.Modelingofthemidrexdirect2reductionironmakingprocess:Johannesburg.1994:81-92.8DanielRParisi,MiguelALaborde.Modelingofcountercurrentmovingbedgas2solidreactorusedindirectreductionofironoreJ.ChemicalEngineeringJour

23、nal,2004,104:35-43.9张先棹.冶金传输原理M.北京:冶金工业出版社,1988,10:169-174.(ZHANGXian2zhao.MetallurgytransportprincipleM.Beijing:MetallurgicalIndustryPress,1988,10:169-174.)10方觉.非高炉炼铁工艺与理论M.北京:冶金工业出版masstransferandvirtualequilibriumatsteadystateC/15thCMMICongress.PresentsituationanddevelopmentofironoredirectreductionJ.ResearchonIron冶金信息导刊,2006,4:6-8.(YANGTing,SUNJi2qing.MarketanalysisandprospectofDRIintheworldJ.MetallurgicalInformationReview,2006,4:6-8.)3魏国,赵庆杰,董文献,等.直接还原铁生产现状及发展J.中国冶金,2004,82(9):16-20.(WEIGuo,ZHAOQing-ji