提高豎爐金屬化率淺析

提高豎爐金屬化率淺析第一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三1.前言2.COREX熔融還原技術(shù)原理3.金屬化率定義及計算4.金屬化率對氣化爐的影響5.提高豎爐金屬化率的途徑分析6.提高金屬化率的措施7.結(jié)論目錄第二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三前言

寶鋼COREX是世界上第一座C-3000型COREX，于2007年11月建成投產(chǎn)，設(shè)計年產(chǎn)鐵水能力可達到150萬噸。COREX具有環(huán)保、使用焦炭少、操作靈活和投資少等特點，在一定條件下可替代高爐生產(chǎn)鐵水。

隨著對COREX的認識逐步深入，寶鋼COREX的生產(chǎn)明顯好轉(zhuǎn)，各項生產(chǎn)指標顯著改善，但豎爐的金屬化率仍然沒有達到較高水平，寶鋼COREX開爐至今，共進行了7次豎爐清空，除豎爐清空月份外，其余月份金屬化率平均值基本維持在50%左右。第三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三COREX熔融還原技術(shù)原理熱旋風(fēng)頂煤氣輸出煤氣豎爐還原氣體煤

冷卻煤氣氣化爐爐塵洗滌器氧氣鐵渣洗滌器圖1COREX熔融還原工藝流程圖COREX工藝流程見圖1，分兩部分：（1）熔融氣化爐：利用煤和氧氣在氣化爐下部的風(fēng)口循環(huán)區(qū)燃燒產(chǎn)生熱量和還原性氣體，高溫煤氣在上升過程中對加入到固定焦床表面的塊煤進行加熱和氣化。高溫煤氣通過4個發(fā)生煤氣管出氣化爐拱頂后調(diào)節(jié)至850℃，再通過80個送風(fēng)環(huán)管進入豎爐。（2）還原豎爐：礦石和副原料從豎爐頂布料器加入，下降過程中被還原性氣體還原成一定金屬化率的海綿鐵。在豎爐底部通過8臺DRI液壓螺旋，將海綿鐵連續(xù)的分布到固定焦床表面，進一步的還原、熔化后進入爐缸形成鐵水和爐渣。第四頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三

結(jié)構(gòu)上COREX爐與高爐相似，只不過是用下降管代替了高爐軟熔帶，將其一分為二，上部豎爐為干區(qū)，下部氣化爐相當(dāng)于爐腹。氣化爐的高溫煤氣被主動降溫后進入豎爐還原礦石，一級煤氣除塵采用熱旋風(fēng)除塵，粉塵收集后重新通過管道噴入氣化爐拱頂消化利用，二級煤氣除塵采用水洗。而且COREX工藝取消了燒結(jié)及焦化工藝，可以接受一定量粉礦，風(fēng)口采用純氧鼓入。

相同的地方是COREX爐缸熱制度和爐前作業(yè)制度，煤氣流、水渣、大溝、冷卻制度及余壓發(fā)電也與高爐類似。COREX熔融還原技術(shù)原理COREX工藝與高爐工藝異同點第五頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三金屬化率定義及計算●金屬化率定義：（Metalization，縮寫Met）是指豎爐排出的海綿鐵中被還原析出的金屬鐵占總含鐵元素的摩爾百分比。金屬化率是由礦石還原度計算得到?！竦V石還原度定義：（簡稱Rd）是指豎爐加入的混合鐵礦石被還原出的氧元素占初始總氧含量的摩爾百分比。圖2Met、Rd與O元素減少量的關(guān)系第六頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三FRG—含水份的還原煤氣流量（Nm3/h）；CORG—還原煤氣中CO濃度(％)；FTG—含飽和水的頂煤氣流量（mol/Nm3）；COTG—頂煤氣中CO濃度（％）；K—還原煤氣中CO發(fā)生析碳反應(yīng)的體積百分比（%）；H2RG—還原煤氣中H2濃度(mol/Nm3)；H2TG—頂煤氣中H2濃度(mol/Nm3)；O礦石—礦石中O元素的含量（％）Speed礦石—綜合礦的加料速度（kg/h）；金屬化率定義及計算假設(shè)鐵礦石中FeOX被還原為FeOY，則經(jīng)推導(dǎo)得到第七頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三金屬化率對氣化爐的影響COREX工藝流程短，其氣化爐直接起到熔化海綿鐵及提供豎爐還原煤氣的作用，氣化爐的爐缸區(qū)域與高爐爐缸相當(dāng)，在風(fēng)口及以上區(qū)域主要反應(yīng)式如下：C+O2=CO放熱

（拱頂燃燒反應(yīng)）C+CO2=2CO吸熱

（拱頂碳熔損反應(yīng)，可認為是直接還原反應(yīng)）FeO+CO=Fe+CO2

放熱

（半焦床上部低溫區(qū)，間接還原反應(yīng)）FeO+C=Fe+CO吸熱

（風(fēng)口上部高溫區(qū)，直接還原反應(yīng)）C+O2=CO放熱(風(fēng)口燃燒反應(yīng))熔融氣化爐主要反應(yīng)第八頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三

礦石金屬化率程度直接影響燃料的消耗，金屬化率下降，還原程度較低的海綿鐵進入氣化爐后反應(yīng)就不夠充分，氣化爐中的FeO增加，直接和間接還原反應(yīng)量增加。金屬化率下降10%，新增FeO約1.7kmol，冷煤氣CO2含量增加約1.2%，增加的CO2由間接反應(yīng)生成，假設(shè)噸鐵發(fā)生煤氣量約1700Nm3/tHM，經(jīng)計算，約0.9kmolFeO發(fā)生間接還原，反應(yīng)在半焦床上部低溫區(qū)，不消耗碳素；其余0.8kmolFeO發(fā)生直接還原，發(fā)生在風(fēng)口上部的高溫區(qū)和拱頂，直接還原的碳素消耗量為16kg，折合消耗燃料比升高23kg/tHM。金屬化率對氣化爐的影響第九頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三

氣化爐拱頂二氧化碳與碳反應(yīng)增加熱量消耗，拱頂溫度下降，要維持拱頂溫度，拱頂需氧量增加，碳與氧的燃燒反應(yīng)可以補熱。金屬化率下降10%，拱頂需氧量增加10Nm3/tHM，對應(yīng)碳素消耗增加5kg，折合消耗燃料比升高7kg/tHM。

從計算結(jié)果看，間接還原反應(yīng)釋放的熱量補償了直接還原消耗的熱量，半焦床不需要新增加燃燒反應(yīng)來補熱。金屬化率下降后，直接還原反應(yīng)增加消耗半焦的碳素，導(dǎo)致爐缸透氣性惡化，半焦床高溫區(qū)下移，爐溫向涼。因此，金屬化率下降10%，綜合影響燃料比約30kg/tHM，同時適當(dāng)提高焦炭比例1－2%，可改善半焦床透氣性狀況。金屬化率對氣化爐的影響第十頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三提高豎爐金屬化的途徑分析圖3影響金屬化率的因素結(jié)構(gòu)圖第十一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三提高豎爐金屬化的途徑分析

根據(jù)金屬化率的計算公式，可以看出影響Met計算的因素有煤氣單耗、煤氣利用率、還原煤氣H2和CO含量等，其結(jié)構(gòu)如圖示意圖如圖3，頂煤氣單耗過低則Met低，頂煤氣單耗過高引起氣流紊亂，壓差波動大，煤氣利用率降低，Met下降。頂煤氣單耗主要受壓差影響，不是決定金屬化率高低的關(guān)鍵因素。在壓差穩(wěn)定的情況下，盡量提高頂煤氣單耗可獲得較高的金屬化率。氣固接觸充分是提高反應(yīng)程度的前提保障，只有在氣固接觸充分的情況下，再考慮如何提高反應(yīng)速度。氣固接觸充分的關(guān)鍵是氣流和爐料透氣性在豎爐圓周和徑向分布均勻，這就要求豎爐不能存在粉而產(chǎn)生偏析，因此需要控制入爐料的綜合粉率，保持爐料良好透氣性。第十二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三提高豎爐金屬化的措施

提高豎爐金屬化率就是一個提高爐料還原度過程，其影響因素主要有兩個方面，動力學(xué)條件，熱力學(xué)條件，手段是通過調(diào)節(jié)豎爐操作參數(shù)。如果豎爐動力學(xué)條件差，則爐內(nèi)反應(yīng)受限于動力學(xué)控制，即爐料溫度、爐料粒度和還原氣還原成分的含量等。如果豎爐動力學(xué)條件較好，則爐料還原速率主要受熱力學(xué)條件控制。因此，提高金屬化率就是要改善豎爐的動力學(xué)條件和熱力學(xué)條件。第十三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三提高豎爐金屬化的措施●措施1：提高豎爐溫度

從化學(xué)反應(yīng)角度考慮，溫度越高，豎爐內(nèi)所有包括還原過程的化學(xué)反應(yīng)均會提高。因為提高溫度水平，分子活躍擴散速率提高，可以有效的縮短還原反應(yīng)時間，提高還原氣體的利用率，因此可以獲得相對較高的金屬化率。2011年3月操業(yè)參數(shù)穩(wěn)定，熔煉率穩(wěn)定在150t/h，全月僅一次計劃定修，無非計劃休風(fēng)，圖4為本月豎爐爐料溫度和煤氣利用率趨勢圖，可以看到爐料溫度越高，煤氣利用率水平也越高。圖42011年3月豎爐三個方向上的爐料溫度和煤氣利用率趨勢圖第十四頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三提高豎爐金屬化的措施●措施2：減少豎爐粉量經(jīng)過加粉的實踐證明：（1）豎爐可以接受一定量粉礦，粉礦入爐可以有效增加含鐵爐料的比表面積，提高氣固相接觸程度，金屬化率會有所上升；（2）粉礦入爐會降低爐料的透氣性，因此豎爐接受粉的程度是有限的，超過了這個限度就會造成豎爐氣流不均，煤氣利用率降低，金屬化率下降；（3）因塊礦會發(fā)生低溫還原粉化，造成入爐粉量上升，所以考察豎爐透氣性需用綜合入爐粉率來衡量，控制穩(wěn)定的豎爐壓差可以保證穩(wěn)定合理的豎爐透氣性，得到高的金屬化率。這也是2010年5月停用粉礦，塊礦比逐步上升的根本原因。圖5粉礦比例與金屬化率變化趨勢圖第十五頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三提高豎爐金屬化的措施●措施3：調(diào)整豎爐煤氣流分布

豎爐煤氣分布的合理性決定了煤氣利用的效率，煤氣利用率越高，豎爐金屬化率越高。布料檔位是調(diào)節(jié)豎爐煤氣分布的重要手段，布料檔位變化趨勢如圖6?？梢钥吹截Q爐布料檔位經(jīng)歷了三個階段。圖6豎爐礦線布料檔位趨勢圖一二三第十六頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三提高豎爐金屬化的措施第一階段：2008年8月－2009年7月

礦布料檔位從開爐以來長期使用0m/0.4m/0.8m。這段時間，檔位一直偏中心，在圍管耐材沒有破損的情況下，煤氣穿透力強，利用率較好，金屬化率相對較高，但是爐料分布在中心時，外圍的粉幾乎為零，料面陡峭，形成了中心死，外圍活躍的格局，容易引起外圍煤氣過吹，局部過熱黏結(jié)成塊，下降管時有堵塞。從幾次豎爐清空來看，黏結(jié)大塊多積聚在靠爐壁處，爐料金屬化率分布從外至內(nèi)逐步降低。第十七頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三提高豎爐金屬化的措施第二階段：2009年8月－2010年1月檔位仍集中在此時圍管出現(xiàn)大量破損，導(dǎo)致入豎爐煤氣流速下降，煤氣流分布進一步邊緣化，煤氣利用率下降。布料檔位雖放開了0m，嘗試略微增加了1.2m處布料，但總體仍布中心位置，氣流沒有明顯改善，同時因豎爐粉礦大量入爐，惡化了豎爐透氣性，壓差波動幅度加大，金屬化率大幅下降。第十八頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三提高豎爐金屬化的措施第三階段：2010年2月至今基于對豎爐反竄的認識和氣流分布的認識，豎爐入爐粉礦的使用大幅下降，并于5月停用粉礦。這樣改善了豎爐的透氣性，壓差趨于穩(wěn)定，也為檔位外擴提供了有利條件。2月開始逐漸加重邊緣爐料的布料高度，增加了1.2m/1.6m/2.0m處的布料，抑制邊緣氣流，發(fā)展中心氣流，煤氣利用率明顯提高，金屬化率維持較高水平。8月第七次豎爐清空之后，隨著礦線F2改造，加強了篩分，入爐粉率進一步降低，檔位開始外擴至2.4m和2.8m。豎爐煤氣分布更加均勻，黏結(jié)減少，螺旋排料率也較前更加穩(wěn)定。第十九頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三

在此，我們提出一個布料指數(shù)的概念，將其表征豎爐爐料落料點向外移動的整體程度。金屬化率和布料指數(shù)趨勢圖如圖7。布料指數(shù)=∑H*R，其中：H－每個檔位的相對布料高度（每檔相對高度=每檔設(shè)定高度/設(shè)定高度和）；R－每個檔位的布料半徑；提高豎爐金屬化的措施圖7金屬化率和布料指數(shù)趨勢圖第二十頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三提高豎爐金屬化的措施●措施4：降低冷煤氣中二氧化碳含量圖82011年3月拱頂溫度和冷煤氣CO2含量趨勢圖

冷煤氣中CO2含量越低，還原煤氣質(zhì)量高，金屬化率也就高。生產(chǎn)中提高拱頂溫度控制值，使二氧化碳與碳反應(yīng)的程度增加，可以有效降低CO2含量。通過實踐經(jīng)驗表明，將拱頂溫度控制在1070-1120℃，且保持拱頂溫度持續(xù)穩(wěn)定，減少波動，有利于提高豎爐金屬化率。3月金屬化率和拱頂溫度趨勢圖如圖7，明顯看到拱頂溫度和冷煤氣CO2變化趨勢是基本相反的（拱頂溫度上升，冷煤氣CO2含量下降），實際操作角度看，這是因為拱頂溫度控制是人為的，當(dāng)CO2含量上升時就會將拱頂溫度控制值提高，經(jīng)過一段時間CO2含量就會下降，如此循環(huán)往復(fù)。第二十一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三提高豎爐金屬化的措施●措施5：提高冷煤氣中氫氣含量圖93月煤氣利用率和還原煤氣成分中H2含量變化趨勢圖H2是組成還原煤氣的一種還原性氣體，其含量也會影響金屬化率。從動力學(xué)角度看，H2還原鐵礦石中的O元素，生成H2O被煤氣流帶走，而H2和H2O分子比CO和CO2要小得多，決定了其內(nèi)擴散和外擴散速率都要快得多，提高還原氣體中的H2含量，可以加快還原反應(yīng)速率和提高煤氣利用率。

另外H2還原鐵礦石是一種強吸熱反應(yīng)，從熱力學(xué)角度看也會加速正反應(yīng)速率。因此，從反應(yīng)動力學(xué)和熱力學(xué)角度看，提高還原煤氣中的H2含量能有效提高豎爐金屬化率。第二十二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三提高豎爐金屬化的措施●措施6：提高豎爐頂煤氣單耗

進入豎爐的還原煤氣越多，礦石還原就越充分，金屬化率就越高。經(jīng)理論計算頂煤氣單耗每提高1000Nm3/tOre，相應(yīng)金屬化率可以提高約1%。在實際生產(chǎn)過程中，豎爐的頂煤氣進氣量是受豎爐壓差、爐料溫度、豎爐下料狀態(tài)、DRI螺旋狀態(tài)及工廠壓力穩(wěn)定性等因素制約的。性。

經(jīng)實踐證明：要獲得較高的金屬化率，頂煤氣單耗穩(wěn)定控制在1050-1120Nm3/tOre。第二十三頁，共