歐冶爐中心煤氣流分布技術(shù)開發(fā)與應用

鄒慶峰

(新疆八一鋼鐵股份公司煉鐵廠)

前言

八鋼歐冶爐設備本體是由羅涇1#COREX裝置整體搬遷，通過工藝設計及工程改進，于2015年6月18日點火開爐。八鋼歐冶爐投入運行后通過不斷創(chuàng)新，實現(xiàn)了穩(wěn)定運行并迅速達產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，取得了顯著成效。羅涇COREX-3000運行表明，其豎爐煤氣流運行狀況是該項技術(shù)的難點，也是八鋼歐冶爐實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行需攻克的核心技術(shù)之一。近幾年八鋼歐冶爐技術(shù)團隊通過對歐冶爐豎爐煤氣流分布(CGB)技術(shù)的研究。

1 歐冶爐與COREX爐設計指標對比

表1為歐冶爐和C-3000的設計指標。由表1可知，歐冶爐除鐵水溫度的控制參數(shù)相同，其它參數(shù)及指標控制都不相同。

在八鋼歐冶爐工程建設中，從工藝技術(shù)、能耗降低、清潔生產(chǎn)方面進行技術(shù)升級和改造，組織并實施了31項重大技術(shù)改進，針對梳理出的羅涇COREX-3000的236項現(xiàn)場問題進行了改進。經(jīng)過技術(shù)創(chuàng)新與開發(fā)，目前八鋼歐冶爐已形成完整的工藝技術(shù)系統(tǒng)，設計指標見表1，工藝流程見圖1。

表1 歐冶爐和COREX-3000的設計指標對比表

圖1 歐冶爐工藝流程圖

2 關于COREX爐豎爐煤氣流分布的分析

羅涇COREX生產(chǎn)中，煤氣流難以穿透到豎爐中心，操作上豎爐長期采用中心加粉礦操作，過分發(fā)展邊緣煤氣流，以至于DRI金屬化率一直偏低。為了解決這個問題，寶鋼COREX-3000豎爐采用了Areal Gas Distribution (AGD) 技術(shù)，生產(chǎn)實踐效果良好，但圍管容易發(fā)生堵塞。

COREX預還原豎爐作為典型的填充床反應器，其內(nèi)部的氣流分布，壓力分布直接決定了床內(nèi)熱能和化學能利用的好壞。因此填充床中流體流動現(xiàn)象將對實際生產(chǎn)過程有直接的指導作用。

1952年，SABRI Ergun提出了填充床壓差的經(jīng)驗公式[1]，

式中：ΔP—壓差，Pa；

L—床層高度，m；

G—流體質(zhì)量通量，kg/m2·s；

dp—顆粒當量直徑，m；

Vm—流體表觀速度，m/s；

k1—黏性項系數(shù)，k1取150；

k2—動能項系數(shù)，k2取1.75；

ε—床層空隙率；

μg—流體動力黏度，Pa·s。

式(1)中，右側(cè)第一項表示黏性阻力，第二項表示慣性阻力。

研究認為固定床中決定壓差的因素有流體速率、流體的黏度和密度、填充床的空隙率以及顆粒的尺寸、形狀和表面粗糙度。也有研究認為，移動床和固定床相比，移動床其內(nèi)部的氣流運動情況還是存在著差別。氣體通過顆粒移動床的壓降與通過固定床的情況不同，它與床厚、床高之比有關，且當顆粒移動速度小于一定值時，氣體通過床層的壓降基本上與顆粒移動速度無關。

近年來，隨著COREX工藝快速發(fā)展，科技工作者針對COREX預還原豎爐內(nèi)部的氣流分布進行了詳細研究。

WuSL等人建立COREX豎爐二維數(shù)學模型研究不同高度、不同料面形狀條件下爐內(nèi)煤氣速度分布和壓降分布，模型同時考慮了下料管氣體對爐內(nèi)氣流分布的影響。模擬結(jié)果表明：豎爐內(nèi)氣流流線由爐墻向中心呈現(xiàn)“J”型分布；增加下料管中還原氣體可以促進豎爐中心氣流分布，此外，料面形狀對豎爐上部氣流分布影響明顯，對下部氣流分布影響不大。

[1]周恒等人建立COREX豎爐三維數(shù)學模型研究了AGD(Areal Gas Distribution)對1#COREX及2#COREX預還原豎爐爐內(nèi)煤氣RTD的影響以及不同熔煉率下COREX預還原豎爐的煤氣RTD變化規(guī)律。模擬結(jié)果表明，隨著AGD梁的安裝，2#COREX預還原豎爐的整體時間密度分布變寬，平均停留時間變短，爐內(nèi)死區(qū)體積分數(shù)增大。

[2、3]徐輝、周恒等人分別建立三維COREX豎爐三維數(shù)學模型研究了CGD管道對煤氣流分布的影響。研究結(jié)果表明，安裝CGD管道能夠降低豎爐的整體壓差，提高豎爐的整體操作壓力。此外，CGD管道對煤氣反竄有抑制效果，有利于爐內(nèi)氣流均勻分布。

上述分析研究都對填充床及豎爐內(nèi)氣流分布進行了詳細論述，針對豎爐的CGD沒有實際的工程應用經(jīng)驗，但這些研究成果可為八鋼歐冶爐豎爐CGD內(nèi)部氣流分布研究提供重要借鑒。

3 歐冶爐的豎爐CGD技術(shù)的開發(fā)

通過研究，八鋼歐冶爐豎爐采用CGD(底部煤氣導入)技術(shù)，旨在通過開發(fā)CGD中心疏導氣流技術(shù)，降低氣化爐的高溫煤氣反竄至豎爐底部的安全風險、同時保證豎爐煤氣能夠在中心分布。八鋼在此基礎上進行相關技術(shù)方案研究和開展工程應用。

技術(shù)分析路線：通過建立三維穩(wěn)態(tài)模型對歐冶爐安裝CGD后的豎爐煤氣流分布進行數(shù)學模擬→豎爐爐料運動的DEM數(shù)值模擬→豎爐壓力場、濃度場、溫度場、金屬化率數(shù)值模擬→豎爐粉塵運動行為的數(shù)值模擬的技術(shù)路線。

通過對模擬結(jié)果(圖2)的總結(jié)分析對CGD工作有效性進行評估。進而提出CGD結(jié)構(gòu)的關鍵參數(shù)。八鋼技術(shù)團隊確定CGD中心疏導氣流方案，八鋼歐冶爐豎爐CGD方案見圖3。

圖2 八鋼歐冶爐豎爐CGD數(shù)值模擬對比

圖3 八鋼歐冶爐豎爐CGD方案示意圖

4 豎爐煤氣流分布技術(shù)應用效果

2017年歐冶爐開爐時CGD即投入使用，從運行情況來看，大約有(1～3.5)萬Nm3/h的還原煤氣從豎爐底部中心導入，中心煤氣導入量的多少受豎爐壓差的影響，壓差越大，中心氣流導入越多。投入運行后CGD裝置對煤氣利用和煤氣反竄的影響，見表2。

表2 歐冶爐豎爐CGD裝置功效對比

CGD疏導煤氣方式對抑制下降管煤氣反竄的作用效果明顯，對豎爐煤氣的利用和穩(wěn)定性改善也較為顯著，圖4為2017年6—7月金屬化率的生產(chǎn)實績圖,因CGD堵塞后導煤氣功能失效，金屬化率明顯大幅降低，且波動明顯。CGD投用有效抑制了豎爐底部的反竄氣流，懸料次數(shù)明顯減少，豎爐粘接次數(shù)為零。

圖4 2017年6—7月CGD失效前后豎爐金屬化率的變化

豎爐對金屬化率的影響：金屬化率作為歐冶爐和COREX爐操作的一個重要操作參數(shù)，不僅反應了豎爐爐況的順行情況，也是整個爐況參數(shù)調(diào)劑的直接反應數(shù)據(jù)。當豎爐金屬化率明顯提高，豎爐爐況向好，具備進一步提產(chǎn)或其它參數(shù)調(diào)劑的前提條件。豎爐CGD的功效對歐冶爐金屬化率也較為明顯。

近幾年歐冶爐通過不斷開展核心技術(shù)的研究與創(chuàng)新，總體生產(chǎn)狀況平穩(wěn)，各項經(jīng)濟技術(shù)指標均得到顯著的提升，取得了較好的技術(shù)成果和經(jīng)濟成效。2015年6月至2021年10月，歐冶爐月均產(chǎn)量不斷提升, 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，鐵水硅素降至0.9%以下，鐵水物理熱穩(wěn)定，月均作業(yè)率93.94%，鐵水硅穩(wěn)定在0.9%以下，PT穩(wěn)定。見圖5。

圖5 歐冶爐月均產(chǎn)量

2021年11月，指標進步突出，連續(xù)一月日產(chǎn)量達到4000t/d，最高達到4300t/d。月均產(chǎn)量最高達到9.56萬 t，達到了開爐后的最優(yōu)的水平。

5 結(jié)束語

歐冶爐成功開發(fā)和應用豎爐CGD煤氣流分布技術(shù)，促使煤氣流到達豎爐中心區(qū)并均勻分布，增加了下降爐料在徑向的剪切力，懸料次數(shù)減少，有效抑制了豎爐底部的煤氣流反竄問題，徹底解決爐料粘結(jié)的難題。為歐冶爐創(chuàng)新發(fā)展增強了信心，為下一步技術(shù)研究發(fā)展指明方向。