两阶段流化床铁矿石颗粒还原过程数学模型.docx

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两阶段流化床铁矿石颗粒还原过程数学模型

在串联连接的双流化床两阶段中铁矿石颗粒还原过程的数学模型

Y.B.Hahn和K.S.Chang

一个数学模型去描述在串联连接的双流化床两阶段（预还原和最终还原阶段）中的铁矿石颗粒的还原过程。

该模型的主要特征是颗粒内含物分解现象去解释在铁氧化物还原中的影响，以及拥有一个更大尺寸分布的多颗粒的还原动力学。

发现全部颗粒中约百分之九十的分解发生在预还原阶段，主要由于热应力以及体积膨胀。

在预还原与最终还原两阶段中，尺寸大于1mm颗粒的还原程度随着颗粒尺寸的增加而下降。

然而，尺寸在0.2mm到1mm之间的颗粒，还原程度轻微地提高。

尺寸小于0.2mm的颗粒在还原程度上提高明显。

在预还原和最终还原两阶段中，还原程度同样随着原料气氧化程度的增加而逐渐下降。

为了达到需要的还原程度，控制在阶段Ⅰ流化床温度相比阶段Ⅱ更重要。

预还原阶段的最佳停留时间范围为15到20分钟，最终还原阶段最佳停留时间为30到35分钟。

Ⅰ、介绍

最近几年里，各种各样熔炼还原方法已经在发展中，用以代替传统炼铁方法，比如：

高炉炼铁。

熔炼还原炼铁方法可能需要满足一些条件，比如：

不同煤炭的使用、简化了的材料准备、含很少杂质的热铁、独立的加工步骤、封闭的能量系统、有效的污染控制以及无污染产生。

结合了一个熔炼炉和一个流化床准备反应器的熔融还原方法，被突出做为满足以后需要的有前途的方法之一。

流化床反应器拥有的一些优势在于进料的不黏结，出色的热量与质量传递、整个反应回路温度的均匀性、出色的热效率、低投资花费和有效的污染控制。

对于熔炼还原方法中的预还原阶段，由于流化床应用到铁氧化物的预还原过程中，从而在操作流化床中拥有一个越来越大的兴趣。

对于铁矿石还原过程中，有两种类型的流化床：

鼓泡流化床和循环流化床。

系统理解发生在流化床内的整个现象对于一个有效反应器的设计是非常重要的，但是由于系统的复杂性，使得对其理解非常的困难。

最近，Hahn等人已经完成数学模型工作，该模型基于第一原理去描述发生在循环流化床内的铁矿石预还原的各种各样子步骤。

他们的模型包含流体力学、还原动力学以及热量与质量的传递。

他们呈现的非黏性流模型，其中气固两相被认为是连续的和完全渗透的，可以充分地描述在循环流化床中铁矿石颗粒的流体力学行为。

他们也开发了一个墙到床的热传递模型，去描述基于核心到环状类型流动结构和沿着表面向下生长的墙壁处乳状液层的循环流化床内的热传递。

然而，对于鼓泡流化床内的铁矿石颗粒的还原，尤其是双流化床系统中的两阶段中，有关该方面的数学模型工作做的相对较少。

重要的铁矿石颗粒的尺寸减小已经在两个类型的流化床系统都有记录。

颗粒的破碎现象可能是由于固体颗粒的热应力。

因为相转变、碰撞、磨损、磨耗而引起颗粒的体积膨胀。

整个流化床还原系统的性能受到颗粒破碎的影响很大。

因此，为了充分地理解流化床还原方法，是非常重要地在数量上包含在模型方程式中的讲解现象。

在这篇文章中，用数学模型去分析和预测在串联连接的双流化床两阶段中铁矿石颗粒的预还原过程中的给各种各样的子步骤。

数学模型包括颗粒的破碎方式去解释它们在铁氧化物还原中的影响，以及拥有一个广泛尺寸分散的多颗粒还原反应动力学。

将讨论在双流化床还原系统中铁矿石颗粒的行为含义，双流化床的性能将集中通过各种各样的操作状态测试。

Ⅱ、模型方程式

双流化床系统如图1所示。

规定的铁矿石颗粒填充到第一个反应器R1中，与通过多孔板吹入反应器中的还原性气体发生还原反应。

来自于一个铁浴熔融还原炉的尾气做为还原性气体。

在R1中，细小颗粒被留到第二个流化床R2中。

同时粗燥的固体仍然通过还原性气体还原。

来自R1中的残留的细小颗粒在R2中还原，同时没有颗粒由于流化床上层部分扩大了的几何形状，而从R2中携入。

粗糙和细小的颗粒在R1和R2中相对独立还原，排除后供给给一个熔融还原炉去炼铁。

为了给双流化床系统建立模型方程式，做如下的假设：

（1）、铁矿石颗粒连续供给，同时系统处于稳定以及绝热状态；

（2）、颗粒的破碎主要发生在R1中，在这里粗糙颗粒被流化和还原；

（3）、正如流化床中一样，流出的尺寸分配相同（即P1b（dpi）=P1（dpi）、P2b（dpi）=P3（dpi））；

（4）、颗粒没有因为流化床上层部分扩大了的几何形状而从R2中携入。

A、料平衡方程式

基于上述假设，在R1中dp到dp+ddp之间的颗粒尺寸的一个物料平衡表述如下：

[1]

对于球形颗粒在R1中的方程式[1]表示如下：

[2]

其中F、P、W、K和R分别表示质量流率、粒度分布、床身质量、析出率以及矿石颗粒的生长和收缩率。

值得注释的圆柱体形状颗粒在方程式[2]中的第五个参数3应换成2，扁平状颗粒应该用1替换方程式[2]中的3。

在R1中整个质量平衡包括所以固态物的产生或消失率，表示如下：

[3]

在方程式[3]中，积分式对于生长颗粒是有正值，但对于收缩颗粒积分式是负值。

为了表述在中控制的微分方程，考虑相对平均直径dpi的一个尺寸间距Δdpi。

对于收缩颗粒，方程式[2]、[3]以离散形式重新整理，注释：

颗粒收缩率R（dpi）<0。

[4]

[5]

[6]

和

[7]

其中F1（dpi）、W1（dpi）、R（dpi）和K（dpi）分别表示的是质量流率、流化床中固态数量、颗粒分解率、dpi尺寸颗粒的淘析率。

因为假设颗粒在R2中并不分解，不从R2中携入，所以在R2中整个质量平衡方程变为：

[8]

B、颗粒分解

实验观察表明，在流化床中铁矿石的直接还原过程中供给的颗粒分解。

本质数量的细小颗粒形成。

冷矿石颗粒投入到R1流化床中保持高温，由于在预还原阶段起始步骤中流化床墙壁的不断热转换，使其从而经历热应力。

而且，根据在还原阶段的还原程度，铁氧化物经历如下顺序的相转变：

Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe。

相转变引起相当多的体积膨胀和收缩，颗粒然后受压力和破碎成片。

为了解释颗粒尺寸分解，假设一个原颗粒破碎成n份平均尺寸子颗粒当铁氧化的还原程度达到11%时，那时由于热应力和从Fe2O3到Fe3O4的相转变，使颗粒经历体积膨

胀。

破碎的颗粒然后能直线减少到最终颗粒尺寸，是由于碰撞、磨损和磨耗。

颗粒分解的物理模型如图2所示。

破碎颗粒的收缩率可以以直线动力学表示如下：

原料颗粒

经热应力和膨胀后破碎

N个均一尺寸的子颗粒

通过粒子间的碰撞线性收缩和磨损

最终颗粒

图2——颗粒分解的物理模型的图示

[9]

从原始尺寸（dpi,0）到最终尺寸（dpi,f）结合方程式[9]表示：

[10]

其中k'和dpi,f从通过实验获得。

C、淘析率

在气-固反应器中的固体转换的程度取决于颗粒在流化床中的停留时间，而且这反过来又强烈地依赖于淘析率。

因此，高淘析率意味着颗粒的平均停留时间短。

细颗粒和粗颗粒在流化床的分类也依赖于淘析率。

一般情况下，淘析速率常数（K*i）依赖于所应用的实验状态，以及所建议的相关常数K*i也可在别处运用。

在选择一个适当相关且最紧密接近使用条件下，颗粒的尺寸范围和气体的速度是最重要的因素。

淘析率通过以下式子获得：

[11]

[12]

其中At表示的是反应器的横截面积。

颗粒从R1到R2的携带率由方程式[11]决定。

D、停留时间分布

对于一个给定的流化床重量和质量流率的固体物，在R1流化床中，dpi尺寸的颗粒的平均滞留时间成为

[13]

同时在R2流化床中，

[14]

方程[13]表明，由于细颗粒较大K（dpi）值，使其相对于粗颗粒有更少的停留时间。

对于细颗粒，在极端的情况下，其中K（dpi）>F1/W1，

[15]

对于没有携入的粗颗粒，即，K（dpi）=0，方程式[13]如下

[16]

使用平均滞留时间值，并顾及各尺寸大小，就是在流化床中完全混合流，每种尺寸颗粒的分布停留时间定义如下：

[17]

III、多颗粒铁氧化物的还原动力学

铁矿石颗粒主要通过两个主要还原剂还原，即，CO和H2。

无孔铁矿石根据还原度发生一系列Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe的反应。

相比于传统的高炉炼铁过程中烧结块的还原，铁矿石颗粒在流化床还原系统中更小一些。

一般情况下，反应器中还原气体以一个更大过量地送人。

该流化床反应器的特点是，可以高效在气体和固体颗粒之间的接触和以较快的速度传质和传热。

因此，它被假定的大量气体到表面的质量传质阻力可忽略不计。

基于这个假设，Hahn等人通过使用收缩未反应核模型的一个化学反应控制方案，详细描述还原反应动力学。

还原反应可以概括为

[18]

通过化学反应控制的单颗粒还原程度表示如下：

[19]

其中

[20]

由于还原性气体以大量过剩地送入反应器中，CD相比于CA要小到可以忽略不计的。

因此，在这种情况下，方程[20]为不可逆反应，可以写为

[21]

其中CAB大部分浓度是含A体积浓度。

还原水平的不同。

根据此现象，颗粒的平均还原程度的流出流由下式表示：

[22]

或者

[23]

从t=0到t=τ结合方程式[23]表示如下：

[24]

或者

[25]

其中

[26]

当进料的固态物拥有一个大小分布时，出口流的平均还原程度能解释在流化床中的颗粒大小和停留时间。

即，

[27]

或者

[28]

方程式[28]与方程式[17]、[25]相结合产生如下式子：

[29]

其中

[30]

方程式[29]用于获得在鼓泡流化床内中铁矿石颗粒平均还原程度。

Ⅳ、结果与讨论

被送入一个熔融还原炼铁炉之前，部分铁氧化物在串联连接的预还原和终还原阶段两个阶段中还原。

如图3所示，每个阶段都由双流化床组成。

生铁矿石颗粒被加入到预还原阶段，且与最终还原阶段的输出气体发生还原反应。

部分还原的铁氧化物然后送入最终表1、铁矿石颗粒的还原情况还原阶段，与冶炼还原炼铁炉排出气体还原反应以达到所需的还原度。

在这项工作中，模型预测预还原和最终还原如表Ⅰ中描述的。

在预还原阶段中所需的还原度在35%和40％之间，并且它在终还原阶段的百分含量大于80％。

表Ⅰ、铁矿石颗粒的还原情况

反应器尺寸

R1反应器

R2反应器

流化床温度

预还原

在R1中983K，在R2中1003K

最终还原

在R1中1083K，在R2中1103K

进料率

kg/h

还原气体组成

预还原

15%CO，16%CO2，22%H2，8%H2O，3%N2

最终还原

64%CO，3%CO2，28%H2，2%H2O，3%N2

铁矿石类型

A矿石（含Fe总量为58.89%）

0.5mm到1mm

1mm到3mm

3mm到4mm

4mm到5mm

22.58%

42.82%

24.0%

10.6%

B矿石（含Fe总量为62.5%）

1mm到2mm

2mm到2.8mm

2.8mm到3.35mm

3.35mm到4.0mm

4.0mm到4.75mm

44%

22.2%

14.5%

15.9%

3.4%

A、停留时间和淘析率

单个粒子在流化床内有不同的停留时间和不同的淘析率。

图4所示的是A、B类型铁矿石颗粒的预还原停留时间和淘析率。

尺寸大于1mm的颗粒的淘析率变为0，但是尺寸小于1mm的颗粒拥有更大的淘析率。

即，携带分类尺寸是1mm。

该结果意味着尺寸大于1mm的颗粒不从R1夹带入，但只有较小的颗粒携入到R2。

还可以看出粒子的停留时间随粒子大小而增加，并且具有零淘析率或尺寸大于1mm的颗粒最终的平均停留的时间，可以通过以下方程式[16]获得。

这些结果确定高淘析率意味着颗粒短暂的停留时间。

预测结果还表明，铁氧化物的还原程度取决于矿石颗粒在流化床内停留时间，而这又反过来取决于强烈的淘析率。

B、颗粒分解

B颗粒

A颗粒

淘析率（kg/m2.s）

）

停留时间（min）

颗粒直径（mm）

图4——预计的停留时间和淘析率

质量百分数（%）

铁矿石原料

预还原之后

最终还原之后

颗粒直径（mm）

图5——在预还原和最终还原阶段之后在R1反应器中A类型颗粒尺寸分布

如表Ⅰ中提到的铁矿石，已经过测试的矿石颗粒分解的影响，A类型铁矿石的预测结果如图5和图6所示。

图5显示出在R1中预还原和最终还原阶段后的颗粒的尺寸分布。

测量预还原后粒度分布，通过实心圆（）表示。

还可以看出，大的进料颗粒的分数在降低，但新的小颗粒的形成且展现出在预还原后一个更宽尺寸的分布。

从预还原阶段排出的颗粒然后进一步在最终还原阶段破碎。

然而，相比于预还原阶段，最终还原阶段的颗粒还原度比较小些。

这一结果表明，全部的约90％的颗粒分解过程发生在预还原阶段，主要是由热应力引起的体积膨胀引起氧化铁和四氧化三铁的相转移，同时粒子的分解主要是在最终还原阶段，是由于粒子间的碰撞，摩擦和磨损。

还可以看到，预计的和实际测得尺寸分布之间的协调是相当令人满意的，表明在这项工作中所提出的动力学是有效的啊。

图6显示了在R2中的预还原和最终还原阶段后的粒度分布，在其中从R1中携入的细颗粒的还原。

可以看出，颗粒在最终还原阶段是比那些在预还原阶段要更细一些。

在R2中，预还原和最终还原阶段的每个粒子的平均颗粒尺寸分别为0.577毫米和0.516毫米。

虽然没有用图示表示，但相似的结果可通过B类型颗粒获得。

图6、预还原之后在R2反应器中的颗粒尺寸分布（A类型颗粒）

颗粒直径（mm）

质量分数（%）

预还原之后

最终还原之后

C、铁矿石的还原行为

1、流化床温度的影响

流化床温度对于铁氧化物还原的影响进行分别预测，对于预还原阶段，流化床温度从973K到1033K，而对于最终还原阶段流化床温度是从1073K至1133K。

模型预测还原度、气体的利用程度和气体的氧化程度如图7和图8中所示。

还原程度（RD）被定义为铁矿石颗粒反应的体积分数，这等效于在颗粒的反应过程中的总消耗的氧气量比率。

从图7中可见预还原阶段，还原程度大大地受流化床温度影响，在R2中的还原程度相比于R1中大了约7%至10%。

这被认为如此是因为在R2中的细颗粒相比于在R1中有一个更快还原率。

还可以看出，气体的氧化度（GOD），定义为（CO2+H2O）/CO+CO2+H2+H2O），同时气体利用度（GUD）定义为的比值量消耗减少气体的输入量还原气体，还取决于床的温度，但是依赖关系相比于还原度不是非常大。

图7、在预还原阶段中流化床温度的影响

气体利用率

气体氧化率

在R1中还原度

在R2中还原度

温度（K）

气体氧化度、利用度、还原度（%）

图8表示出的是在终还原阶段的还原也受温度的影响，但依赖度远小于在预还原阶段。

这主要是由于装入最终还原阶段的矿石颗粒已在预还原阶段部分还原，同时更少地依赖于温度。

它得出结论认为，温度对还原率整体影响在最终还原阶段，相比于预还原阶段是更加显著的。

因此，为了取得一个理想的整体还原度，相比于阶段Ⅱ，阶段I中温度控制显得非常重要。

气体氧化度

气体利用度

在R2中还原度

在R1中还原度

图8、在最终还原阶段中流化床温度的影响

气体氧化度、利用度、还原度（%）

温度（K）

2、颗粒大小的影响

当整个过程是通过化学反应控制，还原速率受到颗粒尺寸的很大影响。

粒径对还原程度的影响通过不同流化床温度检测，同时预测结果如图9所示。

可以看出，在这两个预还原和最终减速阶段，R1反应器中粒径尺寸大于1mm的还原程度随着在预还原阶段中的粒径的增加而下降。

然而，粒径尺寸小于1毫米在还原程度上有轻微增加。

对于粒径在0.2至1毫米之间，其中粒径小于0.2mm的还原度有一个急剧增加。

该结果可以解释的是，在0.2和1mm之间的颗粒，相比粒径大于1毫米其停滞时间相当短，同时显示出。

然而，本小于0.2毫米小颗粒有相比于1mm粒径的颗粒有更小的还原度。

在R2中，粒径小于1mm的颗粒被还原，粒径影响相比在R1中更加缓和些。

同样，这样的结果表明，为了获得所需的还原度，保持在R1中温度高于在R2是非常重要的。

还原度（%）

颗粒直径（mm）

颗粒直径（mm）

颗粒直径（mm）

颗粒直径（mm）

还原度（%）

还原度（%）

还原度（%）

图9——不同流化床温度的颗粒尺寸对铁氧化物还原的影响：

（a）在R1中预还原；（b）在R2中预还原；（c）在R1中最终还原；（d）在R2中最终还原。

3、气体氧化程度的影响

为了研究的还原性气体浓度对铁矿石还原的影响，模型预测用不同的入口气体的氧化度，在预还原阶段从10％到25％和在最终还原阶段中从5％至20个％。

对于预还原阶段，流花床温度在R1中983K在R2中1003K；对于最终还原阶段中，在R1中1083K，在R2中为1103K。

有关出口气体还原程度、氧化程度及气体利用率的测绘结果如图10和图11所示。

可看出还原度随着入口气体在预还原和最终还原两阶段中利用率增加而逐渐减小；

出口气态的氧化率随着入口气体的氧化率增加而增加，同时气体利用率受影响较小。

该结果表明，对于还原度和气体利用度而言，出口气体的氧化度是一个不重要的操作变量。

预还原

气体氧化度、利用度、还原度（%）

气体氧化度、利用度、还原度（%）

在R2中还原度

在R1中还原度

气体氧化度

气体利用度

氧化率（%）

图10、在预还原阶段中入口气体的气体氧化度的影响

气体氧化度、利用度、还原度（%）

最终还原

气体氧化度

气体利用度

在R2中还原度

在R1中还原度

图11、在最终还原阶段中入口气体的气体氧化度的影响

氧化率（%）

图12、在预还原阶段颗粒的滞留时间的影响

气体氧化度、利用度、还原度（%）

滞留时间（min）

气体利用度

气体氧化度

在R1中还原度

在R2中还原度

预还原

氧化率（%）

气体氧化度、利用度、还原度（%）

气体利用度

气体氧化度

在R1中还原度

最终还原

在R2中还原度

最终还原

气体氧化度、利用度、还原度（%）

在R2中还原度

在R1中还原度

气体的氧化率

气体的利用率

滞留时间（min）

图13、在最终还原阶段颗粒的滞留时间的影响

4、滞留时间的影响

铁矿石颗粒的还原强烈地依赖于颗粒在床中的停留时间。

图12和图13表现的是停滞时间对还原程度、以及气体氧化程度和气体利用率，在预还原和最终还原两阶段的影响。

可以看出，还原度、气体氧化度和气体利用度，在预还原阶段中过了大约15分钟之后，总是完全独立的停滞时间（如图12）。

在终还原阶段，为了获得一个还原度大于80%，在R1大于30min停滞，在R2中大于10min停滞。

此结果表明，以获得所需的还原度，在R1反应器中而不是在R2反应器中控制停滞时间是非常重要。

对于预还原，最终范围的停滞时间为15到20分钟，对于最终还原阶段为30到40分钟。

Ⅴ、结论

已开发的数学模型来描述在两个串联连接的双流化床阶段中铁矿石颗粒还原过程。

模型预测导致以下结论：

1、结果发现，约90％的整体破碎发生在预还原阶段，主要是由于热应力和从Fe2O3到Fe3O4相转移引起的体积膨胀。

在最终阶段中颗粒的破碎是不多的，但主要是由于颗粒间碰撞和磨损。

大于1毫米的颗粒仍然存在反应器R1中；小于1毫米的颗粒从R1中携入到R2中。

在R2中所携入的颗粒直径在预还原为0.577mm和在最终还原阶段中为0.516mm。

2、相比在终还原阶段，预还原阶段中，温度对还原的影响显得更加重要。

因此，为了获得所需的整体还原度，温度控制在阶段Ⅰ中相比于阶段Ⅱ中是非常重要的。

3、在反应器R1中大于1毫米颗粒的还原度，随着颗粒尺寸在预还原和最终还原两阶段中增加而迅速增加。

然而，对于0.2mm到1mm颗粒尺寸中，小于1毫米的颗粒在还原度上表现出温和增长。

对于尺寸小于0.2mm的颗粒在还原度上表现出急剧的增加。

4、还原度随着入口气体在预还原和最终还原两阶段中利用率增加而逐渐减小；出口气态的氧化率随着入口气体的氧化率增加而增加，同时气体利用率受影响较小。

该结果表明，对于还原度和气体利用度而言，出口气体的氧化度是一个不重要的操作变量。

5、为了获得所希望的还原度，控制颗粒在R1反应器中的停留时间是非常重要的，该反应器中大于1mm的颗粒被流化。