CN114410872B - 一种抑制铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的方法，属于矿粉流化还原技术领域。本发明的抑制铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的方法，将铁矿粉添加到双层管反应单元中进行流化还原反应，反应过程中在反应单元外部施加超声波场，超声波发生单元包括沿双层管反应单元的外周逆时针、均匀间隔分布的第一超声波发生器、第二超声波发生器和第三超声波发生器。本发明通过在加压流态化还原过程中外加超声波场，从而可以进一步改善铁矿粉流态化还原过程中的黏结流失抑制效果。

Description

一种抑制铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的方法
技术领域
本发明属于矿粉流化还原技术领域，更具体地说，涉及一种抑制铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的方法。
背景技术
随着新环保法的颁布实施和碳排放交易系统(ETS)的建立，高能耗、高污染、高排放等冶金工艺在环境、资源、能源等方面面临着空前的挑战，而流态化直接还原工艺可以直接利用粉矿和处理复杂共生矿，不依赖焦炭，具有传热和传质效率高等优点，符合环境、资源和能源发展的需求。
流化床直接还原工艺是冶金领域的一项重大突破，由于流化床没有透气性的要求，因此可以直接使用高炉、竖炉不能直接使用的铁矿粉；流化床炼铁工艺为炼铁过程节能环保、合理利用国内低品位、复合共生矿和解决铁矿资源供应紧张的问题方面提供了新的冶炼途径；同时，流化床直接还原工艺不但扩大了炼铁原料的来源，而且降低了生产成本，提高了产品的竞争力。直接使用铁矿粉的流化床炼铁技术是未来炼铁工业发展的方向之一，也是目前各国钢铁工业竞相研究开发的重要领域。
但是，在加压流态化还原过程中铁矿粉容易出现颗粒黏结问题，从而阻碍了连续化生产，降低了生产效率，这是加压流态化直接还原工艺工业应用的瓶颈障碍。针对流态化还原过程中出现的黏结失流问题，许多学者都进行了相关研究，本申请的发明人也一直致力于抑制流态化还原过程中黏结失流现象的研究，并取得了一定的成效。
例如，中国专利申请号为2017104996246的申请案公开了一种包覆防黏剂抑制铁矿粉黏结失流的流化反应装置及流化反应方法，该申请案的装置包括双层管反应单元、加热单元和物料混匀单元，双层管反应单元包括反应内管和外部套管，反应内管底部与外部套管底部相连通，该反应内管内设置有流化床筛板，反应腔入料口与流化床筛板构成包裹反应腔；铁矿粉在包覆防黏剂的条件下发生流化还原反应，防黏剂在铁矿粉表面形成均匀的石墨或者粘附碳。采用该申请案的装置和方法使得铁矿粉及防黏剂在包裹反应腔内充分混合，防黏剂包覆在铁矿粉的表面，防黏剂在铁矿粉表面形成均匀的石墨或者粘附碳，可以避免铁晶须或铁原子相互勾连团聚，从而在一定程度上可以抑制铁矿粉发生黏结失流，但其效果仍有待进一步提高。
发明内容
1.要解决的问题
本发明的目的在于克服铁矿粉在流态化还原过程中易发生黏结流失的不足，提供了一种抑制铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的方法。本发明通过在加压流态化还原过程中外加超声波场，从而可以进一步改善铁矿粉流态化还原过程中的黏结流失抑制效果。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的一种抑制铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的方法，将铁矿粉添加到双层管反应单元中进行流化还原反应，反应过程中在反应单元外部施加超声波场。
聚团是引起粘结失流的主要原因，在一定的还原气体线速度下，颗粒之间会发生碰撞，最后形成大的聚团，而聚团会造成颗粒粘结，引起失流。针对铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的问题，本发明创造性的在铁矿粉流化还原过程中施加外部超声波场，从而使颗粒受到的外力增加，增加了聚团中颗粒之间的能量，当能量较大时聚团即发生破碎，颗粒尺寸减小，从而能够有效抑制颗粒之间的聚团和黏结失流。同时，加入声场后，颗粒会受到声波力的作用，颗粒与颗粒、颗粒与床层之间都会发生一定的碰撞，使得流化床内的空隙率增大，气体更容易将床层吹起，有利于保证铁矿粉还原的充分性。
更进一步的，所述双层管反应单元的外周设有超声波发生单元，该超声波发生单元包括沿双层管反应单元的外周逆时针、均匀间隔分布的第一超声波发生器、第二超声波发生器和第三超声波发生器。通过均匀间隔分布的三个超声波发生器的设置有利于提高声波的施加效果，进一步改善改善颗粒的流化性能。此外，本发明在加压流态化还原过程中外加超声波场耦合调控铁矿粉的颗粒黏结现象，既对铁矿粉加压流态化还原过程颗粒黏结起到调控作用，又可以实现连续化生产的目的。
需要说明的是，超声波的施加方式控制对于抑制铁矿粉的颗粒黏结效果具有较大的影响，本申请中通过控制第一超声波发生器、第二超声波发生器和第三超声波发生器沿逆时针方向间歇式循环发射声波，且同时有两个超声波发生器工作，相对于三个声波发生器同时工作可以取得更好的效果，进一步提高了金属化率，降低了颗粒的粘接失流。具体的，第一超声波发生器、第二超声波发生器和第三超声波发生器按照以下规律间歇循环发射声波：
第一超声波发生器和第二超声波发生器同时发射1s、第二超声波发生器和第三超声波发生器同时发射1s、第三超声波发生器和第一超声波发生器同时发射1s；
第一超声波发生器和第二超声波发生器同时发射2s、第二超声波发生器和第三超声波发生器同时发射2s、第三超声波发生器和第一超声波发生器同时发射2s；
第一超声波发生器和第二超声波发生器同时发射3s、第二超声波发生器和第三超声波发生器同时发射3s、第三超声波发生器和第一超声波发生器同时发射3s；
……
声波循环发射时间逐一递增，发射总时间累计15-20min时停止发射声波。也即，一直保持有两个声场发射器在发射声波，一个声场发射器不工作。当声场发射器到达工作所指定时间后，其中一个声场发射器停止工作，之前不工作的声场发射器开始发射声场，使施加声场保持逆时针旋转。当最先工作的两个声场发射器再次开始同时发射声波时，一组循环结束，开始进入下一组循环，下一组循环中声场发射器工作时间会延长一秒，以此类推。
另一种优选的声波施加控制方式为，第一超声波发生器、第二超声波发生器和第三超声波发生器先同时发射声波，然后再沿逆时针方向间歇式循环发射声波。具体的，待三个超声波发生器同时发射声波4-5min后再间歇式循环发射声波，声波循环发射时间由1s逐一递增至18-20s停止发射。
更进一步的，超声波发生单元的功率为500W，且其通过信号采集单元与计算机控制系统相连，通过计算机控制系统控制各个超声波发生器的工作与否。预先在计算机上设置好控制程序，通过信号传输线将信号传输到信号采集系统，信号采集系统对收到的信号展开分析处理，将处理好的信号转换指令，实现对三个声场发射器的精准控制。
更进一步的，铁矿粉直接还原的具体过程为：将待还原铁矿粉添加到双层管反应单元内，然后向双层管反应单元内通入氮气，当流化床的压力提高到0.5～0.6Mpa时，此时流化床的空气已排尽，关闭出气阀，然后对流化床进行升温处理；当流化床内部的温度达到反应温度后，关闭氮气阀门，继续向双层管反应单元内通入还原气体氢气，进行铁矿粉的还原。当铁矿粉在氢气氛围下流态化还原时间达到所要进行的时间时，再次通入氮气约5min后，停止加热。
更进一步的，所述双层管反应单元包括外层套管和下端套装于外层套管内的反应内管，且外层套管的底部安装于加热单元内，通过加热单元对双层管反应单元进行加热，以提供铁矿石还原所需的热量。加热单元的顶部通过连接柱与支撑平台相连，外层套管的上部安装于支撑平台内，且三个超声波发生器支撑安装于支撑平台的顶面。
更进一步的，所述连接柱的表面加工有螺纹，支撑平台与连接柱螺纹相连，从而便于调节支撑平台的安装高度，以带动超声波发生器随之上下移动。
综上所述，本申请从节能环保、连续化、高效率生产角度出发，提出在加压流态化还原过程中外加超声波场，从而既对铁矿粉加压流态化还原过程颗粒黏结起到调控作用，又可以实现连续化生产的目的，为加压流态化直接还原工艺的工业应用奠定数据储备和理论基础。
附图说明
图1为本发明的一种抑制铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的反应装置的立体结构示意图；
图2为本发明的抑制铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的反应装置的侧视结构示意图；
图3为本发明的抑制铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的反应装置的俯视结构示意图；
图4为实施例1中还原后铁矿粉颗粒的表面微观形貌；
图5为对比例1中还原后铁矿粉颗粒的表面微观形貌；
图6为实施例1中金属化率随声场施加时间的拟合曲线；
图7为实施例1中粘接比随声场施加时间的拟合曲线；
图8为对比例2中金属化率随声场施加时间的拟合曲线；
图9为对比例2中粘接比随声场施加时间的拟合曲线。
图中：1、双层管反应单元；101、反应内管；1011、加料口；1012、出气口；102、外层套管；1021、凸台；2、连接柱；3、支撑平台；301、卡槽；4、加热单元；5、超声波发生单元；501、第一超声波发生器；502、第二超声波发生器；503、第三超声波发生器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
如图1-图3所示，本实施例的抑制铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的反应装置包括双层管反应单元1和加热单元4，双层管反应单元1用于铁矿粉的还原冶炼，加热单元4用于对双层管反应单元1进行加热，所述双层管反应单元1的外周设有超声波发生单元5，该超声波发生单元5用于为铁矿粉的还原冶炼提供超声波场。铁矿粉还原过程中，通过超声波发生单元5施加外加声场，从而可以影响聚团的大小和运动情况，使颗粒受到的外力增加，增加了聚团中颗粒之间的能量，当能量较大时聚团会发生破碎，形成一个个小的聚团，因而有利于减小铁矿粉的黏结失流。具体的，本实施例中超声波发生单元5设有三个，其沿双层管反应单元1的外周均匀间隔分布，且第一超声波发生器501、第二超声波发生器502和第三超声波发生器503均通过信号采集单元与计算机控制系统相连。预先在计算机上设置好控制程序，通过信号传输线将信号传输到信号采集系统，信号采集系统对受到的信号展开分析处理，将处理好的信号转换指令，从而实现对声场发射器的精准控制。所述双层管反应单元1的管壁安装与三个超声波发生器相对应的位置均安装有观察窗，从而便于对反应单元内部的情况进行实时监测。
本实施例的双层管反应单元1包括外层套管102和下端套装于外层套管102内的反应内管101，且外层套管102的底部安装于加热单元4内，加热单元4的顶部通过连接柱2与支撑平台3相连，外层套管102的上部安装于支撑平台3内。更进一步的，所述连接柱2的外部设有螺纹，支撑平台3螺纹安装于连接柱2上，超声波发生单元安装于支撑平台3上，通过调节支撑平台3与连接柱2的安装高度，从而可以对超声波发生单元的高度进行调节。如图1、图3所示，本实施例中外层套管102的外周设有间隔分布的凸台1021，支撑平台3及加热单元4上均加工有与凸台1021相匹配的卡槽301，通过凸台1021与卡槽301的配合便于对双层管反应单元1的安装高度和深度进行调节，并保证其安装及滑动的稳定性。
采用图1所述的装置，将铁矿粉由反应内管101顶部的加料口1011添加到双层管反应单元1内，然后向双层管反应单元1内通入氮气，当流化床的压力提高到0.5～0.6Mpa时，关闭出气阀，然后通过加热单元4对流化床进行升温处理；当流化床内部的温度达到反应温度后，关闭氮气阀门，继续向双层管反应单元内通入还原气体氢气，进行铁矿粉的还原，反应后的气体经由反应内管101顶部侧壁的出气口1012排出。本实施例中在0.2MPa、1073K、3.0L/min H2的条件下还原铁矿粉50min，并通过双层管反应单元1外周的超声波发生单元5施加外加超声波场，铁矿粉在氢气氛围下流态化还原时间达到所要进行的时间时，再次通入氮气约5min后，停止加热。
具体的，本实施例中超声波发生单元5的功率为500W，并通过控制系统控制第一超声波发生器、第二超声波发生器和第三超声波发生器沿逆时针方向间歇式循环发射声波，且同时有两个超声波发生器工作：
第一超声波发生器和第二超声波发生器同时发射1s、第二超声波发生器和第三超声波发生器同时发射1s、第三超声波发生器和第一超声波发生器同时发射1s；
第一超声波发生器和第二超声波发生器同时发射2s、第二超声波发生器和第三超声波发生器同时发射2s、第三超声波发生器和第一超声波发生器同时发射2s；
第一超声波发生器和第二超声波发生器同时发射3s、第二超声波发生器和第三超声波发生器同时发射3s、第三超声波发生器和第一超声波发生器同时发射3s；
……
声波循环发射时间逐一递增至24s(每循环一周算作一组，共循环施加24组，声波发射之间总计15min)，然后停止发射声波。
对比例1
本对比例的铁矿粉还原工艺基本同实施例1，其区别主要在于：本对比例不施加外场作用。
实施例1及对比例1中还原后的颗粒表面微观形貌分别如图4、图5所示，由图可以看出，未加外场作用，还原过程中颗粒表面能会增大，熔化温度降低，这些性质的改变都会增强颗粒间的黏结力，导致颗粒发生黏结失流。而当施加外场后，对新析出铁团聚物具有破碎作用，可以抑制颗粒黏结，有效改善颗粒的流化性能。
对比例2
本对比例的铁矿粉还原工艺基本同实施例1，其区别主要在于：本对比例中三个超声波发生器同时发射声波，声波发射总时间与实施例1相同。
粘接性能测试：待流化床内部温度冷却至室温后，将实施例1和对比例2的流化床中粘结的和未粘结的矿粉取出，计算粘结比。粘结比是还原粉的结合质量与还原粉的总质量之比。粘结比越小，流化状态越好。然后通过重铬酸钾容量法和氯化铁滴定方法来测定样品金属铁(MFe)和全铁(TFe)含量，计算金属化率η。金属化率越高，还原后的矿粉质量越好。粘结比越低，还原过程的流态化状态越好。因此，选取金属化速率和粘结比作为测定流化还原效果的指标，具体测定结果如图6-图9所示。由图可以看出，相对于同时稳定施加三个方向的声场，当采用间歇式施加声场方式时可以进一步改善铁矿粉的黏结失流问题，提高铁矿粉还原的金属化率。其中，采用实施例1的间歇式声场施加方式时，金属化率同实验组数之间的拟合曲线为：y1＝-0.05354X3+1.10217X2+0.10194X-0.79733，粘接比与实验组数之间的拟合曲线为：Y1＝-0.00596X3+0.21296X2-1.10583X-1.10583；三个方向的声场同时稳定施加时，金属化率同实验组数之间的拟合曲线为：y＝-0.0348X3+0.6934X2+0.93254X-0.70441，粘接比与实验组数之间的拟合曲线为：Y＝-0.01009X3+0.31774X2-1.55373X+1.62374。
实施例2
本实施例的铁矿粉还原工艺基本同实施例1，其区别主要在于：本实施例中先保持三个声场稳定发射270s，然后间歇式切换超声波场，声波循环发射时间由1s逐一递增至20s时停止发射声波。先同时稳定施加三个方向的声场，然后再间歇式施加，相对于实施例1，采用本实施例的声场施加方式，可以进一步改善铁矿粉的黏结失流问题，并提高铁矿粉还原的金属化率。其中，金属化率同实验组数之间的拟合曲线为：y＝-0.05073X3+1.14011X2-0.8427X+0.70365，粘接比与实验组数之间的拟合曲线为：Y＝-0.0056X3+0.19134X2-0.96457X+1.04981。
实施例3
本实施例的铁矿粉还原工艺基本同实施例1，其区别主要在于：本实施例中声波循环发射时间逐一递增至25s时停止发射声波，本实施例中铁矿粉粘结比和金属化率基本与实施例1相同。
实施例4
本实施例的铁矿粉还原工艺基本同实施例1，其区别主要在于：本实施例中声波循环发射时间逐一递增至27s时停止发射声波，本实施例中铁矿粉粘结比和金属化率略低于实施例1。
实施例5
本实施例的铁矿粉还原工艺基本同实施例2，其区别主要在于：本实施例中先保持三个声场稳定发射300s，然后间歇式切换超声波场，声波循环发射时间由1s逐一递增至18s时停止发射声波，本实施例中铁矿粉粘结比和金属化率与实施例2较为接近。
实施例6
本实施例的铁矿粉还原工艺基本同实施例2，其区别主要在于：本实施例中先保持三个声场稳定发射240s，然后间歇式切换超声波场，声波循环发射时间由1s逐一递增至19s时停止发射声波，本实施例中铁矿粉粘结比和金属化率与实施例2较为接近。

Claims (8)

1.一种抑制铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的方法，其特征在于：将铁矿粉添加到双层管反应单元（1）中进行流化还原反应，反应过程中在反应单元外部施加超声波场；所述双层管反应单元（1）的外周设有超声波发生单元（5），该超声波发生单元（5）包括沿双层管反应单元（1）的外周逆时针、均匀间隔分布的第一超声波发生器（501）、第二超声波发生器（502）和第三超声波发生器（503），第一超声波发生器（501）、第二超声波发生器（502）和第三超声波发生器（503）沿逆时针方向间歇式循环发射声波，且同时有两个超声波发生器工作。
2.根据权利要求1所述的一种抑制铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的方法，其特征在于，第一超声波发生器（501）、第二超声波发生器（502）和第三超声波发生器（503）按照以下规律间歇式循环发射声波：
第一超声波发生器（501）和第二超声波发生器（502）同时发射1s、第二超声波发生器（502）和第三超声波发生器（503）同时发射1s、第三超声波发生器（503）和第一超声波发生器（501）同时发射1s；
第一超声波发生器（501）和第二超声波发生器（502）同时发射2s、第二超声波发生器（502）和第三超声波发生器（503）同时发射2s、第三超声波发生器（503）和第一超声波发生器（501）同时发射2s；
声波循环发射时间逐一递增，发射总时间累计15-20min时停止发射声波。
3.根据权利要求1所述的一种抑制铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的方法，其特征在于：第一超声波发生器（501）、第二超声波发生器（502）和第三超声波发生器（503）先同时发射声波，然后再沿逆时针方向间歇式循环发射声波。
4.根据权利要求3所述的一种抑制铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的方法，其特征在于：待三个超声波发生器同时发射声波4-5min后再间歇式循环发射声波，声波循环发射时间由1s逐一递增至18-20s停止发射。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种抑制铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的方法，其特征在于：超声波发生单元（5）的功率为500W，且其通过信号采集单元与计算机控制系统相连，通过计算机控制系统控制各个超声波发生器的工作与否。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种抑制铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的方法，其特征在于，铁矿粉直接还原的具体过程为：将待还原铁矿粉添加到双层管反应单元（1）内，然后向双层管反应单元（1）内通入氮气，当流化床的压力提高到0.5～0.6Mpa时，关闭出气阀，然后对流化床进行升温处理；当达到反应温度后，关闭氮气阀门，继续向双层管反应单元（1）内通入还原气体氢气，进行铁矿粉的还原。
7.根据权利要求6所述的一种抑制铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的方法，其特征在于：所述双层管反应单元（1）包括外层套管（102）和下端套装于外层套管（102）内的反应内管（101），且外层套管（102）的底部安装于加热单元（4）内，加热单元（4）的顶部通过连接柱（2）与支撑平台（3）相连，外层套管（102）的上部安装于支撑平台（3）内，且三个超声波发生器支撑安装于支撑平台（3）的顶面。
8.根据权利要求7所述的一种抑制铁矿粉流态化还原过程中黏结流失的方法，其特征在于：所述连接柱（2）的表面加工有螺纹，支撑平台（3）与连接柱（2）螺纹相连。
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