轉底爐工藝系統基本化學反應的熱力學分析

井廣敏

（濟鋼集團國際工程技術有限公司，山東濟南 250101）

試驗研究

轉底爐工藝系統基本化學反應的熱力學分析

井廣敏

（濟鋼集團國際工程技術有限公司，山東濟南 250101）

轉底爐工藝是直接還原中煤基還原的一種，其內部的熱力學反應主要包括含碳球團的自還原反應、含碳球團與氧化性氣體間的氧化反應、含碳球團的脫碳反應、含碳球團排出氣體的燃燒反應及噴吹焦爐煤氣對直接還原的影響等5個部分。對轉底爐內部溫度、氣氛、配煤比的控制，是轉底爐直接還原工藝的關鍵。

直接還原；轉底爐工藝；含碳球團；熱力學分析

1 前言

直接還原工藝是非高爐煉鐵工藝的一種，根據使用能源的不同，直接還原工藝又可分為氣基還原、煤基還原和電熱直接還原。轉底爐工藝是煤基還原的一種，使用冷固含碳球團是其重要特征，具有原料廣泛、煤基還原、反應速度快等特點［1］，已在20世紀70年代在國外就有用于生產的實例。目前在鋼鐵企業微利、降低整體生產成本的大環境下，對該工藝的研究更具有現實意義。

2 轉底爐工藝系統基本構成

原料烘干系統：主要包括煙氣爐和燒嘴；配料系統：主要包括配料倉和稱量系統；潤磨造球系統：主要包括潤磨機、圓盤造球機；生球烘干系統：主要包括烘干機等；轉底爐主體：主要包括轉底爐本體、振動布料器、螺旋排料機、助燃風機等；冷卻系統：主要包括冷卻機等；除塵系統、水系統、供配電系統及成品儲存系統。

3 轉底爐本體系統內基本化學反應

3.1 含碳球團的自還原反應

含碳球團的碳在整個球團內均勻分布，當球團達到一定溫度時，分布在球團內的碳粒與氧化鐵發生劇烈反應。碳的主要成分是固定C、灰分和揮發分，揮發分中可燃氣體主要是高分子碳氫化合物、CO和H2，高溫下高分子碳氫化合物二次分解為C和H。因此，赤泥和碳混合還原反應過程相當復雜，可以用下列反應式表示：

煤熱解時揮發分的析出和碳氫化合物的裂解，煤→C＋揮發分，高分子碳氫化合物→C＋CH4＋H2，含碳球團中氧化鐵與固定碳的反應為：

鐵氧化物與裂解產生的CO和H2以及揮發分中的CO和H2還原反應為：

二氧化碳、水蒸氣共同與碳的氣化反應為：由于在實際轉底爐生產當中，配煤是過量的，則反應（2）和（3）合并得FexOy＋C＝FexOy－1＋CO。

由此看來，轉底爐內的還原反應實際上就是固體碳與氧化鐵的還原反應。由于被還原物質和產物都為凝聚相，根據冶金熱力學中逐級反應原則，則討論由Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe反應可能性。

轉底爐的還原環境為溫度在1 200～1 400℃，預熱產生的揮發分和還原產生的CO被噴吹空氣迅速、充分的燃燒掉。本計算取還原溫度為1 350℃［2］。

則：ΔG1＝－267 433 J/mol＜＜0，

則：ΔG2＝－127 073 J/mol＜＜0，

則：ΔG3＝－94 584 J/mol＜＜0。

由熱力學計算可得，ΔG1、ΔG2、ΔG3都遠小于0，則可得上述3個反應在1 350℃時都可以進行強烈反應。

3.2 含碳球團與氧化性氣體間的氧化反應

在轉底爐工藝的末期，由于含碳量的下降，球團周圍高溫煙氣中氧化性氣氛CO2和H2O的分壓逐漸占優勢，此時會有氧化金屬球團的可能性。

高溫煙氣氧化金屬鐵的反應為：

有CO2導致的氧化反應是強吸熱反應，溫度越高反應越劇烈，由H2O導致的氧化反應為強吸熱反應，溫度越高反應越受抑制。在1 200～1 400℃轉底爐爐溫下，ΔG4＜＜0，ΔG5稍大于零，因此，反應（7）可以自發劇烈地進行。

在轉底爐還原必須要注意CO2/CO氣氛的調節,也可以采取措施使金屬球團快速地離開這個區域，或者采取適當的高配煤比，保證還原性氣氛。

高溫煙氣中的氧化性氣氛進入球團內部氧化金屬鐵的可能性極低，因為CO逸出，使球團內部置于還原氣氛包圍之下。但是如果長時間在高溫煙氣中，特別是在還原后期，殘碳量很少，CO逸出量很少，就不可避免地發生金屬球團被O2再氧化，所以必須保證后期金屬球團快速離開高溫煙氣區域。

3.3 含碳球團的脫碳反應

C殘留在轉底爐末端的反應。

其中，C殘留為含碳球團中殘留的碳。

通過計算可知，在轉底爐1 200～1 400℃的爐溫下，式（9）和式（10）兩個反應都能自發的進行。實際在1 000℃以上時，只要煙氣中有CO2和H2O，脫碳反應就不可避免。因此，含碳球團在轉底爐內還原時，如果保證有一定的殘碳量，就要使含碳金屬球團迅速地離開高溫煙氣區域。

3.4 含碳球團排出氣體的燃燒反應

含碳球團還原過程中排出的可燃氣體包括CO和揮發分。揮發分在高于700℃以后發生了分解，產生了C＋CH4＋H2，因此，球團排出可燃氣體的燃燒可以歸結為CO＋CH4＋H2的燃燒反應。

3.5 噴吹焦爐煤氣對直接還原的影響

焦爐煤氣的主要成分見表1。

表1 焦爐煤氣成分%

由于焦爐煤氣中H2、CH4、CO和H2O占總成分的93.17%，因此主要討論這4種成分的影響。

由于噴入焦爐煤氣的同時，鼓入熱風，焦爐煤氣燃燒產生大量的H2O和CO2，此時發生脫碳反應和間接還原反應：C殘留＋CO2＝2CO；C殘留＋H2O＝CO＋H2；FexOy＋CO/H2＝FexOy－1＋CO2/H2O。由于碳過量，所以這3式合并后實質仍然是碳的直接還原：FexOy＋C＝FexOy－1＋CO。

由于含碳球團中碳過量，焦爐煤氣的噴入促進了碳基直接還原，因此，適當引入焦爐煤氣有利于轉底爐內還原反應的進行。

4 結論

4.1 轉底爐還原反應實質是含碳球團的直接還原。

4.2 轉底爐系統內基本化學反應包括含碳球團的自還原反應、含碳球團與氧化性氣體間的氧化反應、含碳球團的脫碳反應、含碳球團排出氣體的燃燒反應及噴吹焦爐煤氣對直接還原等5個部分。

4.3 轉底爐還原必須注意CO2/CO氣氛的調節，防止金屬球團被氧化。合理的配煤比可以保證還原氣氛的保持，也可以采取有效措施使金屬化球團迅速離開轉底爐末端區域。

4.4 含碳球團在轉底爐內還原時，如果保證有一定的殘碳量，就要使含碳金屬球團迅速的離開高溫煙氣區域。

4.5 由于含碳球團中碳過量，焦爐煤氣的噴入促進了碳基直接還原，因此，適當引入焦爐煤氣有利于轉底爐內還原反應的進行。

［1］高文星，董凌燕.煤基直接還原及轉底爐工藝的發展現狀［J］.礦冶，2008（2）：69.

［2］朱榮，任江濤.轉底爐工藝的發展與實踐［J］.北京科技大學學報，2007，29：172.

Thermodynamic Analysisof Basic Chemical Reactionsof Rotary Hearth FurnaceProcessSystem

JING Guangmin
（Jigang International Engineering and Technology Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

Rotary hearth furnace process is one of coal-based direct reduction processes,its internal thermodynamic reactions have 5 part such as the reduction reaction of carbon-containing pellets,the oxidation reaction of carbon-containing pellets with oxidizing gases,decarbonization reaction of carbon-containing pellets,combustion reaction of exhaust gases of containing carbon pellet and effecting of blowing coke oven gas on the reduction etc.The controlling of the internal temperature,atmosphere,blending ratio are the key technologies of the rotary hearth furnace direct reduction process.

direct reduction;rotary hearth furnace process;carbon-containing pellets;thermodynamic analysis

TF55

B

1004-4620（2014）04-0039-02

2014-07-16

井廣敏，男，1985年生，2009年畢業于東北大學冶金工程專業、材料成型及控制工程專業，雙學士。現為濟鋼集團國際工程技術有限公司市場部副部長，助理工程師，從事固體廢棄物綜合利用技術開發及市場推廣工作。