噴嘴結構對鐵水脫硫氣泡微細化的影響

王 坤， 劉 燕， 侯君洋， 楊永坤， 張廷安東北大學 多金屬共生礦生態化冶金教育部重點實驗室，沈陽 110819)

從上世紀30年代以來，人們逐漸認識了鋼中硫的危害并開始了對鐵水和鋼水的脫硫研究.西歐、日本在20世紀60～70年代在鐵水預處理脫硫理論研究的基礎上在工業上進行了應用[1]，德國和瑞典上世紀80年代采用鐵水預處理手段生產低硫鋼種.近年來，通過引進國外先進技術，結合國內企業特點，不斷改進、優化和自主開發新工藝，國內不少鋼廠的爐外脫硫工藝已達到國際先進水平.目前應用最多的方法主要有KR法和鎂噴吹法.KR法，即Kambara Reactor法，是由日本新日鐵廣制鐵所1965年研制開發成功的一種鐵水脫硫工藝[2].其工藝是將十字形攪拌頭插入鐵水的鐵水包中旋轉，使鐵水產生漩渦，把脫硫劑卷入鐵水中，脫硫劑在強烈的攪拌作用下與鐵水中的硫迅速產生化學反應，最終達到脫硫的目的[3].雖然KR法的動力學條件良好，但是產生的渣量較大，由于鐵水被強烈攪拌且持續時間較長，因此鐵水溫降較大[4].鎂噴吹法是利用惰性氣體攜帶脫硫劑經由插入鐵水的噴槍噴入鐵水中，脫硫劑在鐵水中生成鎂蒸氣，與鐵水中的硫反應.鎂噴吹法具有脫硫反應快、時間短、操作簡單，但是脫硫后回硫較嚴重且不易控制，噴濺大，脫硫劑利用率低[5].

針對目前工業上采用KR攪拌法脫硫和鎂噴吹法脫硫的缺點，東北大學張廷安、劉燕等[6-10]人提出“結合機械攪拌利用惰性氣體攜帶鎂蒸氣底吹直接脫硫”的新方法.該方法采用底吹方式，通過惰性氣體將高溫鎂蒸氣直接噴入鐵水中，通過機械攪拌將噴入的鎂蒸氣氣泡進行微細化，增大氣-液接觸面積，進而提高鎂蒸氣的脫硫效率和鎂脫硫劑的利用率.該方法相比于KR法和鎂噴吹法，其優勢有：(1)直接底吹鎂蒸氣，不僅可以增加鎂蒸氣氣泡在鐵水中的停留時間，而且可以避免KR法出現的渣量大，溫降大等缺點；(2)采用機械攪拌與底部噴吹鎂蒸氣相結合的方式，可以減少由于噴吹鎂顆粒所引起的噴濺；(3)機械攪拌可以使噴吹的鎂蒸氣氣泡微細化，增加氣-液接觸面積，提高鎂蒸氣的利用率和脫硫的效率.

本文在其研究基礎上，進一步研究了噴嘴結構對底吹鐵水脫硫氣泡微細化的影響，選出了合適的噴嘴結構.

1 實驗原理、設備及方案

1.1 實驗設備

水模型裝置是由有機玻璃制成的圓柱形容器，由幾何相似原理計算得到裝置的直徑為435 mm，高510 mm，液面高度350 mm.圖1為水模型實驗裝置示意圖，圖2為均混時間所用DDSJ—308F型電導率儀.

圖3是實驗采用的五種不同結構的噴嘴.其中單孔為垂直噴嘴，2孔、4孔、8孔為水平噴嘴.噴嘴主要包括進氣連接口、噴孔通道和噴嘴氣室，其中噴嘴氣室為直徑30 mm，高5 mm的圓柱體，采用噴嘴氣室可以有效避免通氣時每個噴孔的氣流量不均的現象.進氣連接口為內徑20 mm，外徑25 mm的外螺紋接口可以有效保證實驗過程的噴氣流量要求.噴孔通道直徑為2 mm，直接與噴嘴氣室相連.透氣磚噴嘴采用彌散性透氣磚，其孔隙率為4%～6%.

圖1水模型實驗裝置Fig.1 Water model experimental apparatus

圖2 DDSJ—308F型電導率儀Fig.2 DDSJ—308Fconductivity meter

圖3 實驗采用的五種噴嘴結構Fig.3 Five types of nozzle used in the water model experiment(a)—單孔垂直噴嘴； (b)—2孔水平噴嘴； (c)—4孔水平噴嘴； (d)—8孔水平噴嘴； (e)—透氣磚噴嘴

1.2 實驗方案

本實驗主要考察噴嘴結構對氣泡在熔池中的分布、CO2吸收速率以及均混時間的影響，實驗方案如表1所示.

表1 實驗研究方案Table 1 Experimental scheme

2 結果與討論

2.1 噴嘴結構對氣泡分布的影響

圖4為不同噴嘴結構對氣泡分布的瞬時圖.從圖中可以看出：在底吹氣體的情況下，在攪拌槳的兩側出現死區，隨著噴孔數增加，熔池內氣泡的分布區域逐漸增大.使用透氣磚噴嘴時，熔池的“死區”面積最小.

圖4 不同噴嘴結構對氣泡分散的影響Fig.4 Bubble distribution with different nozzles structure(a)—單孔垂直噴嘴； (b)—2孔水平噴嘴； (c)—4孔水平噴嘴； (d)—8孔水平噴嘴； (e)—透氣磚噴嘴

2.2 噴嘴結構對CO2吸收速率的影響

圖5為在中心底吹的模式下，偏心度為0.4，攪拌槳SSB-D，攪拌轉速200 r/min，通氣流量1.0 m3/h，浸入深度250 mm，研究噴嘴類型對CO2吸收速率的pH-t關系圖.

從圖5中可以看出，透氣磚噴嘴的pH下降速度要略快于其他噴嘴，總體來說隨著噴嘴孔數量越多，反應速率略微加快.

圖5 不同噴嘴類型下pH隨時間變化關系圖Fig.5 Curves of pH -time for different nozzle structure (a)—單孔垂直噴嘴； (b)—2孔水平噴嘴； (c)—4孔水平噴嘴； (d)—8孔水平噴嘴； (e)—透氣磚噴嘴

根據溶液中CO2濃度與pH之間的關系式(1)和容積傳質系數Ak/V與CO2的濃度關系式(2)計算出容積傳質系數，得到容積傳質系數與噴嘴類型的關系，如圖6所示.

(1)

ln[(ce-ct)/(ce-c0)]=-(AK/V)t

(2)

圖6 噴嘴結構與容積傳質系數變化關系圖Fig.6 Relation between volumetric transfer coefficient and nozzle structure(a)—單孔垂直噴嘴； (b)—2孔水平噴嘴； (c)—4孔水平噴嘴； (d)—8孔水平噴嘴； (e)—透氣磚噴嘴

從圖6中可以看出，隨著噴嘴噴孔的增加，容積傳質系數增大.由于噴孔的增加，單個噴孔的氣流量減少，減緩了單個噴孔大流量噴氣的壓力，延長了噴嘴使用壽命，同時使用透氣磚噴嘴，氣泡透過噴嘴進入熔池時，已被打碎.減小了氣泡直徑，增大了氣液接觸面積，加快了反應速率，容積傳質系數增大.

同樣條件下，經計算得到的CO2利用率η如圖7所示.

圖7 不同噴嘴結構的CO2氣體利用率Fig.7 Utilization of CO2 with different nozzle structure(a)—單孔垂直噴嘴； (b)—2孔水平噴嘴； (c)—4孔水平噴嘴； (d)—8孔水平噴嘴； (e)—透氣磚噴嘴

從圖7可知，CO2利用率隨噴嘴類型的變化和容積傳質系數一致，噴嘴噴孔數的增加，能夠提高氣泡微細化的效果，增大了氣液接觸面積，提高了CO2氣體利用率.

2.3 噴嘴結構對均混時間的影響

圖8 噴嘴結構對均混時間的影響Fig.8 Mixing time with different nozzle structure(a)—單孔垂直噴嘴； (b)—2孔水平噴嘴； (c)—4孔水平噴嘴； (d)—8孔水平噴嘴； (e)—透氣磚噴嘴

圖8是不同噴嘴結構對熔池均混時間的影響.由圖8可以看出，當噴嘴為水平噴孔時，隨著噴孔數量從2孔增加到8孔，熔池的均混時間成線性縮短，8孔水平噴嘴均混時間最短，為7.33 s.此外，對比8孔水平噴嘴和透氣磚噴嘴，發現兩者均混時間相差只有0.33 s，近似可以認為相等，因此，結合現實工業生產現狀，可以選擇透氣磚噴嘴進行鐵水脫硫研究.

3 結 論

本文通過水模型實驗研究了不同噴嘴結構對氣泡分布、CO2吸收速率以及均混時間的影響，得到如下結論：

(1)噴嘴結構對氣泡的分布區域有一定的影響，噴孔數越多，氣泡的分布區域越大.透氣磚有很多彌散的小孔，所以氣泡的分布區域最大，并且氣泡的尺寸也明顯減小.

(2)噴嘴噴孔數的增加，能夠提高氣泡微細化的效果，增大了氣液接觸面積，提高了容積傳質系數和CO2氣體利用率.

(3)隨著噴孔數量增加，熔池的均混時間明顯縮短，8孔水平噴嘴均混時間最短，為7.33 s.

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