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    流態(tài)化(fluidization)是一種由于流體向上流過(guò)固體顆粒堆積的床層而使得固體顆粒具有一般流體性質(zhì)的物理現(xiàn)象，是現(xiàn)代多相相際接觸的工程技術(shù)。使用流態(tài)化技術(shù)的流化床反應(yīng)器因具有相際接觸面積大，溫度、濃度均勻，傳熱傳質(zhì)條件好，運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)。

　　高爐煉鐵技術(shù)在礦產(chǎn)資源受限和環(huán)保壓力增大等形勢(shì)下，將面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。鐵礦石對(duì)外依存度過(guò)高、鐵礦石粒度越來(lái)越小和焦炭資源枯竭等狀況，迫使人們加快步伐探索改進(jìn)或替代高爐工藝的非高爐型煉鐵工藝。以氣固流態(tài)化還原技術(shù)為代表的非高爐煉鐵工藝逐步受到重視。

　　新工藝的建立和發(fā)展需要理論研究作為支撐。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于流態(tài)化還原煉鐵過(guò)程中的氣固兩相流規(guī)律的認(rèn)識(shí)還不夠深入，特別是對(duì)不同屬性鐵礦粉的流態(tài)化特性、不同操作條件下的流態(tài)化還原特性，以及反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)流態(tài)化還原過(guò)程的影響等相關(guān)研究還不夠充分，基于流態(tài)化還原技術(shù)的新工藝要成熟應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)還有明顯距離。

　　發(fā)展流態(tài)化技術(shù)須重視基礎(chǔ)研究

　　流態(tài)化技術(shù)可以把固體散料懸浮于運(yùn)動(dòng)的流體之中，使顆粒與顆粒之間脫離接觸，從而消除顆粒間的內(nèi)摩擦現(xiàn)象，使固體顆粒具有一般流體的特性，以期得到良好的物理化學(xué)條件。流態(tài)化技術(shù)很早就被引入冶金行業(yè)，成為非高爐煉鐵技術(shù)氣基還原流程中的一類重要工藝。流態(tài)化技術(shù)在直接還原煉鐵過(guò)程中主要有鐵礦粉磁化焙燒、粉鐵礦預(yù)熱和低度預(yù)還原、生產(chǎn)直接還原鐵的冶金功能。

　　我國(guó)從上世紀(jì)50年代后期開(kāi)始流態(tài)化煉鐵技術(shù)的研究。1973年~1982年，為了開(kāi)發(fā)攀枝花資源，我國(guó)進(jìn)行了3次流態(tài)化還原綜合回收釩鈦鐵的試驗(yàn)研究。中國(guó)科學(xué)院結(jié)合資源特點(diǎn)對(duì)貧鐵礦、多金屬共生礦的綜合利用，開(kāi)展了流態(tài)化還原過(guò)程和設(shè)備的研究;鋼鐵研究總院于2004年提出低溫快速預(yù)還原煉鐵方法(FROL TS)，并隨后對(duì)工藝流程進(jìn)行了探索，取得一定效果。除此之外，還有針對(duì)鐵礦及鐵氧化物微粉的低溫還原特性的研究，探索了小粒徑礦粉進(jìn)行流態(tài)化還原的技術(shù)特點(diǎn)。使用流態(tài)化技術(shù)的代表性非高爐煉鐵工藝的床層結(jié)構(gòu)、還原氣和物料特性見(jiàn)附表。

　　流態(tài)床的預(yù)還原反應(yīng)器中的鐵礦粉等物料與還原氣體在流態(tài)化過(guò)程中相互作用，其動(dòng)力學(xué)行為可促進(jìn)兩相之間的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量交換，為鐵礦粉的還原反應(yīng)創(chuàng)造良好的條件。為有效發(fā)揮流化床反應(yīng)器的還原效果，開(kāi)展氣固兩相流的理論研究很有必要，基礎(chǔ)性研究成果將促進(jìn)流態(tài)化技術(shù)發(fā)展及工業(yè)應(yīng)用。

　　氣固兩相流相關(guān)研究進(jìn)展

　　在流態(tài)化過(guò)程中，固體顆粒在流動(dòng)的氣體或液體中呈現(xiàn)懸浮狀態(tài)，具有流體的性質(zhì)，其狀態(tài)受流體屬性、固體顆粒屬性、床體結(jié)構(gòu)、操作條件和相間作用的影響。

　　物料屬性對(duì)流化狀態(tài)的影響。研究顆粒及氣體屬性對(duì)流態(tài)化狀態(tài)的影響具有重要意義，特別是對(duì)工業(yè)應(yīng)用原料的制備和選取具有指導(dǎo)作用，從而使原料對(duì)流態(tài)化過(guò)程的不利影響降低到最小，并最大限度地服務(wù)于需要的流態(tài)化狀態(tài)。

　　國(guó)外早在1947年就有研究人士用金剛砂研究了粒度和粒度分布對(duì)流化質(zhì)量的影響，并作了定性的描述。在針對(duì)不同平均粒徑以及粒徑分布對(duì)流化狀態(tài)的影響研究中，得出的一般結(jié)論為：大粒子趨于增加流化的湍流強(qiáng)度，小粒子則趨于減弱流體的湍流強(qiáng)度，并且在粗粒床中加入細(xì)顆粒的作用是降低平均粒徑從而改變與平均粒徑有關(guān)的流化性質(zhì)。

　　床體結(jié)構(gòu)對(duì)流態(tài)化狀態(tài)的影響。在流態(tài)化反應(yīng)器從實(shí)驗(yàn)室級(jí)試驗(yàn)到半工業(yè)試驗(yàn)直至工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模試驗(yàn)的逐漸放大過(guò)程中，出現(xiàn)氣泡的短路現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重，氣體反混逐漸加劇，致使反應(yīng)選擇性變差，轉(zhuǎn)化率降低，不利于工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)行。而實(shí)踐證明，通過(guò)合理的流化床反應(yīng)器設(shè)計(jì)可以很好地改善這個(gè)問(wèn)題。流化床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式很多，但一般由床層殼體、內(nèi)部裝置、換熱裝置、氣固分離裝置等組成，研究各個(gè)部分的工作特性，對(duì)控制床層內(nèi)部狀態(tài)和指導(dǎo)反應(yīng)器設(shè)計(jì)具有重要意義。

　　為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)需要，大型化、連續(xù)性、穩(wěn)定性生產(chǎn)變得非常重要。針對(duì)顆粒的還原度控制、還原氣體的利用率提高、系統(tǒng)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)高效的運(yùn)行要求，流化床反應(yīng)器趨向于循環(huán)流化床、多級(jí)流化床串聯(lián)，鼓泡床、快速流化床、噴動(dòng)床等多種流化床混合使用，各反應(yīng)器相互獨(dú)立又相互協(xié)作的方向發(fā)展，對(duì)流化床的設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制也提出了更高的要求。

　　流態(tài)化還原技術(shù)應(yīng)用展望

　　隨著適用于煉鐵的優(yōu)質(zhì)鐵礦資源不斷減少、粒度越來(lái)越細(xì)，使用球團(tuán)礦會(huì)增加生產(chǎn)成本，直接采用粉礦進(jìn)行流態(tài)化還原成為煉鐵技術(shù)發(fā)展中被考慮的一種重要途徑。該工藝可直接使用粉礦，省去傳統(tǒng)的燒結(jié)、球團(tuán)和煉焦流程，大大縮短鐵前工序，有利于環(huán)境保護(hù)和資源綜合利用，而且擁有高的換熱、傳質(zhì)和輸送效率，因其理論上的經(jīng)濟(jì)可行性與傳統(tǒng)高爐工藝形成鮮明對(duì)比而備受關(guān)注。

　　目前開(kāi)發(fā)成功并已工業(yè)化的FINEX工藝，采用了4級(jí)(或3級(jí))串聯(lián)的流化床預(yù)還原反應(yīng)器，進(jìn)行鐵礦粉的預(yù)熱和預(yù)還原，再進(jìn)行壓塊或終還原。無(wú)論是FINEX工藝，還是其他處于開(kāi)發(fā)階段、半工業(yè)化或小型工業(yè)化的流態(tài)化還原工藝，最常出現(xiàn)的問(wèn)題包括：顆粒黏結(jié)，導(dǎo)致傳輸線堵塞和流態(tài)化效果損失;不能處理精礦大小的細(xì)顆粒;淘析損失和粉塵俘獲效率低等。此外，氣體利用率低、氣體循環(huán)消耗的能量高、產(chǎn)品的均勻度低等問(wèn)題也有待解決。于是，現(xiàn)有流化床反應(yīng)器的流程(FINMET、FINEX、Circored)比氣基豎爐(Midrex、HYL-III)更難控制和實(shí)現(xiàn)大型化工業(yè)應(yīng)用。

　　因此，研究顆粒屬性對(duì)流化特性的影響，對(duì)指導(dǎo)特定流化特性要求的生產(chǎn)工藝的物料選擇和制備具有重要意義。而合理的床體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計(jì)可以有效地改善流態(tài)化過(guò)程中氣體的分布和氣泡狀態(tài)，是流化床反應(yīng)器的放大及工業(yè)化應(yīng)用的重要前提。

　　對(duì)于流態(tài)化還原的煉鐵技術(shù)發(fā)展而言，須要進(jìn)一步開(kāi)展理論與實(shí)驗(yàn)研究，可借助物理模型和數(shù)值模擬，研究不同粒徑及分布、不同微觀性質(zhì)、不同成分與密度的鐵礦粉的流化過(guò)程及性質(zhì)，得出鐵礦粉屬性與流化性質(zhì)的相互關(guān)系;研究針對(duì)鐵礦粉流化的不同床體形狀及尺寸和內(nèi)部構(gòu)件如分布板、氣泡控制部件等對(duì)鐵礦粉流化流態(tài)的影響，研究黏結(jié)失流產(chǎn)生的原因和條件，尋求適于鐵礦粉流化的床體設(shè)計(jì)的變量和參數(shù)，以及改善內(nèi)部流體力學(xué)條件的適宜的物理量及參數(shù)、多級(jí)流化床反應(yīng)器或不同流型的流化床反應(yīng)器的銜接參數(shù)等。鐵礦粉在流態(tài)化狀態(tài)下表現(xiàn)出的動(dòng)力學(xué)特性與傳統(tǒng)鐵礦粉還原的差異，以及不同還原條件(如溫度、壓力、氣體成分組成等)對(duì)流態(tài)化還原過(guò)程的影響也同樣值得進(jìn)一步研究，以確定鐵礦粉流態(tài)化還原的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)適宜條件，避免黏結(jié)失流，并提高還原氣體利用率和生產(chǎn)效率等。還須研究反應(yīng)器的放大問(wèn)題，提出系列有關(guān)流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及運(yùn)行優(yōu)化的控制參數(shù)，以適應(yīng)新工藝的發(fā)展要求，促進(jìn)我國(guó)流態(tài)化還原煉鐵新工藝的工業(yè)化應(yīng)用。

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