邵剑华：颗粒粒径对流态化还原铁矿粉黏结失流的影响 ·1281· b (e 图10矿粉颗粒间不同凝聚类型的示意图.(a)S颗粒聚集：(b)M颗粒絮凝：()M颗粒团聚 Fig.10 Sketch map of different types of cohesion between particles in iron ore fines:(a)gathering:(b)flocculation:(e)reuniting 此类颗粒间的聚集强度不高，黏结失流的发生对 链0-)（颗粒链）和气路管道，并且所有颗粒在床内达 颗粒粒径、颗粒间距和温度的依赖性较大. 到平衡.如是M颗粒将维持这种平衡，但对于L颗粒， (2)M颗粒.此类颗粒在一定温度下还原至一定 因颗粒重力增大，颗粒动能也随之增大同时，与颗粒 程度后会发生黏结失流.根据前期实验研究表明：铁 轴线方向有一定夹角的剪应力，超过由铁晶体联接桥 矿粉流态化还原析出金属铁之前，颗粒皆为无黏性的 所产生的极限应力和相互耦合的颗粒间摩擦力时，颗 散体，在气体曳力作用下范德华力、静电力等黏附力都 粒会沿着这些平面发生蠕移、跃移或悬移.当接触表 无法将颗粒团聚：还原至金属铁析出并沉积于颗粒表 面产生相对运动时，凹凸不平的表面会被推开，使接触 面时，在颗粒间易形成黏结桥，产生较强的固体桥联 表面间距增大，相应的这些表面作用力会急剧减小，同 力四将颗粒链接一起.相对于颗粒间的范德华力、静 时机械啮合作用也因接触距离的增大而减小.床内的 电力等其他内聚力，固体桥联力是一种很强的固体间 部分颗粒链因发生“雪崩”或“坍塌”现象而断裂.此 的结合力图： 时，还会破坏气流管道改变气流分布，减少沿着管道吹 Fh=TrC体 (4) 走的气量，使气流对颗粒的曳力增大，进一步破坏平 式中：r,为颗粒联接处金属铁最窄部分的半径，m:C 衡，使床内颗粒很快恢复流化.恢复流态化还原的颗 为颗粒联接处铁晶体的强度，Pa. 粒表面析出更多的金属铁（如图9所示)，使其表面黏 前期研究表明，还原气种类不同，导致颗粒黏结 性继续增大·当滑动力小于内摩擦力和黏聚力之和 的铁晶体形态也不同.C0还原后表面长出大量铁晶 时，颗粒重新达到静态平衡，如此往复.同时也表现出 须将颗粒粘连或勾连在一起，颗粒凝聚表现出 反复失流期时床层压降的剧烈波动（如图2所示）. 图10(b)所示的絮凝：H2还原后颗粒表面铁晶体多位 Turkdogan和Vinters四曾研究发现，在颗粒新析 瘤状（金属化率更高时致密地分布于颗粒表面），此时 出的金属铁催化作用下，H2一C0气氛内易发生析碳 颗粒的凝聚表现出图10(c)所示的团聚.当在流化气 反应： 体的曳力作用或颗粒本身重力作用下也无法将其离散 开时，团聚颗粒迅速蔓延，直至整个流化床出现黏结 2C0(® (Fe) Ca+C020: (Fe) 失流. H2o+C0o一 C6+H,0®· 此类颗粒间的凝聚强度较高，黏结失流的发生对 随着流化还原时间的延长，新析出的石墨C附着 流化床内气氛性质、还原气种类和温度的依赖性较大. 于颗粒表面也起一定的隔离作用.同时部分新沉积的 (3)L颗粒.此类颗粒能在较高的金属化率时仍 Fe与部分C发生反应 不发生黏结失流，但在还原过程的不同阶段颗粒间的 3Fe +C=Fe,C, 黏结行为有所不同.为此可将还原过程分为三大阶段 导致外层的Fe被消耗生成了黏性较弱的Fe,C (如图11所示)： (图7(b)所示)，进一步降低颗粒表面黏性.因此，这 第一阶段，从图2所示的床层压降变化也可看出， 阶段床内表现的较为复杂，有多个化学反应进行，使颗 当还原时间与M颗粒失流相近时，床层压降有一定程 粒黏性不仅有增大的动力也有减小的因素，从而颗粒 度的降低，说明此时有部分颗粒已经发生了黏结.实 状态既有短时间的静态平衡也有平衡破坏后的流化. 验中通过视窗发现床层出现短暂失流，故此阶段可定 第三阶段：经历失流和流化多次反复后，在第二阶 义为失流初期，其黏结机理与M颗粒一致 段末期颗粒的表面黏性会有一峰值，此后颗粒表面黏 第二阶段，L颗粒开始出现短暂失流后又会立即 性再逐渐减小.实验中通过视窗可发现颗粒又能像第 自我恢复流化，并且会多次反复，床层压降也出现较大 一阶段一样正常流化，床层压降逐渐稳定，故此阶段可 幅度的频繁波动，故此阶段可定义为“反复失流期” 认为是流化恢复期. 由于失流瞬间床内颗粒形成许多不同方向的力 由于C0的析碳反应需要金属铁作为催化剂，使邵剑华: 颗粒粒径对流态化还原铁矿粉黏结失流的影响 图 10 矿粉颗粒间不同凝聚类型的示意图． ( a) S 颗粒聚集; ( b) M 颗粒絮凝; ( c) M 颗粒团聚 Fig． 10 Sketch map of different types of cohesion between particles in iron ore fines: ( a) gathering; ( b) flocculation; ( c) reuniting 此类颗粒间的聚集强度不高，黏结失流的发生对 颗粒粒径、颗粒间距和温度的依赖性较大． ( 2) M 颗粒． 此类颗粒在一定温度下还原至一定 程度后会发生黏结失流． 根据前期实验研究表明: 铁 矿粉流态化还原析出金属铁之前，颗粒皆为无黏性的 散体，在气体曳力作用下范德华力、静电力等黏附力都 无法将颗粒团聚; 还原至金属铁析出并沉积于颗粒表 面时，在颗粒间易形成黏结桥，产生较强的固体桥联 力［19］将颗粒链接一起． 相对于颗粒间的范德华力、静 电力等其他内聚力，固体桥联力是一种很强的固体间 的结合力［18］: Fsb = πr 2 nCrb ． ( 4) 式中: rn为颗粒联接处金属铁最窄部分的半径，m; Crb 为颗粒联接处铁晶体的强度，Pa． 前期研究［7］表明，还原气种类不同，导致颗粒黏结 的铁晶体形态也不同． CO 还原后表面长出大量铁晶 须将颗粒粘连或勾连在 一 起，颗 粒 凝 聚 表 现 出 图 10( b) 所示的絮凝; H2还原后颗粒表面铁晶体多位 瘤状( 金属化率更高时致密地分布于颗粒表面) ，此时 颗粒的凝聚表现出图 10( c) 所示的团聚． 当在流化气 体的曳力作用或颗粒本身重力作用下也无法将其离散 开时，团聚颗粒迅速蔓延，直至整个流化床出现黏结 失流． 此类颗粒间的凝聚强度较高，黏结失流的发生对 流化床内气氛性质、还原气种类和温度的依赖性较大． ( 3) L 颗粒． 此类颗粒能在较高的金属化率时仍 不发生黏结失流，但在还原过程的不同阶段颗粒间的 黏结行为有所不同． 为此可将还原过程分为三大阶段 ( 如图 11 所示) : 第一阶段，从图 2 所示的床层压降变化也可看出， 当还原时间与 M 颗粒失流相近时，床层压降有一定程 度的降低，说明此时有部分颗粒已经发生了黏结． 实 验中通过视窗发现床层出现短暂失流，故此阶段可定 义为失流初期，其黏结机理与 M 颗粒一致． 第二阶段，L 颗粒开始出现短暂失流后又会立即 自我恢复流化，并且会多次反复，床层压降也出现较大 幅度的频繁波动，故此阶段可定义为“反复失流期”． 由于 失 流 瞬 间 床 内 颗 粒 形 成 许 多 不同方向的力 链［20--21］( 颗粒链) 和气路管道，并且所有颗粒在床内达 到平衡． 如是 M 颗粒将维持这种平衡，但对于 L 颗粒， 因颗粒重力增大，颗粒动能也随之增大． 同时，与颗粒 轴线方向有一定夹角的剪应力，超过由铁晶体联接桥 所产生的极限应力和相互耦合的颗粒间摩擦力时，颗 粒会沿着这些平面发生蠕移、跃移或悬移． 当接触表 面产生相对运动时，凹凸不平的表面会被推开，使接触 表面间距增大，相应的这些表面作用力会急剧减小，同 时机械啮合作用也因接触距离的增大而减小． 床内的 部分颗粒链因发生“雪崩”或“坍塌”现象而断裂． 此 时，还会破坏气流管道改变气流分布，减少沿着管道吹 走的气量，使气流对颗粒的曳力增大，进一步破坏平 衡，使床内颗粒很快恢复流化． 恢复流态化还原的颗 粒表面析出更多的金属铁( 如图 9 所示) ，使其表面黏 性继续增大． 当滑动力小于内摩擦力和黏聚力之和 时，颗粒重新达到静态平衡，如此往复． 同时也表现出 反复失流期时床层压降的剧烈波动( 如图 2 所示) ． Turkdogan 和 Vinters ［22］ 曾研究发现，在颗粒新析 出的金属铁催化作用下，H2--CO 气氛内易发生析碳 反应: 2CO( g) ( Fe → ) C( s) + CO2( g) ; H2( g) + CO( g) ( Fe → ) C( s) + H2O( g) ． 随着流化还原时间的延长，新析出的石墨 C 附着 于颗粒表面也起一定的隔离作用． 同时部分新沉积的 Fe 与部分 C 发生反应 3Fe + C Fe3C， 导致 外 层 的 Fe 被 消 耗 生 成 了 黏 性 较 弱 的 Fe3C ( 图 7( b) 所示) ，进一步降低颗粒表面黏性． 因此，这 阶段床内表现的较为复杂，有多个化学反应进行，使颗 粒黏性不仅有增大的动力也有减小的因素，从而颗粒 状态既有短时间的静态平衡也有平衡破坏后的流化． 第三阶段: 经历失流和流化多次反复后，在第二阶 段末期颗粒的表面黏性会有一峰值，此后颗粒表面黏 性再逐渐减小． 实验中通过视窗可发现颗粒又能像第 一阶段一样正常流化，床层压降逐渐稳定，故此阶段可 认为是流化恢复期． 由于 CO 的析碳反应需要金属铁作为催化剂，使 ·1281·