Gas Flow in Charges for Mn-Ferroalloy Production

Abstract

Et sentralt mål for ferromanganindustrien er å redusere energiforbruk og utslipp av klimagasser knyttet til produksjonen. For å bidra til å løse disse utfordringene ble PreMa-prosjektet initiert. PreMa-prosjektets mål er å forbedre energieffektiviteten og redusere utslipp gjennom å implementere en forbehandlingsteknologi for manganmalm. Partikkelstørrelsen til råmaterialer spiller en viktig rolle under ovnsdriften fordi de påvirker permeabiliteten til chargen, som igjen påvirker energiforbruket og utslippene knyttet til prosessen. Et viktig aspekt av forbehandlingsteknologien er derfor å undersøke hvilken innvirkning partikkelstørrelsen av råmaterialene har på ovnsdriften. Denne studien bidrar til PreMa-prosjektet ved å undersøke effekten av partikkelstørrelse på trykket i charger for ferromanganproduksjon.

Eksperimentelle målinger av trykkfall ble utført på charger bestående av forskjellige partikkelfraksjoner av manganmalm og koks. Chargene ble utsatt for økende gasshastigheter samtidig som trykket i chargen ble målt. Comilog MMA-malm og metallurgisk-gradert koks ble brukt som råmaterialer, med en sammensetning i chargen bestående av 83,3 vekt% malm og 16,7 vekt% koks. Partikkelfraksjonene av malm som ble brukt var: 0,00-0,25, 0,25-2,00, 2,00-5,00 og 5,00-11,20 mm, og partikkelfraksjonene av koks som ble brukt var: 0,00-2,00, 2,00-3,33, 3,33-6,68 og 5,00-15,00 mm. Trykkfallapparatet bestod av en akrylsylinder med en høyde på 1 m og en indre diameter på 18,5 cm. Tre trykksensorer med en intern avstand på 30 cm var festet til siden av sylinderen. De innhentede trykkfallsdataene ble tilpasset en regresjonsmodell basert på Darcy-Forchheimer-ligningen.

Resultatene indikerte at trykkfallet i chargen økte når partikkelstørrelsen av råmaterialene minket. Partikler mindre enn 2,00 mm påvirket trykkfallet i chargen mest. Blant malmen viste fraksjonen 0,25-2,00 mm det høyeste trykkfallet. Dette trykkfallet var betydelig høyere en trykkfallet blant de større malmfraksjonene. Alle trykkfallseksperimenter utført med 0,00-0,25 mm malmpartikler fluidiserte ved alle gasshastigheter. Det samme gjorde chargene med malmfraksjonen 0,25-2,00 mm kombinert med de minste partikkelfraksjonene av koks (0,00-2,00 mm og 2,00-3,33 mm). Videre avdekket studien at partikkelstørrelsen av malm hadde større innvirkning på trykkfallet sammenlignet med størrelsen av koksen.

Reducing energy consumption and greenhouse gas emissions is a critical objective for the Mn-ferroalloy industry. To address these concerns, the PreMa project was initiated to implement and demonstrate a pre-treatment technology for manganese ores, aiming to enhance energy efficiency and reduce greenhouse gas emissions. The particle size of raw materials plays a crucial role in furnace operation, affecting charge permeability and thereby the power consumption, and emissions related to the operation. Therefore, examining the impact of raw material particle size on furnace operation is a fundamental aspect of the PreMa project. This study contributes to the project by specifically examining the impact of particle size on pressure in charges for ferromanganese production.

Experimental measurements of pressure were conducted on charges consisting of different size fractions of manganese ore and coke. The charges were subjected to increasing gas velocities while the pressure drop across the charge was measured. Comilog MMA ore and metallurgical-graded coke were used as raw materials, with the charge composition consisting of 83.3 wt% ore and 16.7 wt% coke. The size fractions of ore used were: 0.00-0.25, 0.25-2.00, 2.00-5.00, and 5.00-11.20 mm, and the size fractions of coke used were: 0.00-2.00, 2.00-3.33, 3.33-6.68, and 5.00-15.00 mm. The pressure drop apparatus consisted of an acrylic cylinder with a height of 1 m and an inner diameter of 18.5 cm. Three pressure sensors with an internal distance of 30 cm were attached to the side of the cylinder. The collected pressure drop data was fitted to a regression model based on the Darcy-Forchheimer equation.

The results indicated that as the particle size of raw materials decreased, the pressure drop inside the charge increased. Notably, particles below 2.00 mm exerted the greatest influence on pressure. The ore size fraction of 0.25-2.00 mm exhibited the highest pressure drop, significantly surpassing that of larger ore size fractions. All pressure drop experiments conducted on the 0.00-0.25 mm ore fraction fluidized for all gas velocities, as well as the charges with 0.25-2.00 mm ore combined with the smallest size fractions of coke (0.00-2.00 mm and 2.00-3.33 mm). Furthermore, the study revealed that the particle size of the ore had a more significant impact on pressure drop compared to the particle size of the coke.