【摘要】：高爐煉鐵節(jié)碳減排是減少鋼鐵企業(yè)能源消耗和CO2及其它污染物排放的重要途徑。爐頂煤氣循環(huán)-氧氣鼓風(fēng)高爐煉鐵技術(shù)(簡稱氧氣高爐)節(jié)碳減排能力已經(jīng)通過理論計算和高爐試驗得到了驗證。該工藝采用純氧鼓風(fēng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)高爐的預(yù)熱空氣鼓風(fēng),高爐爐頂煤氣脫除CO2后返回高爐利用,其中,爐頂煤氣循環(huán)利用是氧氣高爐關(guān)鍵特征之一。本文對氧氣高爐爐身噴吹循環(huán)煤氣進(jìn)行冷態(tài)物理模擬研究和模擬計算；在鐵礦石還原的熱態(tài)實驗基礎(chǔ)上,建立了氧氣高爐爐身氣-固換熱與化學(xué)反應(yīng)耦合數(shù)學(xué)模型；研究了煤氣在爐身上升過程中的界面阻力以及煤氣在加熱過程中的析碳行為。本研究結(jié)果將為氧氣高爐工藝的設(shè)計和研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。 利用二維冷態(tài)物理模型對爐身噴吹煤氣在爐內(nèi)分布進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果表明,爐身噴吹煤氣量與爐身煤氣總量之比對爐身噴吹煤氣在爐內(nèi)分布起決定性作用,而爐身煤氣總量對其影響不大。爐身煤氣分布主要分為兩個不同區(qū)域,一個是爐身噴吹煤氣主要影響區(qū)域,另一個是高爐下部產(chǎn)生的上升煤氣主要影響區(qū)域。根據(jù)冷態(tài)物理模型幾何結(jié)構(gòu),建立了二維數(shù)學(xué)模型,對爐身噴吹煤氣在爐內(nèi)流動進(jìn)行了模擬計算,結(jié)果表明,爐身噴吹氣體和高爐下部產(chǎn)生的上升氣體之間混合性不強(qiáng),爐身氣體噴吹主要對輔助風(fēng)口附近的氣體流動方向影響較大。 采用程序還原及軟熔實驗裝置,研究了傳統(tǒng)高爐與氧氣高爐中混合礦的還原及軟熔行為。在此基礎(chǔ)上,建立了傳統(tǒng)高爐與氧氣高爐爐身氣固換熱與化學(xué)反應(yīng)耦合數(shù)學(xué)模型,通過與高爐解剖及前人建立的物料平衡模型對比驗證了模型的可靠性。模擬計算結(jié)果表明,與傳統(tǒng)高爐相比,氧氣高爐熱儲備區(qū)間明顯擴(kuò)大,爐內(nèi)其他位置溫度分布與傳統(tǒng)高爐相似,爐身噴吹循環(huán)煤氣很好地解決了氧氣高爐的“上冷”問題,同時CO和H2濃度水平更高。對于不同形狀的軟熔帶而言,固體爐料溫度分布區(qū)別較小。此外,輔助風(fēng)口直徑和角度對溫度和氣體濃度分布的影響較小。 氧氣高爐中焦比的降低及爐身交替爐料問的阻力變化必然對爐內(nèi)壓差造成較大影響,因此通過三維冷態(tài)物理模型研究了焦比和交替爐料間的界面阻力對壓差的影響,同時引進(jìn)孔喉公式用來預(yù)測高爐透氣性。結(jié)果表明,隨著氣體流速和界面層數(shù)的增加,料柱整體壓差和界面壓差增大。隨著焦比的降低,界面壓差和料柱整體壓差增加,透氣性變差。此外,界面阻力和物性參數(shù)、氣體流速、界面層數(shù)之間的推導(dǎo)公式為這個公式與孔喉公式進(jìn)行結(jié)合成為壓差修正公式,不同料層厚度的實驗值與計算值對比證明了修正公式的適用性。通過計算發(fā)現(xiàn),隨著氣體流速的提高,界面空隙率產(chǎn)生輕微振蕩下降,降幅并不是很強(qiáng)烈。 自行設(shè)計了實驗裝置,并采用該裝置在300℃—700℃范圍內(nèi)分別對CO、CO-H2混合氣氛以及氧氣高爐爐頂循環(huán)煤氣加熱過程中的析碳行為進(jìn)行研究。結(jié)果表明,100%CO條件下析碳速率較緩慢析碳量較少；隨著溫度的升高,CO-H2混合氣體加熱過程中的析碳反應(yīng)速率增大,500℃和600℃時析碳最嚴(yán)重,700℃時析碳反應(yīng)減弱,提高H2含量會促進(jìn)析碳反應(yīng)；在氧氣高爐爐頂循環(huán)煤氣氣氛加熱過程中,當(dāng)溫度低于500℃時,溫度的升高可以加快析碳反應(yīng)速率,當(dāng)高于此溫度時,溫度的升高反而會抑制析碳反應(yīng)速率,CO分解反應(yīng)在析碳反應(yīng)過程中起主導(dǎo)作用。隨CO2%(體積分?jǐn)?shù))的增加,析碳反應(yīng)速率逐漸降低。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TF53
【圖文】：

Air圖2-2 二維冷態(tài)物理j8型簡圖丨47丨通過此裝置研宄了不同操作條件下爐身循環(huán)煤氣的滲透深度，以及其對循環(huán)煤氣滲透的影響。首先是對整體氣流量的變化和上排風(fēng)口的風(fēng)速以及直徑對爐身煤氣滲透影響進(jìn)行了研究，其中整體氣流量U+V為剛進(jìn)入爐身的煤氣量與爐身循環(huán)煤氣量之和，剛進(jìn)入爐身的煤氣量U主要為風(fēng)口回旋區(qū)前碳的燃燒以及直接還原產(chǎn)生的煤氣量。研究結(jié)果表明，隨著爐身噴吹氣流量的變大，爐身循環(huán)煤氣的滲透深度培加。同時發(fā)現(xiàn)，爐身總氣體流量和宜徑對滲透深度影響不大。綜上所述，氧氣高爐條件下，爐身底部噴吹循環(huán)煤氣對爐身內(nèi)部氣流分布和特定的影響較大，然而目前針對此方面的研究較少，因此，有必要針對氧氣高爐工藝特點

引起料層透氣性下降，煤氣流分布失調(diào)，給高爐的順行和長壽帶來響高爐煉鐵中，煤氣不但與礦石發(fā)生還原反應(yīng)，同時在整個起到熱量與動量相互傳遞的作用，因此煤氣流動過程中的調(diào)節(jié)作用鐵生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)|50】。在這些相互作用過程中，影響爐內(nèi)煤氣壓素眾多，其中爐料結(jié)構(gòu)和布料方式是影響高爐塊狀帶煤氣流運(yùn)動的|50]。當(dāng)?shù)V石層對煤氣阻力很大時，焦炭層總面積及分布將是決定煤狀態(tài)的主要因素一般而言壓力差是研究爐料透氣性、煤氣流分指示性參數(shù)。高斌教授等研究了爐料結(jié)構(gòu)和填充方式對壓力降的究結(jié)果表明，氣體通過散料層時，隨著粒度的增大壓力降降低較為爐料透氣性有較為明顯地提高；隨著焦炭層厚度的增加，壓力降減焦炭的增加能夠改善爐料透氣性。從以上研究可以推測出，在輯氣高焦比下降應(yīng)該必然會使壓力降增加，惡化爐料透氣性尤其是高爐爐并增加煤氣流運(yùn)阻力，因此更加有必要研宄爐料結(jié)構(gòu)對氧氣高爐條降的影響。

因此低溫促使反應(yīng)朝著有利于發(fā)生析碳反應(yīng)的方向進(jìn)行。將析碳反應(yīng)繪于Fe~0~C系平衡圖中，如圖2-4所示：/ F?304 F?....y/2r<)-<v< o2?Mm 5?? -?? ■ a/t/C圖2-4還JS條件下析x悍從θ攘ρ蜇

本文編號：2797421