本文關(guān)鍵詞： 廢氣循環(huán)燒結(jié) 質(zhì)熱傳輸 實驗研究 數(shù)值模擬 工業(yè)應用　出處：《北京科技大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：燒結(jié)工藝是目前最重要的生產(chǎn)人造富鐵礦的造塊技術(shù)之一,其目的是把精礦粉在高溫下熔結(jié)成礦塊,以作為高爐煉鐵的原料使用。在長期的生產(chǎn)實踐中,人們發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過選礦、燒結(jié)處理的人造富鐵礦相比于天然礦石,其鐵含量更高、孔隙率更大、更易還原、有害雜質(zhì)更少、含堿性熔劑等優(yōu)點,能顯著地提高高爐生產(chǎn)率,降低焦比,在世界上得到了廣泛地應用。與傳統(tǒng)的冷風和熱風燒結(jié)工藝相比,廢氣循環(huán)燒結(jié)工藝不僅可以將更多的環(huán)冷機冷卻熱風用于發(fā)電,同時還可顯著降低燒結(jié)機本身的煙氣排放量,是同時具備節(jié)能和減排雙重效益的新技術(shù)之一,已受到世界各國鋼鐵界的高度重視。但是該技術(shù)也會帶來一些直接變化,如助燃氣溫度升高,物理熱增大,用量隨之減��；助燃氣O2含量降低,CO2含量升高并含有微量CO；煙氣中的塵埃雜質(zhì)和SOx等污染物回流到燒結(jié)料層中等。上述變化必將改變傳統(tǒng)燒結(jié)過程中的物理化學反應,并進而影響燒結(jié)煙氣的排放規(guī)律及工藝的產(chǎn)質(zhì)量指標。為充分論證廢氣循環(huán)燒結(jié)工藝的技術(shù)優(yōu)勢,本文以國內(nèi)某公司的430m2廢氣循環(huán)燒結(jié)系統(tǒng)為研究對象,重點研究了循環(huán)氣體對燒結(jié)燃燒特性的影響,在熱重和燒結(jié)杯等機理實驗研究的基礎(chǔ)上,開發(fā)了包含水分遷移、焦炭燃燒、熔劑分解、鐵氧化物還原與再氧化、礦物熔化與固結(jié)、氣相組分間反應等復雜物理化學變化的燒結(jié)質(zhì)熱耦合傳輸過程數(shù)學模型,并進行了詳細的參數(shù)優(yōu)化研究,進而將數(shù)值模擬研究成果指導工業(yè)生產(chǎn),取得了良好的應用效果。綜合本文所作工作,主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：(1)研究了三種重要的燒結(jié)用原料的化學反應特性�；跓嶂貙嶒�,不僅全面分析了不同反應條件下焦炭、石灰石和白云石等三種燒結(jié)用原料的失重曲線,采用Flynn-Wall-Ozawa法計算了樣品的反應動力學參數(shù),還量化了反應氣氛和粒度對反應起始溫度Tini、活化能Er和指前因子Ar的影響。本文對上述反應特性參數(shù)的針對性測定,有效避免了以往燒結(jié)過程模擬研究中參數(shù)來源雜、取值過于經(jīng)驗化的弊端,為本文后續(xù)開展準確的廢氣循環(huán)燒結(jié)質(zhì)熱耦合傳輸過程數(shù)值模擬工作提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)參數(shù)。(2)基于廢氣循環(huán)工藝開展了燒結(jié)杯實驗研究。利用自行搭建的中試實驗平臺,在控制實驗原始條件一致的前提下,著眼于對燒結(jié)過程及質(zhì)量影響最顯著的兩大熱工參數(shù),即循環(huán)氣體的溫度和O2含量,開展了深入細致的燒結(jié)杯實驗研究,并對比了廢氣循環(huán)與傳統(tǒng)燒結(jié)之間的差異。實驗中,參數(shù)的取值在考慮了實驗室條件限制時,盡可能接近實際生產(chǎn),研究結(jié)果對于新工藝的工業(yè)應用具有重要的指導意義。同時,料層溫度曲線、煙氣成分曲線的連續(xù)測定,為本文后續(xù)數(shù)學模型的準確性驗證提供了依據(jù)。(3)基于多孔介質(zhì)、固態(tài)混合多相和縮核反應模型等基礎(chǔ)理論,對鐵礦石燒結(jié)質(zhì)熱傳輸過程進行了解析,開發(fā)了物理意義更加明確、化學反應更加具體、傳熱方式更加完整的廢氣循環(huán)燒結(jié)過程數(shù)學模型。該模型對于深刻揭示廢氣循環(huán)燒結(jié)過程質(zhì)熱耦合、多反應耦合的傳輸機理,是一大完善和突破：不僅考慮了相對完整的非均相反應和均相反應,還考慮了因士述反應導致的料層幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化；不僅考慮了氣-固之間／內(nèi)部的對流換熱和導熱,還考慮了固相之間的輻射換熱；不僅考慮了原料初始粒度分布對反應子模型總體反應速率的修正,還考慮了高溫液相包覆對燃燒、熱分解反應速率的修正。相比于傳統(tǒng)燒結(jié)(冷風燒結(jié))的數(shù)值模擬,均相反應的考慮,對于建立準確的廢氣循環(huán)燒結(jié)模型至關(guān)重要。通過將預測結(jié)果和實驗值之間的仝面對比,相對誤差基本控制在5%以內(nèi),從而證明了本文數(shù)學模型的正確可靠性。(4)提出了廢氣循環(huán)燒結(jié)工藝的主要熱工參數(shù)的優(yōu)化調(diào)控策略。以研究系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)和生產(chǎn)參數(shù)作為輸入條件,揭示了循環(huán)氣體溫度、O2含量和供風量等主要熱工參數(shù)對廢氣循環(huán)燒結(jié)過程燃燒特性的影響規(guī)律,并提出丫上述參數(shù)的最佳取值范圍,即02含量控制19～20 vo1.%之間、溫度控制200-C左右、供風量相比同產(chǎn)能的冷風燒結(jié)工藝提升3.33%左右。同時,引用敏感性系數(shù)S,提出了優(yōu)先調(diào)整循環(huán)氣體O2含量,其次溫度,最后供風量的參數(shù)優(yōu)化調(diào)控策略。此外,模擬結(jié)果證實了廢氣循環(huán)工藝具有降低焦炭配比3.34%的巨大節(jié)能潛力,可創(chuàng)造每年443萬元的經(jīng)濟效益。(5)在理論研究的基礎(chǔ)上,將廢氣循環(huán)燒結(jié)質(zhì)熱傳輸過程數(shù)學模型應用于實際生產(chǎn)。基于數(shù)值模擬的基本結(jié)論指導生產(chǎn),通過現(xiàn)場大量實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析,從熱-質(zhì)平衡、產(chǎn)質(zhì)量指標、余熱利用率、能源消耗、煙氣及污染物減排、綜合節(jié)能等角度進行全面的評估,深入論證了廢氣循環(huán)燒結(jié)工藝的提質(zhì)增產(chǎn)和節(jié)能減排效益。以1000t/h產(chǎn)能為例,當設(shè)定循環(huán)率為25%時,實現(xiàn)燒結(jié)礦燃料單耗降低4%(質(zhì)量不受影響),系統(tǒng)余熱回收效率提升至36.65%,主煙道燒結(jié)煙氣減排率達22.32%(即每年251,1107Nm3),CO2、 CO、NOx口SO2的減排量分別達每年43,900、535、1000和615噸,綜合節(jié)能折合標煤達每年11,130噸,創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益約800萬元。
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【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TK124

【參考文獻】

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本文編號：1504446