本文關(guān)鍵詞：氧氣高爐煉鐵基礎(chǔ)理論與工藝優(yōu)化研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：爐頂煤氣循環(huán)的氧氣高爐(TGR-OBF)工藝作為一種富有前景的煉鐵新工藝,具有生產(chǎn)率高、噴煤比高、燃料比低和CO2排放量低等優(yōu)勢(shì)。但是采用高富氧大噴煤以及爐頂煤氣循環(huán)操作后,一方面由于缺乏新工藝的非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型做指導(dǎo),整體工藝的復(fù)雜性增加了現(xiàn)場(chǎng)操作的難度,惡化了生產(chǎn)指標(biāo)；另一方面,缺乏對(duì)于“高爐—熱風(fēng)爐—頂氣循環(huán)”整體系統(tǒng)的合理布局和優(yōu)化配置,這也對(duì)生產(chǎn)造成一定程度的盲目性和不可預(yù)知性。經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研還發(fā)現(xiàn),在氧氣高爐的諸多工藝模型計(jì)算中所采用的熱力學(xué)數(shù)據(jù)大都不能滿足鐵氧化物還原反應(yīng)優(yōu)勢(shì)區(qū)圖的熱力學(xué)限制性條件,給工藝平衡計(jì)算造成不確定影響,且近年來(lái)對(duì)于鐵氧化物逐級(jí)還原機(jī)理的爭(zhēng)議常見(jiàn)諸國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊,這動(dòng)搖了氧氣高爐動(dòng)力學(xué)模擬所依賴的理論基礎(chǔ)。本文通過(guò)約束性擬合和差熱實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證給出了精確的優(yōu)勢(shì)區(qū)圖曲線及其熱力學(xué)數(shù)據(jù)�？紤]時(shí)間、氣氛和壓力等因素,根據(jù)多界面未反應(yīng)核模型對(duì)氧氣高爐爐身限制性環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬,得出了爐身間接還原度與爐腹還原性氣體的含量近似呈線性關(guān)系的結(jié)論。以氧氣高爐、熱風(fēng)爐和爐頂CO2脫除所組成的系統(tǒng)為研究對(duì)象,考慮限制性環(huán)節(jié)的動(dòng)力學(xué)約束、爐身氣體燃燒的化學(xué)平衡和氣體物理性質(zhì)的自洽性,建立了氧氣高爐非穩(wěn)態(tài)和多目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型。舉例闡述了TGR-OBF工藝非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中各種工藝參數(shù)的變化以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的變化。通過(guò)對(duì)氧氣高爐煉鐵的基礎(chǔ)理論以及TGR-OBF工藝的非穩(wěn)態(tài)解析和多目標(biāo)優(yōu)化,最終獲得以下主要結(jié)論：(1)CO和H2還原鐵氧化物的三相點(diǎn)溫度均為576℃,CO和H2還原能力大小的轉(zhuǎn)換溫度點(diǎn)為819℃：確定了鐵氧化物被CO和H2還原的吉布斯自由能隨溫度變化的16個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式和8個(gè)298K時(shí)的反應(yīng)焓變；赤鐵礦還原反應(yīng)機(jī)理是依賴于溫度的變化而變化,在較低溫度時(shí)發(fā)生兩步反應(yīng),在較高溫度時(shí)發(fā)生三步反應(yīng),等溫過(guò)程中的機(jī)理轉(zhuǎn)換臨界點(diǎn)為576℃,非等溫過(guò)程浮士體出現(xiàn)與否的轉(zhuǎn)化溫度并非576℃,這是由于升溫速率的改變而發(fā)生不同程度的延遲效果；通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究闡明了非化學(xué)計(jì)量比對(duì)鐵氧化物還原的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的影響。(2)開(kāi)發(fā)出了“多界面未反應(yīng)核數(shù)學(xué)模擬”軟件平臺(tái),根據(jù)單界面未反應(yīng)核數(shù)學(xué)模擬,當(dāng)氧氣高爐的冶煉強(qiáng)度與基準(zhǔn)期普通熱風(fēng)高爐相同時(shí),對(duì)應(yīng)于鼓風(fēng)含氧率為22.2%、40%、60%、80%和100%的不同操作工藝,爐身間接還原度分別為0.53、0.64、0.68、0.73和0.81,當(dāng)調(diào)整下料速度使氧氣高爐與普通高爐具有相同的間接還原度時(shí),富氧率越高所需還原時(shí)間越短,相對(duì)應(yīng)的不同氧氣高爐的利用系數(shù)分別為2.00t·d-1·m-3、 2.83t·d-1·m-3、26 t·d-1·m-3、3.84t·d-1·m-3和5.02 t.d-1·m-3。(3)開(kāi)發(fā)出了"TGR-OBF工藝的非穩(wěn)態(tài)解析與多目標(biāo)優(yōu)化”軟件平臺(tái),根據(jù)對(duì)傳統(tǒng)熱風(fēng)高爐的計(jì)算結(jié)果,該工藝焦比337kg/t,煤比198kg/t,碳素消耗425kg/t,干燃料比為523kg/t,第一種熱損失4.10%,熱空區(qū)溫度為980℃,理論燃燒溫度2032℃,兩種能量消耗分別為519kgce/t和377kgce/t,兩種(?)消耗分別為15.63GJ/t和11.96GJ/t,系統(tǒng)的(?)效率為77%。(4)采用三維系統(tǒng)優(yōu)化方法明確了TGR-OBF工藝中6個(gè)操作參數(shù)對(duì)全系統(tǒng)碳素消耗和第一(?)耗指標(biāo)的影響。以鼓風(fēng)溫度和含氧率為自變量時(shí)碳素消耗的變化為例,其三維函數(shù)關(guān)系為非線性的,碳素消耗降低的方向?yàn)閲@原點(diǎn)的弧形輻射狀。固定鼓風(fēng)含氧率時(shí),鼓風(fēng)溫度越高,則碳素消耗越低；固定鼓風(fēng)溫度時(shí),隨著鼓風(fēng)含氧率的增加碳素消耗非線性地先增后減�！案谎趼省娘L(fēng)溫度—第一(?)耗”三維系統(tǒng)的輪廓與碳素消耗作目標(biāo)函數(shù)時(shí)相似,第一炯耗的最低點(diǎn)出現(xiàn)在高鼓風(fēng)溫度和高富氧條件下。(5)優(yōu)選出的TGR-OBF工藝最低碳素消耗可至289kg/t,低于普通高爐的理論最低碳素消耗水平。綜合考慮的TGR-OBF工藝焦比150kg/t,煤比237kg/t,碳素消耗為300kg/t,比普通熱風(fēng)高爐降低125kg/t,兩種(?)耗指標(biāo)分別為12.34 GJ/t和11.96 GJ/t,第一炯耗低于普通高爐3.29GJ/t,第二(?)耗與普通高爐的數(shù)據(jù)持平。該工藝既可降低碳素消耗,又能抵消頂氣脫除CO2的(?)耗,系統(tǒng)的(?)效率為85%。此外,由于大量的CO氣體在爐內(nèi)循環(huán)以及爐頂C02脫除裝置的有效運(yùn)轉(zhuǎn),工藝的C02排放量?jī)H為71 m3/t,較之傳統(tǒng)熱風(fēng)高爐CO2減排約90%,節(jié)約焦炭而降低的污染物排放也很可觀。
【關(guān)鍵詞】：氧氣高爐 數(shù)學(xué)模型 熱力學(xué) 動(dòng)力學(xué) 多目標(biāo)優(yōu)化 (?)分析
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TF53
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 緒論14-28
• 1.1 引言14
• 1.2 課題研究背景14-25
• 1.2.1 氧氣高爐煉鐵基礎(chǔ)理論14-18
• 1.2.2 氧氣高爐煉鐵工藝概述18-24
• 1.2.3 氧氣高爐工藝的發(fā)展前景24-25
• 1.3 主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)25-28
• 1.3.1 主要研究?jī)?nèi)容25-26
• 1.3.2 創(chuàng)新點(diǎn)26-28
• 第2章 文獻(xiàn)綜述28-50
• 2.1 鐵氧化物還原的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)28-32
• 2.1.1 熱力學(xué)數(shù)據(jù)28-30
• 2.1.2 動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)30-31
• 2.1.3 非化學(xué)計(jì)量比的影響31-32
• 2.2 氧氣高爐工藝的基礎(chǔ)研究32-35
• 2.2.1 氧氣高爐動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究32-33
• 2.2.2 氧氣高爐的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型33-35
• 2.3 氧氣高爐工藝的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模擬35-38
• 2.3.1 一維氧氣高爐數(shù)學(xué)模擬35-36
• 2.3.2 二維氧氣高爐數(shù)學(xué)模擬36-37
• 2.3.3 三維氧氣高爐數(shù)學(xué)模擬37-38
• 2.4 氧氣高爐工藝的優(yōu)化分析38-48
• 2.4.1 熱力學(xué)第一定律的能量分析38-39
• 2.4.2 氧氣高爐工藝的多目標(biāo)優(yōu)化39-40
• 2.4.3 熱力學(xué)第二定律的(?)分析40-48
• 2.5 本章小結(jié)48-50
• 第3章 鐵氧化物還原熱力學(xué)的再研究50-66
• 3.1 優(yōu)勢(shì)區(qū)圖的重構(gòu)50-56
• 3.1.1 熱力學(xué)計(jì)算模型50-51
• 3.1.2 熱力學(xué)計(jì)算的程序界面51-52
• 3.1.3 優(yōu)勢(shì)區(qū)圖的熱力學(xué)統(tǒng)一性52-54
• 3.1.4 基于Lingo的數(shù)據(jù)擬合54-56
• 3.2 非化學(xué)計(jì)量對(duì)優(yōu)勢(shì)區(qū)圖的影響56-61
• 3.2.1 對(duì)磁鐵礦區(qū)域的影響57-59
• 3.2.2 對(duì)浮氏體區(qū)域的影響59-60
• 3.2.3 對(duì)還原實(shí)驗(yàn)的影響60-61
• 3.3 差熱熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)61-65
• 3.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方案61-62
• 3.3.2 優(yōu)勢(shì)區(qū)圖熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)62-64
• 3.3.3 非化學(xué)計(jì)量比的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證64-65
• 3.4 本章小結(jié)65-66
• 第4章 氧氣高爐內(nèi)鐵氧化物還原動(dòng)力學(xué)66-100
• 4.1 鐵氧化物還原的本征動(dòng)力學(xué)66-74
• 4.1.1 本征動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介66
• 4.1.2 非等溫動(dòng)力學(xué)原理66-68
• 4.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論68-72
• 4.1.4 鐵氧化物逐級(jí)還原規(guī)律72-74
• 4.2 鐵氧化物還原的宏觀動(dòng)力學(xué)74-87
• 4.2.1 單界面模型74-79
• 4.2.2 界面模型79-83
• 4.2.3 三界面模型83-85
• 4.2.4 還原氣條件85-86
• 4.2.5 非化學(xué)計(jì)量比的影響86-87
• 4.3 氧氣高爐限制性環(huán)節(jié)的動(dòng)力學(xué)87-97
• 4.3.1 限制性環(huán)節(jié)概述87-89
• 4.3.2 動(dòng)力學(xué)模擬89-92
• 4.3.3 限制性環(huán)節(jié)的動(dòng)力學(xué)模擬92-97
• 4.4 本章小結(jié)97-100
• 第5章 TGR-OBF工藝的數(shù)學(xué)模型100-128
• 5.1 非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型100-119
• 5.1.1 模型的基本條件100-103
• 5.1.2 非穩(wěn)態(tài)模型的建立103-119
• 5.2 多目標(biāo)優(yōu)化模型119-120
• 5.2.1 自變量和目標(biāo)函數(shù)119-120
• 5.2.2 優(yōu)化模型的建立120
• 5.3 軟件平臺(tái)的搭建120-127
• 5.3.1 計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)120-122
• 5.3.2 軟件界面122-125
• 5.3.3 程序的調(diào)試與驗(yàn)證125-127
• 5.4 本章小結(jié)127-128
• 第6章 TGR-OBF藝的解析與優(yōu)化128-172
• 6.1 非穩(wěn)態(tài)過(guò)程的解析128-134
• 6.1.1 工藝的局部循環(huán)128-130
• 6.1.2 工藝的整體循環(huán)130-134
• 6.2 穩(wěn)態(tài)過(guò)程的解析134-142
• 6.2.1 穩(wěn)態(tài)工藝參數(shù)134-137
• 6.2.2 熱空區(qū)溫度137-138
• 6.2.3 物料平衡與熱平衡138-140
• 6.2.4 能量流與炯流140-142
• 6.3 穩(wěn)態(tài)過(guò)程的多目標(biāo)優(yōu)化142-165
• 6.3.1 富氧率和鼓風(fēng)溫度作自變量144-148
• 6.3.2 富氧率和爐身分配比作自變量148-152
• 6.3.3 富氧率和爐身返回溫度作自變量152-154
• 6.3.4 富氧率和爐缸分配比作自變量154-155
• 6.3.5 富氧率和爐缸返回溫度作自變量155-156
• 6.3.6 優(yōu)化結(jié)果的討論156-165
• 6.4 優(yōu)化結(jié)果的可行性分析165-170
• 6.4.1 非穩(wěn)態(tài)過(guò)程解析165-167
• 6.4.2 物料平衡與熱平衡167-169
• 6.4.3 能量流與(?)流169-170
• 6.5 本章小結(jié)170-172
• 第7章 結(jié)論172-174
• 參考文獻(xiàn)174-184
• 致謝184-186
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表成果186-188
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷與榮譽(yù)188-190
• 論文包含圖、表、公式及文獻(xiàn)190

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條

1 白晨光;黃潤(rùn);邱貴寶;于要偉;潘成;毛磊;;高鈦型高爐渣流變特性模擬實(shí)驗(yàn)[J];重慶大學(xué)學(xué)報(bào);2011年03期

2 張建良;楊廣慶;國(guó)宏偉;邵久剛;李健;文永才;;含釩鈦鐵礦球團(tuán)還原過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)變化[J];北京科技大學(xué)學(xué)報(bào);2013年01期

3 張偉;張菊花;李強(qiáng);鄒宗樹(shù);;鐵氧化物氣固還原反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)區(qū)圖[J];東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2013年10期

  本文關(guān)鍵詞：氧氣高爐煉鐵基礎(chǔ)理論與工藝優(yōu)化研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

，

本文編號(hào)：411489