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锥形流化床中细铁粉矿直接还原过程强化
何盛一
学位类型博士
导师朱庆山
2017-07
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点北京
学位专业化学工程
关键词锥形流化床 细铁精矿粉 直接还原 粘结失流 过程强化
摘要

流化床作为主体反应器用于炼铁工艺中,除具有非高炉炼铁工艺所共有的优势——摆脱对冶金焦的依赖以外,还具有可以直接利用粉矿,气固接触效率高,传质传热快等优点,从而被认为是最高效的直接还原流程反应器。但是,铁矿粉在流态化直接还原过程中存在的粘结失流问题严重阻碍了流态化工艺的连续稳定运行。尤其是粒径小于100μm的细铁精矿粉,虽然此类矿粉在我国具有更高的产量和更低的价格,并且使用过程中具有更快的反应动力学性能,但是因为极易发生粘结失流,而难以应用于流态化直接还原过程中。针对上述问题,本文采用锥形流化床,解决了小于100 μm细铁精矿粉直接还原过程中的失流问题,并系统研究了防止失流的机理,考察了锥形流化床设计参数对细铁粉矿直接还原过程中流化行为的影响,通过锥形流化床低温预还原造粒-高温深还原的“两步法”工艺,进一步实现细铁粉矿直接还原过程强化,取得的主要创新性成果如下:(1)对比了细铁粉矿在锥形流化床和普通柱形流化床内的流化行为和还原性能。研究发现,在柱形流化床内,该粒级的细铁精矿粉由于终端气速的限制,只能在不超过700 oC的温度范围内实现稳定流化,当温度高于700 oC时,将会在金属化率40.0%以下发生失流;而采用锥形流化床,可以将细铁精矿粉的直接还原温度提升至800 oC而不发生失流。在较高的温度和气速下,细铁精矿粉的还原速率大幅度提高,可以在20 min内得到金属化率高于90.0%的直接还原铁产品。锥形流化床可以在不添加任何惰性物质的前提下,防止细铁粉矿直接还原过程中的失流问题,为强化直接还原过程提供了一种清洁、高效的方法。(2)发现了锥形流化床内,H2还原气氛下,直接还原铁表面晶须的生长规律,并分析了其生长机理。与现有研究结果不同,本文结果证实,H2气氛并非抑制铁晶须生长的充分条件;而铁晶须在H2条件下是否生长,与还原气中H2含量,流化气速,操作温度等均有关系。研究发现,H2含量越低,气速越小,还原温度越高,越容易生成晶须状形貌。进一步分析证实,只有当还原速率相比颗粒表面铁原子扩散速率占优时,才能够消除铁晶须的生长。锥形流化床内采用高气速还原,可以有效抑制高温下巴西精矿表面晶须的生长,从而调控直接还原铁表面形貌,实现防止失流的目的。(3)系统研究了锥形流化床内直接还原铁颗粒的团聚行为,结果表明,细铁粉矿在粘性作用下自造粒生成团聚体,发现了三种不同的团聚行为,分别为聚团的快速形成、稳定生长和二次团聚,其中二次团聚行为国内外未见报道。分析了二次团聚行为的产生机理,发现此特殊团聚行为与锥形流化床特殊流体力学性质有关,当颗粒进入部分流化状态,在锥形床边壁环隙处,所受到的破碎力将大幅降低,从而导致二次聚团现象。进一步研究发现,二次聚团是导致锥形流化床逐渐失流的主要原因;而将团聚体尺寸控制在完全流化流域内,可以实现长时间稳定的聚团流态化。明晰了聚团形成与生长规律,为了解锥形流化床失流机理以及优化操作提供了基础。(4)考察了锥形流化床的设计参数(床高、锥角)对细铁矿粉直接还原过程中流化行为的影响。发现随着锥角和床高的增加,细铁粉矿的流化时间及金属化率都会有所下降,防止失流所需的底部流速相应增加。建立了修正聚团流化模型,深入分析了流化床内细铁精矿粉在直接还原过程中的受力,解释了流化床内不同阶段的聚团流化行为。将该模型应用于预测不同设计参数下的临界流化气速,与实验值吻合良好,对直接还原锥形流化床设计提供指导。(5)探究了锥形流化床预还原自造粒-高温深还原的“两步法”细铁粉矿直接还原强化工艺。探究了不同预还原条件对高温深还原阶段流化行为的影响,发现降低体系内单颗粒比例是防止高温失流的主要原因。高温还原结果显示,经过预还原自造粒后的粉体可以在高达900 oC的温度下稳定流化。仅需流化10min,细铁矿粉的金属化率即可超过90.0%,单程气体利用率超过20.0%。相比“一步法”工艺,总的还原时间可以降低50.0%以上,即相同气体停留时间下的气体利用率可以提高100%以上。“两步法”工艺可以大幅度提高工艺的直接还原效率,进一步强化细铁粉矿直接还原过程。

语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/24300
专题研究所(批量导入)
推荐引用方式
GB/T 7714
何盛一. 锥形流化床中细铁粉矿直接还原过程强化[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2017.
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