含碳球团的析出特性及其对转底炉内温度场和流场影响研究

发布时间：2017-10-27 12:12

  本文关键词：含碳球团的析出特性及其对转底炉内温度场和流场影响研究

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【摘要】：转底炉在处理冶金粉尘以及环境保护方面显示出良好的发展势头,具有强大的市场前景。本文从炉膛内煤气的燃烧特性和炉底料层析出特性角度,采用数值模拟手段,探究相关参数和料层的析出特性和吸热特性对炉膛的温度场、浓度场和流场等的影响规律,以期为转底炉的设计及工艺优化奠定理论基础。以某钢厂处理含锌粉尘转底炉为原型,建立了转底炉炉膛内煤气燃烧的数学模型。首先,探究了炉膛相关结构参数和进口气体工艺参数对炉膛内温度场、流场和浓度场的影响规律,通过比较得到了最佳的参数搭配组合。然后,通过实验探究了含碳球团在不同碳氧摩尔比、不同还原剂和不同升温速率下的气体析出特性和失重特性。以实验数据为依据,通过理论计算和数据拟合建立了料层直接还原过程中CO生产速率和吸热速率与炉底角度之间的关系方程。最后,将料层析出的CO和吸收的热量源项的形式加入到Fluent中,探究了整个转底炉内的温度场、流场和浓度场。得到以下主要结论:(1)转底炉内煤气的燃烧模型和辐射模型较为适宜的是非预混燃烧模型和DO辐射模型。炉膛内还原段温度最高,排料段其次,预热段温度最低。沿着炉底旋转方向,炉底的煤气速度逐渐降低而炉膛的压力逐渐升高。(2)炉膛结构参数,如烧嘴高度(h)、烧嘴倾斜角度(a)和挡墙的高度(H)对炉膛的温度场、流场和压力场影响较大。当h=0.6m或a=-16°时,在还原段出现了局部温度过高现象。挡墙可以减轻各段之间温度和压力的相互干扰,且挡墙越低排料段和还原段的炉膛压力越高。通过比较得出,h=0.8m、a=16°和H=0.6m时炉膛内的温度场、流场和压力场比较合理。(3)空气过剩系数(n)、空气预热温度(T)和煤气的流量(Q)对炉膛温度的影响同样较大。比较n=1、1.05、1.1和1.15的计算结果得出,当n=1.05时炉膛温度最高。比较T=300K、573K、673K和773K的计算结果得出,空气的预热温度越高炉膛温度越高,且空气预热温度每增加100K出口烟气的平均温度增加10K左右。同样,煤气流量越高炉膛的温度越高。(4)含碳球团内的布多尔反应的开始温度在810℃左右,碳氧摩尔比对其几乎无影响。对于铁精矿加焦炭含碳球团,C/O=1.2比C/O=1.0最终失重率要高。在C/O=1.0的条件下,升温速率越快的含碳球团最终的失重率越低。在相同条件下,配焦炭比配无烟煤含碳球团的还原效果好。(5)料层产生的CO主要集中在炉底加热段和还原段的外侧。排料段和还原段O2的浓度非常低,这有助于防止被还原金属的二次氧化。由于料层产生的CO和排料段与还原段未燃烧的CO在加热段与过剩的空气充分燃烧,导致还原段高温区域向加热段扩展。
【关键词】：转底炉 含碳球团 析出特性 数值模拟
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X757
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-24
• 1.1 转底炉煤基直接还原工艺10-17
• 1.1.1 FASTMET工艺11-12
• 1.1.2 Inmetco工艺12
• 1.1.3 ITmk3工艺12-13
• 1.1.4 DRyIron工艺13-14
• 1.1.5 Comet工艺14-15
• 1.1.6 转底炉煤基热风熔融炼铁工艺15-16
• 1.1.7 转底炉直接还原工艺的优劣16-17
• 1.2 转底炉处理冶金粉尘17-18
• 1.3 转底炉冶炼钒钛铁精矿18-19
• 1.4 转底炉国内外研究现状19-22
• 1.5 研究的目的和内容22-24
• 2 转底炉内煤气燃烧特性数值模拟研究24-58
• 2.1 转底炉内燃烧模拟的控制方程组的建立24-27
• 2.1.1 流体力学的连续性方程24-25
• 2.1.2 流体力学的动量方程25
• 2.1.3 流体力学的能量方程25
• 2.1.4 化学组分守恒方程25-26
• 2.1.5 气体湍流模型26-27
• 2.2 模型的选择27-29
• 2.2.1 燃烧模型27-28
• 2.2.2 辐射模型28-29
• 2.3 转底炉炉膛几何建模及网格划分29-32
• 2.3.1 转底炉炉膛几何建模29-30
• 2.3.2 网格划分30-32
• 2.4 边界条件和基本假设32-34
• 2.4.1 边界条件32-33
• 2.4.2 基本假设33-34
• 2.5 数值求解方法和流程图34
• 2.6 数值模拟结果及分析34-55
• 2.6.1 不同燃烧模型对转底炉温度场的影响34-36
• 2.6.2 不同辐射模型对转底炉温度场和流场的影响36-38
• 2.6.3 相关结构参数对炉膛温度场和流场的影响38-48
• 2.6.4 进口气体工艺参数对炉膛温度场和浓度场的影响48-55
• 2.7 本章小结55-58
• 3 含碳球团析出特性实验研究58-82
• 3.1 实验原料特性58-59
• 3.2 需碳量计算59-60
• 3.3 实验装置和实验步骤60-63
• 3.3.1 实验装置60-62
• 3.3.2 实验步骤62-63
• 3.4 实验结果与分析63-70
• 3.4.1 无烟煤与焦炭热实验结果及分析63-64
• 3.4.2 铁精矿含碳球团实验结果及分析64-69
• 3.4.3 除尘灰含碳球团实验结果及分析69-70
• 3.5 料层CO生产速率和吸热速率方程的建立70-80
• 3.5.1 质量流量与料层堆密度的计算70-71
• 3.5.2 牛顿—柯特斯积分原理71-72
• 3.5.3 料层CO生产速率方程的建立72-76
• 3.5.4 料层还原吸热速率方程的建立76-80
• 3.6 本章小结80-82
• 4 含球团析出特性对炉膛内温度场和流场影响数值模拟研究82-94
• 4.1 控制方程组的建立82-84
• 4.1.1 多孔介质模型82-83
• 4.1.2 源项83-84
• 4.2 模型的建立及网格化分84-85
• 4.3 边界条件和基本假设85
• 4.3.1 边界条件85
• 4.3.2 基本假设85
• 4.4 数值模拟结果及分析85-92
• 4.5 本章小结92-94
• 5 结论94-96
• 致谢96-98
• 参考文献98-102
• 附录102-103
• A. 铁精矿—焦炭含碳球团料层的UDF程序代码102-103

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