碳包覆抑制铁矿粉流态化还原粘结失流研究

发布时间：2020-04-29 20:15

【摘要】：流化床反应器具有良好的传热、传质效率,应用于炼铁工艺(铁精矿预还原)中不仅可以避免使用焦炭,还可直接处理粉矿,符合资源高效利用与节能环保的要求。然而对于粒径小于0.15 mm的细矿粉,虽然其价格低廉,但因在还原过程中极易发生粘结失流,难以被现有流态化炼铁技术直接利用。在众多抑制粘结失流的措施中,采用颗粒碳包覆法操作简单、效果显著、经济性良好,具有较好的工业应用潜质,但使用此法所制得直接还原铁(DRI)产品碳含量往往过高,制约了其进一步发展。针对此问题,本文系统地研究了铁粉/铁矿粉的高温粘结行为与机理,着重考察了碳包覆对流化/失流行为的影响规律,在此基础上以降低产品碳含量为目标,对“附碳-还原”直接还原工艺进行了研究。论文主要创新点如下：ⅰ)系统地考察了铁粉在N2气氛中的流化/失流特性,发现了两种新的铁粉流化行为一聚团流化与慢速失流,并基于颗粒/团聚体的受力平衡分析,建立了可解释并预测聚团流化与慢速失流的理论模型,模型预测的平均聚团尺寸与实验结果吻合良好。研究发现,铁粉的高温粘结行为主要受颗粒团聚行为影响,温度为影响颗粒聚团的主要因素,其次是气速。当颗粒间碰撞力(Fcoll)小于粘性力(Fc)、且两者处于同一数量级时,团聚体的形成与长大会引起Fcoll的增大而对Fc无影响,使得Fcoll与Fc逐渐达到平衡。若达到此理论平衡状态时团聚体所对应的最小流化速低于操作气速,便会出现稳定的聚团流化行为,反之则会出现慢速失流。ⅱ)研究了铁矿粉在CO-H2混合气中的流化/失流特性,探明了还原气种类与组成对粘结失流的影响规律。结果表明,CO歧化分解可在颗粒外层形成碳包裹层,从而在一定程度上抑制粘结失流,使得矿粉在CO-H2混合气中的起始失流温度比纯H2气氛中高约50-150℃。此外,增大混合气中H2摩尔分率能抑制沉积碳的聚团与晶须的生成,提高碳包覆效率,从而提高起始失流温度：而提高流化温度对CO歧化附碳反应有抑制作用,会削弱碳包覆抑制粘结失流的效果。ⅲ)通过考察附碳颗粒在流化还原过程中的组成/结构演变,得到了碳包覆对流化/失流行为的影响规律。研究发现,当颗粒附碳量超过某一临界值(Ccritical)时,可明显抑制失流。提高预还原矿粉金属化率、碳包覆效率、降低流化温度可有效降低Ccritical仇,而改变流化气种类或气体组成对Ccritical值无明显影响。此外,碳包裹层的稳定性对粘结失流有明显影响,沉积碳在直接还原过程中发生碰撞磨损消耗或化学反应消耗(与FcO、CO2、H2等)会导致碳包裹层被破坏,此时即便其颗粒初始碳含量超过Gcritical值粘结失流仍会发生。ⅱⅱ)建立了降低产品碳含量的相应工艺优化原则：1)降低Gcritical值,主要通过提高预还原速率而降低附碳反应速率(如通过提高预还原温度、增大混合气中H2摩尔分率等)和适当降低高温还原操作温度；2)控制沉积碳在高温还原过程中的消耗／积累平衡,实际操作中应使矿粉碳含量维持恒定或慢速增长。在此基础上,优化了“附碳-还原”工艺,有效降低矿粉Gcritical值至2.98-3.47 wt.%,远低于文献报道值13.3 wt.%,并将DRI产品碳含量从现有研究的16.5-22.3 wt.%降低至5 wt%。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TF56

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