氢气直接还原竖炉还原段内温度场及流场研究

发布时间：2021-03-24 10:38

　　传统高炉炼铁具有能耗高、污染严重、流程长等特点,非高炉炼铁如直接还原炼铁可以摆脱对焦炭的依赖,是一种短流程炼铁的良好工艺。发展电炉炼钢需要高质量的废钢,直接还原铁为竖炉炼铁的产物,是废钢的良好替代品。对现有的竖炉炼铁工艺进行研究,主要是对MIDREX工艺进行了大量研究,针对竖炉内气流分布规律和反应热力学问题进行了分析探讨。主要对氢气理论最小需求量、标准自由能、平衡常数、热平衡进行了理论计算,推导出物料竖直方向、垂直炉壁方向的压力和不同化学反应阶段还原段内氢气和物料的温度分布式。根据MIDREX竖炉模型,采用ANSYS软件建立还原段模型,选用FLUENT对还原段内气固相传热进行了仿真模拟,得到了还原段内温度分布、气体速率和矿石属性的变化。利用FLUENT对还原段内流场进行模拟,模拟中把矿料看成多孔介质,主要从炉顶压强、炉顶直径、氢气入口温度、氢气通入量4个方面进行研究。采用响应曲面法找到各变量间的关系,根据炉顶压强、还原段入口速度与炉内压强、速度间的相互关系,得出了还原段内压强和速率的合理值,基于ANSYS遗传算法得出了还原段内气流的合理分布。 

【文章来源】：燕山大学河北省

【文章页数】：82 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题研究背景
    1.2 直接还原
        1.2.1 经典气基竖炉直接还原工艺
        1.2.2 直接还原的发展状况
    1.3 相关课题发展状况
        1.3.1 氢气竖炉还原进展
        1.3.2 直接还原温度场的研究现状
        1.3.3 直接还原流场研究进展
    1.4 课题的主要内容及价值
        1.4.1 课题的主要内容
        1.4.2 课题的研究价值
    1.5 课题的研究方法
第2章 还原段内氢气流动规律及需求量研究
    2.1 氢气竖炉的作用
    2.2 氢气流过铁矿石的运动规律
        2.2.1 多孔介质Darcy模型
        2.2.2 扩展Darcy模型
    2.3 氢气在还原段内的反应速率
    2.4 竖炉还原段内氢气的需求量
        2.4.1 竖炉直接还原过程中氢气最小需要量
        2.4.2 满足竖炉内传热所需氢气量
    2.5 物料受力分析
    2.6 本章小结
第3章 氢气直接还原竖炉还原段内温度场分析
2还原氧化铁的热力学分析">    3.1 H₂还原氧化铁的热力学分析
        3.1.1 热输入
        3.1.2 热输出
        3.1.3 竖炉收支平衡表
    3.2 标准吉布斯自由能 DG
    3.3 平衡常数K
    3.4 还原反应方向的判断
    3.5 氢气竖炉还原段内温度场求解
    3.6 氢气竖炉还原段气固传热数值模拟与分析
        3.6.1 网格划分
        3.6.2 气固传热基本方程
        3.6.3 边界条件
    3.7 还原段内气固传热数值模拟
        3.7.1 还原段内温度由瞬态达到稳态的变化
        3.7.2 不同氢气量下还原段内气固相温度变化
        3.7.3 稳态时不同位置氢气的还原速度
        3.7.4 还原段内气体体积分数变化
        3.7.5 还原段内矿石成分变化
    3.8 本章小结
第4章 氢气直接还原竖炉还原段内流场数值模拟
    4.1 计算流体动力学理论
    4.2 基本假设
    4.3 控制方程
    4.4 边界条件
    4.5 仿真结果与分析
        4.5.1 炉顶压强对流场影响
        4.5.2 炉顶出口直径对流场影响
        4.5.3 氢气通入量对还原段流场影响
        4.5.4 氢气温度对流场影响
    4.6 本章小结
第5章 基于Ansys遗传算法对还原段内流场进行优化
    5.1 基于响应曲面多因素对流场的影响分析
        5.1.1 氢气竖炉还原段内流场实验点设计
        5.1.2 多因素影响流场的响应曲面分析
    5.2 基于Design Explore的氢气竖炉还原段内流场优化
        5.2.1 优化设计理论概述
        5.2.2 遗传优化算法的实现
        5.2.3 目标函数
    5.3 优化结果
    5.4 本章小结
结论
参考文献
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]气基直接还原铁工艺还原气研究现状[J]. 董跃,乔星星,刘改换,贾江宁,耿哲荣,赵素雷,齐庆,张永发.  能源与节能. 2016(03)
[2]《冶金传输原理》课程教学手段的改进[J]. 刘然,王杏娟,艾立群,李运刚,李俊国.  教育教学论坛. 2015(27)
[3]含碳球团竖炉直接还原工艺流场仿真模拟[J]. 王重君,师学峰,郭玉峰.  中国冶金. 2015(03)
[4]浅析12m2竖炉气流分布现状及对策[J]. 毛肖肖.  中国金属通报. 2014(S1)
[5]COREX预还原竖炉煤气析碳行为分析[J]. 金明芳,吕遐平,张涛.  世界钢铁. 2012(03)
[6]宝钢COREX-3000运行现状及发展前景[J]. 朱仁良,朱锦明,宋文刚.  宝钢技术. 2011(06)
[7]对非高炉炼铁技术发展现状的综述[J]. 崔胜楠,杨吉春.  科技信息. 2011(06)
[8]直接还原铁在我国钢铁工业中的作用及前景展望[J]. 赵庆杰,李艳军,储满生,魏国,王治卿,董文献.  攀枝花科技与信息. 2010(04)
[9]球团竖炉的阻力特性研究[J]. 力杰,张浩浩,毛虎军,董辉.  工业炉. 2010(01)
[10]基于Fluent的高炉风口流场和温度场的模拟[J]. 樊勇保,李晓桥,李玲,杨东升,石奇峰.  特种铸造及有色合金. 2009(04)

硕士论文
[1]气基直接还原竖炉流场研究及优化[D]. 朴英敏.燕山大学 2013
[2]气基DRI竖炉内物料传输及温度场的研究[D]. 王健.燕山大学 2013
[3]球床多孔介质通道单相流体流动特性研究[D]. 李振鹏.哈尔滨工程大学 2009



本文编号：3097576