废气循环烧结质热传输过程数值模拟及其应用

发布时间：2018-02-12 01:12

本文关键词： 废气循环烧结质热传输实验研究数值模拟工业应用　出处：《北京科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：烧结工艺是目前最重要的生产人造富铁矿的造块技术之一,其目的是把精矿粉在高温下熔结成矿块,以作为高炉炼铁的原料使用。在长期的生产实践中,人们发现：经过选矿、烧结处理的人造富铁矿相比于天然矿石,其铁含量更高、孔隙率更大、更易还原、有害杂质更少、含碱性熔剂等优点,能显著地提高高炉生产率,降低焦比,在世界上得到了广泛地应用。与传统的冷风和热风烧结工艺相比,废气循环烧结工艺不仅可以将更多的环冷机冷却热风用于发电,同时还可显著降低烧结机本身的烟气排放量,是同时具备节能和减排双重效益的新技术之一,已受到世界各国钢铁界的高度重视。但是该技术也会带来一些直接变化,如助燃气温度升高,物理热增大,用量随之减小；助燃气O2含量降低,CO2含量升高并含有微量CO；烟气中的尘埃杂质和SOx等污染物回流到烧结料层中等。上述变化必将改变传统烧结过程中的物理化学反应,并进而影响烧结烟气的排放规律及工艺的产质量指标。为充分论证废气循环烧结工艺的技术优势,本文以国内某公司的430m2废气循环烧结系统为研究对象,重点研究了循环气体对烧结燃烧特性的影响,在热重和烧结杯等机理实验研究的基础上,开发了包含水分迁移、焦炭燃烧、熔剂分解、铁氧化物还原与再氧化、矿物熔化与固结、气相组分间反应等复杂物理化学变化的烧结质热耦合传输过程数学模型,并进行了详细的参数优化研究,进而将数值模拟研究成果指导工业生产,取得了良好的应用效果。综合本文所作工作,主要研究内容包括以下几个方面：(1)研究了三种重要的烧结用原料的化学反应特性。基于热重实验,不仅全面分析了不同反应条件下焦炭、石灰石和白云石等三种烧结用原料的失重曲线,采用Flynn-Wall-Ozawa法计算了样品的反应动力学参数,还量化了反应气氛和粒度对反应起始温度Tini、活化能Er和指前因子Ar的影响。本文对上述反应特性参数的针对性测定,有效避免了以往烧结过程模拟研究中参数来源杂、取值过于经验化的弊端,为本文后续开展准确的废气循环烧结质热耦合传输过程数值模拟工作提供了关键的基础参数。(2)基于废气循环工艺开展了烧结杯实验研究。利用自行搭建的中试实验平台,在控制实验原始条件一致的前提下,着眼于对烧结过程及质量影响最显著的两大热工参数,即循环气体的温度和O2含量,开展了深入细致的烧结杯实验研究,并对比了废气循环与传统烧结之间的差异。实验中,参数的取值在考虑了实验室条件限制时,尽可能接近实际生产,研究结果对于新工艺的工业应用具有重要的指导意义。同时,料层温度曲线、烟气成分曲线的连续测定,为本文后续数学模型的准确性验证提供了依据。(3)基于多孔介质、固态混合多相和缩核反应模型等基础理论,对铁矿石烧结质热传输过程进行了解析,开发了物理意义更加明确、化学反应更加具体、传热方式更加完整的废气循环烧结过程数学模型。该模型对于深刻揭示废气循环烧结过程质热耦合、多反应耦合的传输机理,是一大完善和突破：不仅考虑了相对完整的非均相反应和均相反应,还考虑了因士述反应导致的料层几何结构参数的变化；不仅考虑了气-固之间／内部的对流换热和导热,还考虑了固相之间的辐射换热；不仅考虑了原料初始粒度分布对反应子模型总体反应速率的修正,还考虑了高温液相包覆对燃烧、热分解反应速率的修正。相比于传统烧结(冷风烧结)的数值模拟,均相反应的考虑,对于建立准确的废气循环烧结模型至关重要。通过将预测结果和实验值之间的仝面对比,相对误差基本控制在5%以内,从而证明了本文数学模型的正确可靠性。(4)提出了废气循环烧结工艺的主要热工参数的优化调控策略。以研究系统的设备参数和生产参数作为输入条件,揭示了循环气体温度、O2含量和供风量等主要热工参数对废气循环烧结过程燃烧特性的影响规律,并提出丫上述参数的最佳取值范围,即02含量控制19～20 vo1.%之间、温度控制200-C左右、供风量相比同产能的冷风烧结工艺提升3.33%左右。同时,引用敏感性系数S,提出了优先调整循环气体O2含量,其次温度,最后供风量的参数优化调控策略。此外,模拟结果证实了废气循环工艺具有降低焦炭配比3.34%的巨大节能潜力,可创造每年443万元的经济效益。(5)在理论研究的基础上,将废气循环烧结质热传输过程数学模型应用于实际生产。基于数值模拟的基本结论指导生产,通过现场大量实测数据的统计与分析,从热-质平衡、产质量指标、余热利用率、能源消耗、烟气及污染物减排、综合节能等角度进行全面的评估,深入论证了废气循环烧结工艺的提质增产和节能减排效益。以1000t/h产能为例,当设定循环率为25%时,实现烧结矿燃料单耗降低4%(质量不受影响),系统余热回收效率提升至36.65%,主烟道烧结烟气减排率达22.32%(即每年251,1107Nm3),CO2、 CO、NOx口SO2的减排量分别达每年43,900、535、1000和615吨,综合节能折合标煤达每年11,130吨,创造直接经济效益约800万元。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK124

【参考文献】