氧气高炉炼铁基础理论与工艺优化研究

发布时间：2017-06-01 03:16

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【摘要】：炉顶煤气循环的氧气高炉(TGR-OBF)工艺作为一种富有前景的炼铁新工艺,具有生产率高、喷煤比高、燃料比低和CO2排放量低等优势。但是采用高富氧大喷煤以及炉顶煤气循环操作后,一方面由于缺乏新工艺的非稳态数学模型做指导,整体工艺的复杂性增加了现场操作的难度,恶化了生产指标；另一方面,缺乏对于“高炉—热风炉—顶气循环”整体系统的合理布局和优化配置,这也对生产造成一定程度的盲目性和不可预知性。经过文献调研还发现,在氧气高炉的诸多工艺模型计算中所采用的热力学数据大都不能满足铁氧化物还原反应优势区图的热力学限制性条件,给工艺平衡计算造成不确定影响,且近年来对于铁氧化物逐级还原机理的争议常见诸国内外学术期刊,这动摇了氧气高炉动力学模拟所依赖的理论基础。本文通过约束性拟合和差热实验验证给出了精确的优势区图曲线及其热力学数据。考虑时间、气氛和压力等因素,根据多界面未反应核模型对氧气高炉炉身限制性环节进行数学模拟,得出了炉身间接还原度与炉腹还原性气体的含量近似呈线性关系的结论。以氧气高炉、热风炉和炉顶CO2脱除所组成的系统为研究对象,考虑限制性环节的动力学约束、炉身气体燃烧的化学平衡和气体物理性质的自洽性,建立了氧气高炉非稳态和多目标优化的数学模型。举例阐述了TGR-OBF工艺非稳态运行中各种工艺参数的变化以及技术经济指标的变化。通过对氧气高炉炼铁的基础理论以及TGR-OBF工艺的非稳态解析和多目标优化,最终获得以下主要结论：(1)CO和H2还原铁氧化物的三相点温度均为576℃,CO和H2还原能力大小的转换温度点为819℃：确定了铁氧化物被CO和H2还原的吉布斯自由能随温度变化的16个经验公式和8个298K时的反应焓变；赤铁矿还原反应机理是依赖于温度的变化而变化,在较低温度时发生两步反应,在较高温度时发生三步反应,等温过程中的机理转换临界点为576℃,非等温过程浮士体出现与否的转化温度并非576℃,这是由于升温速率的改变而发生不同程度的延迟效果；通过理论计算和实验研究阐明了非化学计量比对铁氧化物还原的热力学和动力学的影响。(2)开发出了“多界面未反应核数学模拟”软件平台,根据单界面未反应核数学模拟,当氧气高炉的冶炼强度与基准期普通热风高炉相同时,对应于鼓风含氧率为22.2%、40%、60%、80%和100%的不同操作工艺,炉身间接还原度分别为0.53、0.64、0.68、0.73和0.81,当调整下料速度使氧气高炉与普通高炉具有相同的间接还原度时,富氧率越高所需还原时间越短,相对应的不同氧气高炉的利用系数分别为2.00t·d-1·m-3、 2.83t·d-1·m-3、26 t·d-1·m-3、3.84t·d-1·m-3和5.02 t.d-1·m-3。(3)开发出了"TGR-OBF工艺的非稳态解析与多目标优化”软件平台,根据对传统热风高炉的计算结果,该工艺焦比337kg/t,煤比198kg/t,碳素消耗425kg/t,干燃料比为523kg/t,第一种热损失4.10%,热空区温度为980℃,理论燃烧温度2032℃,两种能量消耗分别为519kgce/t和377kgce/t,两种(?)消耗分别为15.63GJ/t和11.96GJ/t,系统的(?)效率为77%。(4)采用三维系统优化方法明确了TGR-OBF工艺中6个操作参数对全系统碳素消耗和第一(?)耗指标的影响。以鼓风温度和含氧率为自变量时碳素消耗的变化为例,其三维函数关系为非线性的,碳素消耗降低的方向为围绕原点的弧形辐射状。固定鼓风含氧率时,鼓风温度越高,则碳素消耗越低；固定鼓风温度时,随着鼓风含氧率的增加碳素消耗非线性地先增后减。“富氧率—鼓风温度—第一(?)耗”三维系统的轮廓与碳素消耗作目标函数时相似,第一炯耗的最低点出现在高鼓风温度和高富氧条件下。(5)优选出的TGR-OBF工艺最低碳素消耗可至289kg/t,低于普通高炉的理论最低碳素消耗水平。综合考虑的TGR-OBF工艺焦比150kg/t,煤比237kg/t,碳素消耗为300kg/t,比普通热风高炉降低125kg/t,两种(?)耗指标分别为12.34 GJ/t和11.96 GJ/t,第一炯耗低于普通高炉3.29GJ/t,第二(?)耗与普通高炉的数据持平。该工艺既可降低碳素消耗,又能抵消顶气脱除CO2的(?)耗,系统的(?)效率为85%。此外,由于大量的CO气体在炉内循环以及炉顶C02脱除装置的有效运转,工艺的C02排放量仅为71 m3/t,较之传统热风高炉CO2减排约90%,节约焦炭而降低的污染物排放也很可观。
【关键词】：氧气高炉 数学模型 热力学 动力学 多目标优化 (?)分析
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TF53
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 绪论14-28
• 1.1 引言14
• 1.2 课题研究背景14-25
• 1.2.1 氧气高炉炼铁基础理论14-18
• 1.2.2 氧气高炉炼铁工艺概述18-24
• 1.2.3 氧气高炉工艺的发展前景24-25
• 1.3 主要研究内容与创新点25-28
• 1.3.1 主要研究内容25-26
• 1.3.2 创新点26-28
• 第2章 文献综述28-50
• 2.1 铁氧化物还原的热力学和动力学28-32
• 2.1.1 热力学数据28-30
• 2.1.2 动力学数据30-31
• 2.1.3 非化学计量比的影响31-32
• 2.2 氧气高炉工艺的基础研究32-35
• 2.2.1 氧气高炉动力学实验研究32-33
• 2.2.2 氧气高炉的静态数学模型33-35
• 2.3 氧气高炉工艺的动力学数学模拟35-38
• 2.3.1 一维氧气高炉数学模拟35-36
• 2.3.2 二维氧气高炉数学模拟36-37
• 2.3.3 三维氧气高炉数学模拟37-38
• 2.4 氧气高炉工艺的优化分析38-48
• 2.4.1 热力学第一定律的能量分析38-39
• 2.4.2 氧气高炉工艺的多目标优化39-40
• 2.4.3 热力学第二定律的(?)分析40-48
• 2.5 本章小结48-50
• 第3章 铁氧化物还原热力学的再研究50-66
• 3.1 优势区图的重构50-56
• 3.1.1 热力学计算模型50-51
• 3.1.2 热力学计算的程序界面51-52
• 3.1.3 优势区图的热力学统一性52-54
• 3.1.4 基于Lingo的数据拟合54-56
• 3.2 非化学计量对优势区图的影响56-61
• 3.2.1 对磁铁矿区域的影响57-59
• 3.2.2 对浮氏体区域的影响59-60
• 3.2.3 对还原实验的影响60-61
• 3.3 差热热力学实验61-65
• 3.3.1 实验设备和实验方案61-62
• 3.3.2 优势区图热力学实验62-64
• 3.3.3 非化学计量比的实验验证64-65
• 3.4 本章小结65-66
• 第4章 氧气高炉内铁氧化物还原动力学66-100
• 4.1 铁氧化物还原的本征动力学66-74
• 4.1.1 本征动力学实验简介66
• 4.1.2 非等温动力学原理66-68
• 4.1.3 实验结果与讨论68-72
• 4.1.4 铁氧化物逐级还原规律72-74
• 4.2 铁氧化物还原的宏观动力学74-87
• 4.2.1 单界面模型74-79
• 4.2.2 界面模型79-83
• 4.2.3 三界面模型83-85
• 4.2.4 还原气条件85-86
• 4.2.5 非化学计量比的影响86-87
• 4.3 氧气高炉限制性环节的动力学87-97
• 4.3.1 限制性环节概述87-89
• 4.3.2 动力学模拟89-92
• 4.3.3 限制性环节的动力学模拟92-97
• 4.4 本章小结97-100
• 第5章 TGR-OBF工艺的数学模型100-128
• 5.1 非稳态数学模型100-119
• 5.1.1 模型的基本条件100-103
• 5.1.2 非稳态模型的建立103-119
• 5.2 多目标优化模型119-120
• 5.2.1 自变量和目标函数119-120
• 5.2.2 优化模型的建立120
• 5.3 软件平台的搭建120-127
• 5.3.1 计算机程序设计120-122
• 5.3.2 软件界面122-125
• 5.3.3 程序的调试与验证125-127
• 5.4 本章小结127-128
• 第6章 TGR-OBF艺的解析与优化128-172
• 6.1 非稳态过程的解析128-134
• 6.1.1 工艺的局部循环128-130
• 6.1.2 工艺的整体循环130-134
• 6.2 稳态过程的解析134-142
• 6.2.1 稳态工艺参数134-137
• 6.2.2 热空区温度137-138
• 6.2.3 物料平衡与热平衡138-140
• 6.2.4 能量流与炯流140-142
• 6.3 稳态过程的多目标优化142-165
• 6.3.1 富氧率和鼓风温度作自变量144-148
• 6.3.2 富氧率和炉身分配比作自变量148-152
• 6.3.3 富氧率和炉身返回温度作自变量152-154
• 6.3.4 富氧率和炉缸分配比作自变量154-155
• 6.3.5 富氧率和炉缸返回温度作自变量155-156
• 6.3.6 优化结果的讨论156-165
• 6.4 优化结果的可行性分析165-170
• 6.4.1 非稳态过程解析165-167
• 6.4.2 物料平衡与热平衡167-169
• 6.4.3 能量流与(?)流169-170
• 6.5 本章小结170-172
• 第7章 结论172-174
• 参考文献174-184
• 致谢184-186
• 攻读学位期间发表成果186-188
• 个人简历与荣誉188-190
• 论文包含图、表、公式及文献190

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 白晨光;黄润;邱贵宝;于要伟;潘成;毛磊;;高钛型高炉渣流变特性模拟实验[J];重庆大学学报;2011年03期

2 张建良;杨广庆;国宏伟;邵久刚;李健;文永才;;含钒钛铁矿球团还原过程中微观结构变化[J];北京科技大学学报;2013年01期

3 张伟;张菊花;李强;邹宗树;;铁氧化物气固还原反应的优势区图[J];东北大学学报(自然科学版);2013年10期

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