碳包覆抑制铁矿粉流态化还原粘结失流研究
文献类型：学位论文
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| 作者 | 雷超 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2015-05 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 朱庆山 |
| 关键词 | 流化床 粘结失流 铁矿 模型 附碳 工艺优化 |
| 学位专业 | 化学工程 |
| 中文摘要 | 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—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50-150oC。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值，而改变流化气的种类或气体组成对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FeO、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Ccritical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Ccritical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Ccritical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.%。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2016-05-03 |
| 源URL | [http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/20343]  |
| 专题 | 过程工程研究所_研究所（批量导入） |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 雷超. 碳包覆抑制铁矿粉流态化还原粘结失流研究, Defluidization prevention by carbon coating for direct reduction of fine iron ore in a fluidized bed reactor[D]. 中国科学院研究生院. 2015. |
入库方式： OAI收割
来源：过程工程研究所
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