氧氣高爐爐身煤氣和循環(huán)煤氣行為基礎(chǔ)研究

【摘要】：高爐煉鐵節(jié)碳減排是減少鋼鐵企業(yè)能源消耗和CO2及其它污染物排放的重要途徑。爐頂煤氣循環(huán)-氧氣鼓風(fēng)高爐煉鐵技術(shù)(簡(jiǎn)稱氧氣高爐)節(jié)碳減排能力已經(jīng)通過(guò)理論計(jì)算和高爐試驗(yàn)得到了驗(yàn)證。該工藝采用純氧鼓風(fēng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)高爐的預(yù)熱空氣鼓風(fēng),高爐爐頂煤氣脫除CO2后返回高爐利用,其中,爐頂煤氣循環(huán)利用是氧氣高爐關(guān)鍵特征之一。本文對(duì)氧氣高爐爐身噴吹循環(huán)煤氣進(jìn)行冷態(tài)物理模擬研究和模擬計(jì)算；在鐵礦石還原的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,建立了氧氣高爐爐身氣-固換熱與化學(xué)反應(yīng)耦合數(shù)學(xué)模型；研究了煤氣在爐身上升過(guò)程中的界面阻力以及煤氣在加熱過(guò)程中的析碳行為。本研究結(jié)果將為氧氣高爐工藝的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。 利用二維冷態(tài)物理模型對(duì)爐身噴吹煤氣在爐內(nèi)分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,爐身噴吹煤氣量與爐身煤氣總量之比對(duì)爐身噴吹煤氣在爐內(nèi)分布起決定性作用,而爐身煤氣總量對(duì)其影響不大。爐身煤氣分布主要分為兩個(gè)不同區(qū)域,一個(gè)是爐身噴吹煤氣主要影響區(qū)域,另一個(gè)是高爐下部產(chǎn)生的上升煤氣主要影響區(qū)域。根據(jù)冷態(tài)物理模型幾何結(jié)構(gòu),建立了二維數(shù)學(xué)模型,對(duì)爐身噴吹煤氣在爐內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行了模擬計(jì)算,結(jié)果表明,爐身噴吹氣體和高爐下部產(chǎn)生的上升氣體之間混合性不強(qiáng),爐身氣體噴吹主要對(duì)輔助風(fēng)口附近的氣體流動(dòng)方向影響較大。 采用程序還原及軟熔實(shí)驗(yàn)裝置,研究了傳統(tǒng)高爐與氧氣高爐中混合礦的還原及軟熔行為。在此基礎(chǔ)上,建立了傳統(tǒng)高爐與氧氣高爐爐身氣固換熱與化學(xué)反應(yīng)耦合數(shù)學(xué)模型,通過(guò)與高爐解剖及前人建立的物料平衡模型對(duì)比驗(yàn)證了模型的可靠性。模擬計(jì)算結(jié)果表明,與傳統(tǒng)高爐相比,氧氣高爐熱儲(chǔ)備區(qū)間明顯擴(kuò)大,爐內(nèi)其他位置溫度分布與傳統(tǒng)高爐相似,爐身噴吹循環(huán)煤氣很好地解決了氧氣高爐的“上冷”問(wèn)題,同時(shí)CO和H2濃度水平更高。對(duì)于不同形狀的軟熔帶而言,固體爐料溫度分布區(qū)別較小。此外,輔助風(fēng)口直徑和角度對(duì)溫度和氣體濃度分布的影響較小。 氧氣高爐中焦比的降低及爐身交替爐料問(wèn)的阻力變化必然對(duì)爐內(nèi)壓差造成較大影響,因此通過(guò)三維冷態(tài)物理模型研究了焦比和交替爐料間的界面阻力對(duì)壓差的影響,同時(shí)引進(jìn)孔喉公式用來(lái)預(yù)測(cè)高爐透氣性。結(jié)果表明,隨著氣體流速和界面層數(shù)的增加,料柱整體壓差和界面壓差增大。隨著焦比的降低,界面壓差和料柱整體壓差增加,透氣性變差。此外,界面阻力和物性參數(shù)、氣體流速、界面層數(shù)之間的推導(dǎo)公式為這個(gè)公式與孔喉公式進(jìn)行結(jié)合成為壓差修正公式,不同料層厚度的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比證明了修正公式的適用性。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),隨著氣體流速的提高,界面空隙率產(chǎn)生輕微振蕩下降,降幅并不是很強(qiáng)烈。 自行設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置,并采用該裝置在300℃—700℃范圍內(nèi)分別對(duì)CO、CO-H2混合氣氛以及氧氣高爐爐頂循環(huán)煤氣加熱過(guò)程中的析碳行為進(jìn)行研究。結(jié)果表明,100%CO條件下析碳速率較緩慢析碳量較少；隨著溫度的升高,CO-H2混合氣體加熱過(guò)程中的析碳反應(yīng)速率增大,500℃和600℃時(shí)析碳最嚴(yán)重,700℃時(shí)析碳反應(yīng)減弱,提高H2含量會(huì)促進(jìn)析碳反應(yīng)；在氧氣高爐爐頂循環(huán)煤氣氣氛加熱過(guò)程中,當(dāng)溫度低于500℃時(shí),溫度的升高可以加快析碳反應(yīng)速率,當(dāng)高于此溫度時(shí),溫度的升高反而會(huì)抑制析碳反應(yīng)速率,CO分解反應(yīng)在析碳反應(yīng)過(guò)程中起主導(dǎo)作用。隨CO2%(體積分?jǐn)?shù))的增加,析碳反應(yīng)速率逐漸降低。 【關(guān)鍵詞】：氧氣高爐 爐身噴吹煤氣 模型 界面阻力 析碳反應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TF53
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 1 引言14-16
• 2 文獻(xiàn)綜述16-40
• 2.1 氧氣高爐煉鐵工藝及其選擇16-19
• 2.2 氧氣高爐條件下?tīng)t身循環(huán)煤氣的行為研究19-25
• 2.2.1 氧氣高爐爐身噴吹循環(huán)煤氣研究19-20
• 2.2.2 氧氣高爐爐身煤氣透氣性基礎(chǔ)研究20-22
• 2.2.3 氧氣高爐循環(huán)煤氣加熱以及輸送的行為研究22-25
• 2.3 高爐數(shù)值模擬研究25-34
• 2.3.1 高爐離散元非連續(xù)性數(shù)值模擬研究概況26-29
• 2.3.2 高爐多相流連續(xù)性數(shù)值模擬研究概況29-32
• 2.3.3 高爐離散元非連續(xù)與多相流連續(xù)性結(jié)合數(shù)值模擬研究概況32-34
• 2.4 氧氣高爐工業(yè)試驗(yàn)34-37
• 2.5 本文研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)37-40
• 2.5.1 主要研究?jī)?nèi)容37-39
• 2.5.2 創(chuàng)新點(diǎn)39-40
• 3 氧氣高爐爐身循環(huán)煤氣在爐內(nèi)分布研究40-64
• 3.1 前言40
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分40-44
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)原料與裝置40-42
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)方法42-44
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論44-53
• 3.3.1 爐身噴吹煤氣在爐內(nèi)的分布情況44-46
• 3.3.2 爐身煤氣總量對(duì)噴吹煤氣分布的影響46-47
• 3.3.3 爐身噴吹煤氣量與爐身煤氣總量之比對(duì)爐身噴吹煤氣在爐內(nèi)分布的影響47-50
• 3.3.4 爐身輔助風(fēng)口的位置對(duì)爐身噴吹煤氣在爐身分布的影響50-53
• 3.4 數(shù)值模擬部分53-59
• 3.4.1 氣體流場(chǎng)的基本數(shù)學(xué)方程53-54
• 3.4.2 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型方程54-56
• 3.4.3 多孔介質(zhì)模型56-57
• 3.4.4 物質(zhì)輸運(yùn)方程57-58
• 3.4.5 模型幾何結(jié)構(gòu)與邊界條件58
• 3.4.6 模型網(wǎng)格劃分58-59
• 3.5 數(shù)值模擬結(jié)果與分析59-62
• 3.5.1 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證59-60
• 3.5.2 爐身噴吹煤氣時(shí)爐內(nèi)氣體流動(dòng)的變化60-61
• 3.5.3 爐身噴吹煤氣時(shí)爐內(nèi)軸向和徑向氣體流速的變化61-62
• 3.6 本章小結(jié)62-64
• 4 氧氣高爐爐身氣固換熱與化學(xué)反應(yīng)耦合數(shù)學(xué)模型64-103
• 4.1 前言64
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分64-73
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)原料及微觀結(jié)構(gòu)65-67
• 4.2.2 程序還原實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法67-69
• 4.2.3 程序軟熔實(shí)驗(yàn)裝置及方法69-70
• 4.2.4 實(shí)驗(yàn)條件70-72
• 4.2.5 數(shù)據(jù)處理72-73
• 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析73-78
• 4.3.1 程序還原實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析73-76
• 4.3.2 程序軟熔實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析76-78
• 4.4 數(shù)學(xué)模型部分78-85
• 4.4.1 基本數(shù)學(xué)方程78-79
• 4.4.2 氣固相之間的動(dòng)量交換79-80
• 4.4.3 氣固相之間的熱量交換80-81
• 4.4.4 氣固相之間的化學(xué)反應(yīng)81-83
• 4.4.5 模型邊界條件83-84
• 4.4.6 計(jì)算條件84-85
• 4.5 數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與分析85-101
• 4.5.1 模型的驗(yàn)證85-86
• 4.5.2 氧氣高爐爐身內(nèi)基本分布特點(diǎn)86-89
• 4.5.3 氧氣高爐與傳統(tǒng)高爐的對(duì)比分析89-95
• 4.5.4 爐身噴吹循環(huán)煤氣量對(duì)爐內(nèi)溫度和氣體分布的影響95-97
• 4.5.5 軟熔帶結(jié)構(gòu)對(duì)爐內(nèi)溫度和氣體分布的影響97-99
• 4.5.6 爐身輔助風(fēng)口參數(shù)對(duì)爐內(nèi)溫度和氣體分布的影響99-101
• 4.6 本章小結(jié)101-103
• 5 爐身上部交替層之間界面阻力的研究103-121
• 5.1 前言103-104
• 5.2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法104-107
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析107-120
• 5.3.1 界面阻力的存在性107-109
• 5.3.2 界面層數(shù)和氣體流速對(duì)整體壓降和界面壓降的影響109-110
• 5.3.3 料層位置和厚度對(duì)壓降的影響110-112
• 5.3.4 界面阻力修正公式112-119
• 5.3.5 界面空隙率及其變化119-120
• 5.4 本章小結(jié)120-121
• 6 氧氣高爐循環(huán)煤氣加熱過(guò)程中的析碳行為研究121-135
• 6.1 前言121
• 6.2 析碳反應(yīng)熱力學(xué)計(jì)算121-123
• 6.3 實(shí)驗(yàn)部分123-125
• 6.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法123-125
• 6.3.2 實(shí)驗(yàn)方案125
• 6.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析125-134
• 6.4.1 100%CO加熱過(guò)程中析碳行為研究125-126
• 6.4.2 H_2和CO混合加熱過(guò)程中析碳行為研究126-128
• 6.4.3 氧氣高爐循環(huán)煤氣加熱過(guò)程中析碳行為研究128-134
• 6.5 本章小結(jié)134-135
• 7 結(jié)論135-137
• 參考文獻(xiàn)137-152
• 作者簡(jiǎn)歷及在學(xué)研究成果152-155
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集155

您可以在本站搜索以下學(xué)術(shù)論文文獻(xiàn)來(lái)了解更多相關(guān)內(nèi)容

爐頂煤氣循環(huán)—氧氣鼓風(fēng)高爐綜合數(shù)學(xué)模型    韓毅華;王靜松;李燕珍;佘雪峰;孔令壇;薛慶國(guó);

高爐高富氧大量噴吹煤粉的理論分析    張建良;秦民生;盧虎生;

中國(guó)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新    徐匡迪;

氧氣高爐工業(yè)化試驗(yàn)研究    齊淵洪;嚴(yán)定鎏;高建軍;張金昌;李明克;

高爐塊狀帶礦石逐漸升溫還原對(duì)料層透氣性影響    趙宏博;程樹(shù)森;白永強(qiáng);馬金芳;萬(wàn)雷;王尉平;

鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排現(xiàn)狀目標(biāo)和工作思路    李世俊;

高爐爐喉煤氣流分在數(shù)學(xué)模型    鐘勇

直接還原豎爐還原煤氣分析    陳茂熙;彭華國(guó);

包頭鐵礦低溫用CO還原時(shí)的析碳機(jī)理及其對(duì)礦物粉化的影響    姚文輝

高爐送風(fēng)系統(tǒng)氣體力學(xué)特性的研究    肖永忠;

改變布料方法實(shí)現(xiàn)高爐穩(wěn)定與長(zhǎng)壽    尚策;張延輝;金國(guó)一;

板坯連鑄中間包流場(chǎng)模擬分析    張海明;賈麗娣;張曉光;丁麗華;孫群;王榮;

鋼渣熱悶技術(shù)及再利用分析    谷金生;薛軍;

高爐/回轉(zhuǎn)窯煤粉噴吹自動(dòng)控制系統(tǒng)    李勝利;王東興;魏曉冬;

鐵水脫硅過(guò)程機(jī)理的探討    施月循,林成城

兩種還原氣條件下球團(tuán)礦豎爐還原過(guò)程的動(dòng)力學(xué)研究    李永全,張瑞祥,楊天鈞,孔令壇

BL法豎爐還原過(guò)程中球團(tuán)內(nèi)碳與硫元素含量的變化    李永全,陳宏,李咸偉,周渝生,甘青松

關(guān)于1號(hào)高爐噴煤設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)意見(jiàn)    曲惠敏，溫大威

含鈮平爐渣氣—固相還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)    張顯鵬,莊益平,袁文菊

鋼液直接定氫系統(tǒng)的應(yīng)用    楊文勝,朱凱

爐頂煤氣循環(huán)—氧氣鼓風(fēng)高爐綜合數(shù)學(xué)模型    韓毅華;王靜松;李燕珍;佘雪峰;孔令壇;薛慶國(guó);

高爐全氧鼓風(fēng)操作的研究    秦民生;高征鎧;王冠倫;

高爐煉鐵過(guò)程綜合數(shù)學(xué)模型    秦民生;張郁亭;盧虎生;張建良;

用高爐高度指數(shù)分析高爐容積對(duì)強(qiáng)化冶煉的影響    劉云彩

MgO對(duì)燒結(jié)工藝及燒結(jié)礦冶金性能的影響    姜鑫;吳鋼生;魏國(guó);李小鋼;沈峰滿;

氧氣煤粉熔劑復(fù)合噴吹（OCF）高爐煉鐵工藝的研究    高征鎧

H_2O-CO_2混合氣體對(duì)焦炭劣化反應(yīng)的影響    李家新;盧開(kāi)成;汪澗江;王平;

氧氣高爐爐身的模擬試驗(yàn)研究    尹建威,王鳳岐,黨玉華,張建良,高征鎧

Averaging method of particulate systems and its application to particle-fluid flow in a fluidized bed    

焦炭-CO_2反應(yīng)過(guò)程中孔隙結(jié)構(gòu)的變化    金慧軍;傅永寧;

“以疏為主,積極防治”治理爐身——兼論武鋼高爐爐身長(zhǎng)壽    姜達(dá)

銅鋼采用冷噴涂修補(bǔ)高爐爐身內(nèi)襯    高乾恒

安鋼2號(hào)高爐爐身灌漿造襯實(shí)踐與效果    吳鳳超,劉成杰

梅山3~#高爐爐身維護(hù)實(shí)踐    張海濱;

四號(hào)高爐爐身塌磚的初步分析    張世爵;李洪志;許傳智;吳捐獻(xiàn);

群策群力綜合治理延長(zhǎng)高爐爐身壽命    

解決爐身壽命過(guò)短問(wèn)題刻不容緩——在全國(guó)大中型高爐爐身壽命討論會(huì)上的總結(jié)發(fā)言    徐矩良

日本延長(zhǎng)爐身壽命的措施    呂秀英

延長(zhǎng)高爐爐身壽命的操作方法    宋木森;孫麗霞;楊希福;

廣鋼3~#高爐爐身殼體爆裂原因淺析    顧林娜;

高性能澆注料在高爐爐身的應(yīng)用    劉繼鋒;王朝暉;

高爐爐身段爐殼剛度折減問(wèn)題研究    冷楊川;龍莉萍;

高爐爐身探針控制系統(tǒng)在寶鋼4BF中的應(yīng)用    金云;

杭鋼二號(hào)高爐爐身上部磚襯損壞及維護(hù)    孫偉銘;

新鋼3#高爐爐身噴涂造襯實(shí)踐    廖名顯;

梅鋼150t轉(zhuǎn)爐爐身壓縮空氣射流冷卻裝置的研制    施衛(wèi)忠;陳德亮;黃超;

轉(zhuǎn)爐爐底與爐身連接方式的改進(jìn)    黃成紅;殷享兵;李具中;陳清泉;

八鋼2#、3#高爐爐身噴涂造襯及停開(kāi)爐淺談    王宗樂(lè);

本鋼二號(hào)高爐高效長(zhǎng)壽綜合技術(shù)實(shí)施及效果分析    徐書(shū)鋼;田輝;

簡(jiǎn)易蝎棚爐    李江源

減少高爐還原劑消耗量提高爐身效率    廖建國(guó)

精工鏨花銅手爐    莫子榮

氧氣高爐爐身煤氣和循環(huán)煤氣行為基礎(chǔ)研究    劉錦周