典型鐵礦粉流態(tài)化特性與還原粘結(jié)機(jī)理研究.pdf

1、流態(tài)化技術(shù)因其具有傳熱傳質(zhì)條件好、溫度均勻、物料運(yùn)輸方便等優(yōu)勢,已廣泛應(yīng)用于石油化工、能源環(huán)保、冶金、材料、生化制藥等工業(yè)領(lǐng)域。在非高爐煉鐵氣基還原法中,流態(tài)化預(yù)還原鐵礦粉越來越受到廣大科技工作者的重視,但鐵礦粉在流化預(yù)還原過程中往往會(huì)相互粘結(jié)或粘結(jié)反應(yīng)器壁,甚至引起失流破壞正常生產(chǎn)過程。因此,粘結(jié)是限制流態(tài)化氣體還原發(fā)展的關(guān)鍵問題之一,引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。關(guān)于粘結(jié)失流的原因及防止方法已提出很多,大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為是因?yàn)榻饘勹F晶須的

2、生成及其燒結(jié),在防止方法上著重在研究添加物或鐵礦粉預(yù)處理的作用效果,但對鐵晶須的形成及其控制尚看不出簡單的規(guī)律,相關(guān)基礎(chǔ)理論尚待深入。
　　本論文針對典型鐵礦粉顆粒,采用激光粒度分析、礦粉物性分析、顆粒聚團(tuán)與破碎分析、化學(xué)反應(yīng)過程的模擬等系列現(xiàn)代分析方法,揭示鐵礦粉流態(tài)化過程中顆粒的粘結(jié)與破碎機(jī)理,并討論影響流態(tài)化過程中顆粒粘結(jié)與破碎的因素,從而為鐵礦粉流態(tài)化還原過程中的粘結(jié)失流提供依據(jù);分析還原條件對礦粉金屬化率、金屬鐵的分布形

3、態(tài)、鐵礦粉間粘結(jié)方式的影響及其相互關(guān)系,探索鐵礦粉顆粒間的粘結(jié)機(jī)理,為解決流態(tài)化預(yù)還原過程中鐵礦粉粘結(jié)失流、改善流化質(zhì)量和還原反應(yīng)進(jìn)程奠定理論基礎(chǔ)。
　　采用自主開發(fā)設(shè)計(jì)的粉體綜合特性測試儀,測定了四種鐵礦粉的休止角、崩潰角、分散度、松裝密度、振實(shí)密度、流動(dòng)性等物性參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn),礦粉的休止角與崩潰角隨粒度的變化具有相同的變化趨勢,休止角與崩潰角越大,礦粉的流動(dòng)性越差,礦粉顆粒之間越容易團(tuán)聚;鐵礦粉的分散度隨粒度的減小而減小;通過

4、霍爾流量計(jì)可以直接測量礦粉的流動(dòng)性的趨勢與休止角和崩潰角所反映的情況一致,同樣的流動(dòng)性差的細(xì)顆粒容易發(fā)生團(tuán)聚;利用松裝密度和振實(shí)密度確定的壓縮度、Hausner比判別法、計(jì)點(diǎn)法三種評價(jià)手段對四種鐵礦粉的流動(dòng)狀況進(jìn)行評價(jià),得出四種礦粉中澳礦最適合流態(tài)化操作;釩鈦礦不適合流態(tài)化操作,巴西礦和北方礦在粒度小于150目時(shí)流動(dòng)性較差,150目以上時(shí)流動(dòng)性不穩(wěn)定,有團(tuán)聚粘結(jié)的趨向。
　　采用物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法研究了突破力隨粒徑的增大

5、而減小的規(guī)律,得到了單一均勻粒度顆粒突破力的計(jì)算關(guān)系式:通過實(shí)驗(yàn)表明,該公式能較好的表征氣體流過 B類顆粒散料填充床的突破力。對于不同粒度分布的礦粉,在平均粒度相等的情況下,按照二項(xiàng)/泊松離散分布函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),并引入一個(gè)表征粒度分布對流態(tài)化特性影響的判別因子 Fa。得出突破力與 Fa值之間的對應(yīng)關(guān)系,即兩種離散分布函數(shù)下顆粒的Fa值相近且均小于原礦的Fa值,基于兩種分布為基礎(chǔ)建立的流態(tài)化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷耐黄屏σ蚕嘟倚∮谠V的突破力。為典型鐵

6、礦粉流態(tài)化特性中的突破力提供了基礎(chǔ)判斷依據(jù)。
　　通過實(shí)驗(yàn)測定穩(wěn)定氣速下床層壓降隨時(shí)間的變化規(guī)律,間接考察流態(tài)化過程中鐵礦粉的粘結(jié)現(xiàn)象。結(jié)果表明:在流態(tài)化過程中四種礦粉都存在不同程度的破碎現(xiàn)象,其中,澳礦在較低氣速下(0.21m/s)存在破碎,而釩鈦礦隨氣速的增大一直存在破碎,巴西礦和北方礦的破碎規(guī)律相似,在0.32m/s氣速后,破碎現(xiàn)象已不明顯。在流態(tài)化過程反映的礦粉的破碎現(xiàn)象與物性參數(shù)測定的礦粉的流動(dòng)狀況相似。
　　利用

7、COMSOL的化學(xué)反應(yīng)工程模塊對鐵礦粉的還原反應(yīng)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了顆粒粒度、形狀、還原溫度、還原氣氛等因素對還原過程的影響。結(jié)果表明:3mm及以上粒徑顆粒的反應(yīng)速率隨著反應(yīng)時(shí)間的增加先升高后降低,3mm以下粒徑的顆粒反應(yīng)速率隨著反應(yīng)時(shí)間的增加不斷降低;并更容易產(chǎn)生鐵瘤或鐵晶須;顆粒的凸起與不規(guī)則處會(huì)優(yōu)先反應(yīng),同時(shí)得到頂角角度為60°、70°、80°的顆粒的反應(yīng)過程向底面擴(kuò)散的趨勢明顯,固體產(chǎn)物不易在頂角處聚集,相對于其他的角度不

8、易產(chǎn)生鐵瘤及鐵晶須;而50°及以下的角度質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化較小,固體產(chǎn)物容易在頂角處聚集,從而增加了產(chǎn)生鐵瘤及鐵晶須的可能性;反應(yīng)過程中顆粒受熱不均,則未反應(yīng)物核心會(huì)向局部受熱的反方向不斷偏移,最終消失,而局部受熱的部位,固體產(chǎn)物不斷增加,使產(chǎn)物層增厚,產(chǎn)物層在局部聚集容易產(chǎn)生液相并與附近的顆粒發(fā)生粘結(jié);H2還原時(shí)顆粒產(chǎn)物層界面規(guī)則,而 CO還原時(shí)反應(yīng)界面不規(guī)則。通過分析 Fe、O原子間的距離發(fā)現(xiàn) H2還原時(shí)易產(chǎn)生鐵瘤,而CO還原時(shí)易產(chǎn)