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)流動性較差,150目以上時(shí)流動性不穩(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)