学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

菱铁矿热解动力学及其多级循环流态化磁化焙烧的数值模拟和试验研究

作　者: 冯志力
导　师: 余永富；刘根凡
学　校: 华中科技大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 多级循环流态化磁化焙烧菱铁矿热解反应动力学 CFD模拟
分类号: TD951
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 72次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

近10年来,中国钢铁工业所需的铁矿石连续自给率不足50%,铁矿资源短缺已成为制约中国钢铁工业发展的“瓶颈”,开发新的铁矿资源已成为当务之急。目前国内尚不能有效利用的菱铁矿、褐铁矿,鲕状赤铁矿等复杂难选铁矿石储量多达100亿吨,若采用行之有效的磁化焙烧-磁选工艺加以处理,则可望转化为现实的战略资源。不过,常规的磁化焙烧,如竖炉、回转窑等工艺存在流程复杂、成本较高等诸多缺陷,难以实现大规模的工业应用。针对这一问题,本文利用气-固流态化高效传热传质的优点,通过热重实验、悬浮态实验、计算机数值模拟和半工业试验相结合的方法,对菱铁矿的热解和磁化焙烧新工艺开展了系统深入的研究。选用了国内两种典型的菱铁矿,即陕西大西沟菱铁矿和云南王家滩菱铁矿,采用热重分析技术对菱铁矿在惰性气氛中的热解动力学进行了实验研究。实验应用等升温速率多重扫描法,热分析动力学的数据采用Kissinger法、FWO法和Friedman法相结合的方法处理,确定菱铁矿的热解机理并求取动力学参数。研究结果表明：大西沟菱铁矿的热解机理为收缩圆柱体模型R2,而王家滩菱铁矿的热解机理为一级化学反应F1,两者的热分解均属化学反应控制。王家滩菱铁矿的热解实验数据还表明,当粒径大于某一尺寸时,菱铁矿颗粒的热解动力学参数会受其影响。本文进一步将这种影响引入到指前因子,建立了吻合度较高的数学关联式。论文还采用X衍射分析法和光学显微分析法研究了菱铁矿在惰性气氛中热解的物相学,以验证焙烧矿磁性转化的效果。菱铁矿热解残留物的X衍射及磨片的光学显微分析结果表明,FeCO3热解后绝大部分转化为棕灰白的Fe3O4,偶见颗粒外表或邻近裂缝边缘的热解产物呈现白色的Fe2O3,此乃中间产物FeO被气氛中微量O2氧化所致。另外,热解残留物中裂隙发育充分,焙烧矿的可磨性非常好。为分析温度和气氛对菱铁矿热解过程的影响,本文首次在稀相悬浮状态下进行了菱铁矿的等温热解实验,在获取菱铁矿热解动力学模式及参数的同时,为后期的数值模拟提供有效的实验支撑。实验结果表明：王家滩菱铁矿在悬浮态下热解的机理为球体收缩模型R3,仍然属化学反应控制；尾气中CO的最高峰值比CO2的最高峰值滞后约5-10s不等,温度越高,滞后时间越长；FeO的磁化速率在温度段600℃～650℃增速较快,于700℃附近出现最大值；随着气氛中CO2的含量的增加,FeCO3热解的速度单调下降,而FeO的磁化速率单调上升,不过两者的变化幅度逐步趋缓至16%CO2时几近饱和。本文还采用了颗粒随机轨道模型和颗粒表面反应模型相结合的方法,对王家滩菱铁矿在多级循环流态化磁化焙烧装置中的热解进行了数值模拟。模拟结果表明,管式反应器中的烟气呈现活塞流,不利于反应器内组分的扩散和颗粒物的滞留；平齐式料管入口处存在的狭长涡旋迟滞颗粒流的下滑并可能诱发料管的堵塞,改进后的插入式料管则完全消除了上述缺陷和隐患；温度和滞留时间对菱铁矿的热解率的影响非常显著,管式反应器对菱铁矿的热解贡献率不足50%。为了验证数值模拟计算的结果,针对王家滩菱铁矿的流态化磁化焙烧进行了半工业试验,试验表明：在弱还原气氛(1.5%C0)、1028℃温度下菱铁矿样中碳酸铁的热解率为90.3%-94.5%,与其热解模拟计算值86.49%基本一致；接近中性的热解气氛适宜菱铁矿的热解和磁性转化,即CO气氛浓度不宜超过1.5%或O2浓度不大于1.85%。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
1 绪论  11-27
  1.1 课题的背景  11-12
  1.2 磁化焙烧技术的现状  12-17
  1.3 焙烧装置中菱铁矿热解动力学研究的必要性  17-18
  1.4 菱铁矿流态化焙烧技术及基础理论  18-25
  1.5 课题的研究内容  25-27
2 基于热重分析的菱铁矿热解动力学研究  27-51
  2.1 热重分析技术的原理与动力学方法  27-34
  2.2 热重实验结果分析  34-41
  2.3 菱铁矿的物相与形貌分析  41-50
  2.4 小结  50-51
3 基于悬浮态实验的菱铁矿热解动力学研究  51-66
  3.1 悬浮态实验研究动力学的方法  51-56
  3.2 菱铁矿热解动力学模型的研究  56-64
  3.3 小结  64-66
4 多级循环流态化焙烧系统两相流的模拟  66-92
  4.1 气相流场和温度场的模拟计算  67-82
  4.2 气-固两相流动模拟  82-88
  4.3 料斗入口处流场的改进  88-90
  4.4 小结  90-92
5 菱铁矿热解的数值模拟研究  92-109
  5.1 基于颗粒轨道的菱铁矿热解率估算  92-98
  5.2 菱铁矿热解的数值模拟  98-108
  5.3 小结  108-109
6 多级循环流态化磁化焙烧半工业试验  109-115
  6.1 试验装置与试验方法  109-111
  6.2 试验条件  111-113
  6.3 试验结果分析  113-114
  6.4 小结  114-115
7 总结与展望  115-118
  7.1 全文工作的总结  115-116
  7.2 本文工作的创新点  116
  7.3 今后工作的展望  116-118
致谢  118-119
参考文献  119-128
附录1 DEFINE_PR_RATE程序  128-130
附录2 攻读博士学位期间发表的相关论文  130

菱铁矿热解动力学及其多级循环流态化磁化焙烧的数值模拟和试验研究

内容摘要

全文目录

相似论文