發(fā)布時(shí)間：2020-11-14 02:07

　　 鐵合金生產(chǎn)屬于能源密集型產(chǎn)業(yè),具有高能耗、高污染、高排放等特點(diǎn)。目前鐵合金生產(chǎn)主要有高爐法、礦熱爐法和爐外法等,其中預(yù)熱還原-礦熱爐工藝(即還原礦熱爐法)具有節(jié)能潛力大、礦料適用范圍廣、鐵合金品位高、有害元素少和生產(chǎn)效率高等特點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于鐵合金生產(chǎn)。該工藝既包含了傳熱、傳質(zhì)、相變等物理過程,還包括熱解、還原、置換等化學(xué)反應(yīng),構(gòu)成復(fù)雜的物質(zhì)流和能量流協(xié)同運(yùn)行體系。目前預(yù)熱還原-礦熱爐工藝的物質(zhì)流和能量流協(xié)同運(yùn)行仍有很多問題亟需解決,如副產(chǎn)物余熱余能再利用、廢棄物再資源化等問題。因此對(duì)全流程內(nèi)物質(zhì)流和能量流協(xié)同運(yùn)行進(jìn)行深入研究,可為優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)操作和設(shè)計(jì)更高效的冶煉工藝提供指導(dǎo),對(duì)于促進(jìn)鐵合金產(chǎn)品質(zhì)量的改進(jìn)和節(jié)能降耗具有重要意義。本文針對(duì)預(yù)熱還原-礦熱爐生產(chǎn)工藝,采用多學(xué)科協(xié)同研究的方法對(duì)流程中物質(zhì)流和能量流進(jìn)行研究,揭示預(yù)熱還原-礦熱爐工藝中物質(zhì)流和能量流的協(xié)同運(yùn)行規(guī)律。利用能量分析和(火用)分析方法分別從能的“量”和“質(zhì)”兩個(gè)角度對(duì)能量流進(jìn)行量化分析。采用協(xié)同分析法研究物質(zhì)流和能量流的有序度,并量化評(píng)估二者之間的協(xié)同程度。采用數(shù)值模擬方法研究回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煤粉/爐氣的混合燃燒,以及氣/煤粉/顆粒的多相流動(dòng)規(guī)律;研究礦熱爐內(nèi)磁-熱耦合作用下的溫度場(chǎng)分布,揭示礦熱爐高溫熔煉的多物理場(chǎng)特征。主要內(nèi)容如下:采用XRD、X射線熒光分析和火焰原子吸收光譜法,對(duì)預(yù)熱還原-礦熱爐工藝流程中礦料、產(chǎn)品和爐渣的化學(xué)成分和元素成分進(jìn)行檢測(cè)分析;利用實(shí)時(shí)測(cè)控設(shè)備檢測(cè)物質(zhì)流和能量流的關(guān)鍵參數(shù),如流量、壓力和溫度,為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過分析預(yù)熱還原-礦熱爐流程中物質(zhì)流和能量流的運(yùn)行規(guī)律,并根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒,建立流程內(nèi)物質(zhì)和能量循環(huán)的物質(zhì)流和能量流分析模型�；�于能量分析法對(duì)系統(tǒng)可用能進(jìn)行辨識(shí),確立預(yù)熱還原-礦熱爐工藝系統(tǒng)能效評(píng)估指標(biāo)。通過評(píng)估節(jié)能工藝,發(fā)現(xiàn)回收回轉(zhuǎn)窯中煙氣和礦熱爐中爐氣可使煙煤消耗量分別降低45.94%和38.00%。發(fā)現(xiàn)回收干燥窯中煙氣和礦熱爐中爐渣的余熱可分別將各自系統(tǒng)能效提高2.97%和24.60%;采用保護(hù)渣防止合金溶液散熱,可使礦熱爐的能量流耗散率降低4.74%。運(yùn)用協(xié)同學(xué)理論建立預(yù)熱還原-礦熱爐流程中物質(zhì)流和能量流的協(xié)同關(guān)系。引入序參量評(píng)定指標(biāo),量化評(píng)估物質(zhì)流和能量流的有序度、協(xié)同能力和匹配度。建立物質(zhì)流和能量流協(xié)同度的評(píng)價(jià)方法。發(fā)現(xiàn)基于工藝中物質(zhì)流與能量流運(yùn)行規(guī)律制定生產(chǎn)指標(biāo),可增加物質(zhì)流和能量流有序度,從而使得測(cè)試1(合金中鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%)的協(xié)同度比測(cè)試2(合金中鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%)的協(xié)同度提高9.51%�；厥崭稍锔G中煙氣和礦熱爐爐渣不僅增加廢棄物循環(huán)率、固體廢棄物再資源化率等物質(zhì)流指標(biāo),而且改善能效、余熱余能回收率和能量散熱損失等能量流指標(biāo),進(jìn)而將工藝中物質(zhì)流與能量流之間的協(xié)同度提高 24.93%。建立預(yù)熱還原-礦熱爐全流程的(火用)分析模型,提出衡量該工藝(火用)效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)果發(fā)現(xiàn):干燥窯、回轉(zhuǎn)窯和礦熱爐的(火用)損失分別為38.159,118.511,9.766GJ/h;外部(火用)損失分別為30.530,22.857,89.229GJ/h。通過對(duì)預(yù)熱還原-礦熱爐工藝的(火用)流分析,發(fā)現(xiàn)降低輸出流的出口溫度、改善爐體和輸送設(shè)備的隔熱性能、對(duì)爐渣等高溫輸出流進(jìn)行余熱回收,可減少由散熱造成的外部(火用)損失。建立回轉(zhuǎn)窯煤粉顆粒與爐氣的混合燃燒模型。采用有限速率/渦耗散模型描述氣相湍流化學(xué)反應(yīng),利用單動(dòng)能速率模型分析煤粉揮發(fā)過程,采用多表面異相反應(yīng)模型預(yù)測(cè)煤粉的表面燃燒。分析混合燃燒對(duì)粉煤燃燒速率和火焰特性的影響;研究氣-固燃料的混合燃燒對(duì)焙燒區(qū)范圍、窯內(nèi)溫度和煙氣成分等的影響規(guī)律。因此,爐氣的回收利用不僅提高了余熱余能回收率,而且增加了回轉(zhuǎn)窯工藝的(火用)效率,從而改善物質(zhì)流和能量流的協(xié)同度。利用安德烈-米庫林斯基方法計(jì)算礦熱爐幾何參數(shù),并建立礦熱爐高溫熔煉過程的電/磁/熱多物理場(chǎng)耦合模型。利用磁矢量位法求解電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度和焦耳熱,運(yùn)用載荷矢量法耦合焦耳熱場(chǎng)求解磁/熱作用下的溫度場(chǎng)分布。分析電極直徑、極心圓直徑和爐膛高度對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響,明確礦熱爐內(nèi)溫度場(chǎng)的影響因素。發(fā)現(xiàn)當(dāng)電極直徑為1.4m,極心圓直徑為4.27m,爐膛高度為4.2m時(shí),礦熱爐溫度場(chǎng)分布更為合理。因此,合理制定礦熱爐幾何參數(shù),不僅可以提高電能利用率,而且可以降低(火用)損,從而提高礦熱爐物質(zhì)流和能量流的有序度。
【學(xué)位單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TF55
【部分圖文】：

（２）濕法煉鎳工藝??紅土鎳礦的濕法冶煉主要包括還原焙燒－氨浸工藝、加壓酸浸工藝和硫酸常壓??浸出法等，如圖１．２所示。其中，原焙燒－氨浸工藝是由Ｃａｒｏｎ教授發(fā)明，所以又??稱為Ｃａｒｏｎ工藝，該工藝先將礦料磨細(xì)后在多膛爐或回轉(zhuǎn)窯中焙燒，將礦石中鎳、??鈷和少量鐵還原成金屬，然后用氨－碳酸氨混合溶液將焙砂浸出，在經(jīng)沉淀、凈化、??蒸氨后產(chǎn)出碳酸鎳漿料，再經(jīng)回轉(zhuǎn)窯干燥焙燒后生成氧化鎳。加壓酸浸法是指礦??料用硫酸浸出，使鎳、鈷的氧化物生成可溶的硫酸鹽進(jìn)入溶液，而鐵則留在渣中，??－１０－??

量分?jǐn)?shù)較低；（７）爐氣量較少，可降低含塵量；（８）工藝技術(shù)成熟，生產(chǎn)容易操??控，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，使其成為當(dāng)今最主要的火法煉??制鎳鐵合金的方法。如圖１．２所示，該工藝包括三道工序：干燥窯干燥脫水、回轉(zhuǎn)??窯焙燒預(yù)還原和礦熱爐還原熔煉。??由于紅土鎳礦的含水量一般為３５％，需對(duì)礦料進(jìn)行預(yù)處理工序，主要包括濕??紅土礦堆存－破碎－干燥－混勻－篩分－破碎－配料－二次干燥－焙燒預(yù)還原等工序。預(yù)處理??工序可有效降低礦熱爐電耗、縮短冶煉時(shí)間、減少含鎳粉塵顆粒生成，實(shí)現(xiàn)能量??的梯級(jí)利用，提高能效。其中，二次千燥和焙燒預(yù)還原工序一般是在逆流式回轉(zhuǎn)??窯中進(jìn)行；預(yù)還原工藝一般是在還原氣氛下，將溫度控制在５３８？９８０°Ｃ之間，礦料??呈固體狀態(tài)進(jìn)行選擇性還原反應(yīng)。因此，為改善紅土礦在礦熱爐中熔煉效果，對(duì)??礦料進(jìn)行預(yù)處理工藝是極其關(guān)鍵的一環(huán)。??礦料中的水分作為礦物本身的一種成分，其存在形式分為兩大類，ｇ卩：存在??晶格間的吸附水（游離水）和存在于晶格中的結(jié)晶水、結(jié)合水。所以，濕紅土鎳??礦的脫水工藝主要包括脫除吸附水、結(jié)晶水和結(jié)合水｜４４）。??在預(yù)處理工藝中

（＜６０ｍｍ），然后輸送到干燥窯中進(jìn)行脫水。利用回轉(zhuǎn)窯中的煙氣余熱（２００？３００°Ｃ?）??和煙煤燃燒熱提供熱源，脫除濕礦內(nèi)游離水。經(jīng)千燥窯脫水工藝后，半干紅土礦??（約９０°Ｃ）從十燥窯中排出，再次經(jīng)過篩分破碎工序，磨細(xì)成小顆粒后，送至配??料站中與熔劑（石灰石）和還原劑（無煙煤）按一定比例進(jìn)行摻混。干燥帟中煙??氣的出Ｕ溫度？般為１０５？１１５?°Ｃ，經(jīng)除塵處理后排放至大氣。另外，礦料在預(yù)處理??工藝中會(huì)產(chǎn)生大最含有紅土礦顆粒的粉塵，需耍利用除塵設(shè)備（如袋式除塵器）??對(duì)含鎳的粉塵顆粒進(jìn)行回收１４５１。??由扣吸附水（游離水）主要吸附在紅丨?＇．鎳礦表面丨：，脫水溫度相對(duì)較低，？??般在２２０°Ｃ以Ｋ。當(dāng)?shù)V料溫度升至１１０°Ｃ時(shí)，游離水就會(huì)大量逸出。研究發(fā)現(xiàn)將礦??石中游離水脫除至２０％左右最佳，過度干燥會(huì)使礦石嚴(yán)灰化，容易被煙氣帶走??成為粉塵顆粒。結(jié)晶水和化學(xué)結(jié)合水在紅丨：礦內(nèi)以化合物的形式存在，需要高溫??（２９０？８２（ＴＣ）脫除。十燥簾…般采用順流式千燥窯，即礦料的流向與煙氣流向相??ｌ＂Ｊ〇??１．２．４．２回轉(zhuǎn)窯工藝流程??丄滅Ｏｆ？？??ＬＵＴＷｔｌＯＩＸｌ?＾??

本文編號(hào)：2882936