煤制氣-氣基豎爐直接還原工藝的基礎(chǔ)研究.pdf

1、發(fā)展直接還原鐵生產(chǎn)是我國擺脫焦煤資源短缺羈絆、改善鋼鐵能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、解決廢鋼資源短缺、實(shí)現(xiàn)資源綜合利用、堅(jiān)持鋼鐵產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。相比其它直接還原工藝，氣基豎爐直接還原技術(shù)憑借其還原速度快、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、自動化程度高、單機(jī)產(chǎn)能大、工序能耗低等優(yōu)點(diǎn)成為世界直接還原鐵生產(chǎn)的主流工藝。隨著氣基豎爐直接還原工藝的不斷創(chuàng)新，結(jié)合現(xiàn)有成熟的煤氣化工藝，以煤制合成氣為還原劑的豎爐直接還原技術(shù)是天然氣資源不足而非焦煤資源豐富的中國發(fā)展

2、直接還原鐵生產(chǎn)的主導(dǎo)方向。
　　盡管煤制氣-氣基豎爐直接還原技術(shù)是煤氣化工藝和豎爐工藝兩個(gè)成熟技術(shù)的組合，在理論上是可靠的，但實(shí)際實(shí)施過程中還存在諸多關(guān)鍵技術(shù)問題，包括:基于國內(nèi)煤資源條件選擇合理的煤制氣工藝、基于國內(nèi)鐵礦資源制備氣基豎爐用優(yōu)質(zhì)氧化球團(tuán)、球團(tuán)還原膨脹機(jī)理分析及性能改善、氣基豎爐直接還原熱力學(xué)及動力學(xué)機(jī)理研究、氣基豎爐直接還原過程物質(zhì)流和能量流分析等。為此，本文圍繞煤制氣-氣基豎爐直接還原工藝以上關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了系

3、統(tǒng)研究，并將其應(yīng)用于硼鐵礦高效清潔化綜合利用。
　　在全面把握現(xiàn)有煤氣化工藝特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合豎爐還原工藝的需求，通過單指標(biāo)橫向?qū)Ρ群投嘀笜?biāo)綜合加權(quán)評分法，綜合投資成本、氧耗、煤耗、冷煤氣轉(zhuǎn)化效率、煤氣中CO/H2、煤氣氧化度、煤氣中有效還原氣含量、凈熱效率、碳轉(zhuǎn)化率、單爐產(chǎn)能等指標(biāo)，對Lurgi、Ende、Texaco和Shell四種主要煤氣化技術(shù)進(jìn)行定量化評價(jià)。結(jié)果表明，Shell氣流床干粉煤加壓氣化法和Ende流化床粉煤常壓

4、氣化法較適于作為氣基豎爐直接還原用煤氣的生產(chǎn)技術(shù)。
　　基于國內(nèi)鐵礦資源，進(jìn)行了氣基豎爐直接還原用球團(tuán)制備及冶金性能測試研究。結(jié)果表明，選用膠質(zhì)價(jià)、膨脹容和吸水率較高的膨潤土為黏結(jié)劑，生球性能和成品球抗壓強(qiáng)度更高。在兼顧球團(tuán)強(qiáng)度和品位的同時(shí)，膨潤土的適宜添加量為1％。實(shí)驗(yàn)制備的三種鐵礦球團(tuán)綜合性能良好，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足氣基豎爐實(shí)際生產(chǎn)的要求。基于國內(nèi)鐵礦資源，配加適宜黏結(jié)劑，選取合理工藝參數(shù)，能夠得到氣基豎爐直接還原用優(yōu)質(zhì)球團(tuán)。

5、r>　　鑒于球團(tuán)的還原膨脹性能是決定豎爐內(nèi)氣流能否合理分布、生產(chǎn)是否順行的最關(guān)鍵指標(biāo)，本文在實(shí)施球團(tuán)氣基直接還原實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，探索了溫度、氣氛以及脈石組分對球團(tuán)還原膨脹的影響，并研究了硼鎂復(fù)合添加劑改善球團(tuán)還原膨脹性能的可行性。結(jié)果表明，隨著氣氛中H2含量的增加和還原溫度的降低，球團(tuán)還原膨脹率減小。CO氣氛下球團(tuán)內(nèi)鐵晶粒的絮狀析出形態(tài)、滲碳反應(yīng)以及還原反應(yīng)熱效應(yīng)是導(dǎo)致球團(tuán)還原膨脹率劇增的主要因素。球團(tuán)中包含適宜量的CaO、SiO2和MgO

6、有利于焙燒時(shí)產(chǎn)生渣相黏結(jié)，形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，降低還原膨脹率。適宜量的硼鎂復(fù)合添加劑改善了球團(tuán)的還原膨脹性能，提高了球團(tuán)還原冷卻后強(qiáng)度。
　　基于熱力學(xué)原理和未反應(yīng)核模型，系統(tǒng)分析球團(tuán)氣固還原反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)機(jī)理，獲取煤氣理論利用率計(jì)算式和還原反應(yīng)速率解析式。結(jié)果表明，還原煤氣中H2/CO大于1和溫度高于800℃時(shí)，煤氣利用率隨H2/CO的增大和還原溫度的升高而增大;隨著還原產(chǎn)物滲碳量的增加、金屬化率的升高和煤氣氧勢的增大而降低

7、。在850-1050℃之間，隨著還原氣氛中H2含量的增加，反應(yīng)的活化能逐漸降低，導(dǎo)致還原反應(yīng)速率加快;但超過50％后，H2含量的增加對加速還原反應(yīng)的影響逐漸減弱。H2氣氛下，反應(yīng)活化能為27.444 kJ/mol，界面反應(yīng)為還原過程的限制性環(huán)節(jié);CO氣氛下，反應(yīng)活化能為39.907 kJ/mol，反應(yīng)初期界面反應(yīng)阻力占優(yōu)，隨著還原的不斷深入和產(chǎn)物層的逐漸增厚，在還原率達(dá)20％以后，內(nèi)擴(kuò)散阻力占據(jù)主導(dǎo)，成為主要限制性環(huán)節(jié)。
　　通過

8、物料平衡和能量平衡計(jì)算，分析氣基豎爐直接還原過程物質(zhì)流和能量流，并創(chuàng)建豎爐(火用)評價(jià)模型，解析氣基豎爐直接還原過程的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制。結(jié)果表明，爐頂煤氣中有效還原氣體(H2+CO)含50％以上，若將其循環(huán)利用，可降低冶煉噸直接還原鐵一半的煤氣需求量。熱支出中超過50％的熱被爐頂煤氣帶走，而用于鐵氧化物還原的耗熱不到20％。氣基豎爐直接還原煉鐵90％的輸入(火用)來源于還原煤氣的化學(xué)(火用)，與高爐煉鐵相比，冶煉噸鐵需要輸入的(火用)值更少