PDF《博士学位论文公示材料》

―1― 博士学位论文公示材料 学生姓名 张伟 学号

1110231 二级学科 钢铁冶金 导师姓名 邹宗树 论文题目 氧气高炉基础理论与工艺优化研究 论文关键词 氧气高炉;

数学模型;

热力学;

动力学;

多目标优化;

分析 论文摘要(中文) 炉顶煤气循环的氧气高炉(TGR-OBF)工艺作为一种富有前景的炼铁新工艺,具有生产率高、喷 煤比高、燃料比低和 CO2 排放量低等优势.

但是采用高富氧大喷煤以及炉顶煤气循环操作后,一方面 由于缺乏新工艺的非稳态数学模型做指导,整体工艺的复杂性增加了现场操作的难度,恶化了生产指 标;

另一方面,缺乏对于 高炉―热风炉―顶气循环 整体系统的合理布局和优化配置,这也对生产 造成一定程度的盲目性和不可预知性.经过文献调研还发现,在氧气高炉的诸多工艺模型计算中所采 用的热力学数据大都不能满足铁氧化物还原反应优势区图的热力学限制性条件,给工艺平衡计算造成 不确定影响,且近年来对于铁氧化物逐级还原机理的争议常见诸国内外学术期刊,这动摇了氧气高炉 动力学模拟所依赖的理论基础. 本文通过约束性拟合和差热实验验证给出了精确的优势区图曲线及其热力学数据.考虑时间、气 氛和压力等因素,根据多界面未反应核模型对氧气高炉炉身限制性环节进行数学模拟,得出了炉身间 接还原度与炉腹还原性气体的含量近似呈线性关系的结论.以氧气高炉、热风炉和炉顶 CO2 脱除所组 成的系统为研究对象,考虑限制性环节的动力学约束、炉身气体燃烧的化学平衡和气体非稳态循环过 程中物理性质的自洽性,建立了氧气高炉非稳态和多目标优化的数学模型.举例阐述了 TGR-OBF 工艺 非稳态运行中各种工艺参数的变化以及技术经济指标的变化.通过对氧气高炉炼铁的基础理论以及 TGR-OBF 工艺的非稳态解析和多目标优化,最终获得以下主要结论: (1) CO和H2还原铁氧化物的三相点温度均为576? C, CO和H2还原能力大小的转换温度点为819? C;

确定了铁氧化物被 CO 和H2 还原的吉布斯自由能随温度变化的

16 个经验公式和

8 个298K 时的反应焓 变;

赤铁矿还原反应机理是依赖于温度的变化而变化,在较低温度时发生两步反应,在较高温度时发 生三步反应,等温过程中的机理转换临界点为 576? C,非等温过程浮士体出现与否的转化温度并非 576? C,这是由于升温速率的改变而发生不同程度的延迟效果;

通过理论计算和实验研究阐明了非化学 计量比对铁氧化物还原的热力学和动力学的影响. (2) 开发出了 多界面未反应核数学模拟 软件平台,根据单界面未反应核数学模拟,当氧气高 炉的冶炼强度与基准期普通热风高炉相同时,对应于鼓风含氧量为 22.2%、40%、60%、80%和100% 的不同操作工艺,炉身间接还原度分别为 0.

53、0.

64、0.

68、0.73 和0.81,当调整下料速度使氧气高炉 与普通高炉具有相同的间接还原度时,富氧率越高所需还原时间越短,相对应的不同氧气高炉的利用 系数分别为 2.0 t・d-1 ・m-3 、2.83 t・d-1 ・m-3 、3.26 t・d-1 ・m-3 、3.84 t・d-1 ・m-3 和5.02 t・d-1 ・m-3 . (3) 开发出了 TGR-OBF 工艺的非稳态解析与多目标优化 软件平台,根据对传统热风高炉的计 算结果, 该工艺焦比 337kg/t, 煤比 198kg/t, 碳素消耗 425kg/t, 干燃料比为 523kg/t, 第一种热损失 4.10%, 热空区温度为 980? C,理论燃烧温度 2032? C,两种能量消耗分别为 519kgce/t 和377kgce/t,两种消耗 分别为 15.63GJ/t 和11.96GJ/t,系统的效率为 77%. (4) 采用三维系统优化方法明确了 TGR-OBF 工艺中