论文部分内容阅读
近年来，资源、能源、环保等国家政策持续促进中国钢铁工业的技术改造和转型升级，以实现钢铁工业的可持续发展。基于流态化还原的FINEX炼铁技术在直接处理铁粉矿、摆脱焦炭依赖、缩短炼铁工艺流程、节能环保等方面具有明显优势而成为具有潜力的炼铁新工艺之一。流态化还原炼铁技术以流化床作为反应器，以气体作为流化介质及还原剂，显著增强了还原气体与铁矿粉间的动量热量质量传递，大幅改善了还原反应的动力学条件，促进了化学反应的进行。研究铁矿粉在CO及H2混合还原气体作用下的反应动力行为及机理，将有助于复杂气氛条件下铁矿粉流态化还原过程的认识和相关工艺的发展，论文选题具有重要意义。
论文采用微型流化床气固反应测试系统为实验平台，以CO、H2气体及其混合气体为还原剂进行铁矿粉还原过程动力学实验研究。首先，通过分析反应速率、转化率、反应时间等关键反应过程参数的变化规律，获得了温度、还原气体种类、气体浓度、颗粒粒度等因素对铁氧化物还原过程的影响规律；然后，通过不同方法计算得到了铁矿粉反应过程的动力学参数，确定了反应过程的限制性环节和动力学模型；在此基础上分析表明整个还原过程存在限制性环节的转变；最后，通过对多个动力学模型与实验结果的对比分析，确定了铁矿粉还原过程限制性环节的转变点以及各个限制性环节的作用区间。主要研究内容及结论如下：
①升高温度及增加气体浓度有利于反应过程的进行，H2气体含量的增加可进一步缩短反应时间，但过高的CO气体含量会促使析碳反应加剧，阻碍反应进行，各条件下还原反应速率整体上呈现先增加后降低的趋势。单一气体还原过程中，对于CO气体，反应速率在转化率X为0~0.2内达到最大值；对于H2气体，速率的最大值在转化率X为0.2~0.6之间；而对于混合气体，CO反应速率在达到最大值后的下降过程中会出现一次小幅的上升，然后继续逐渐下降，出现时间处于转化率X为0.2~0.6之间，主要原因是反应由Fe3O4→FeO逐渐转变为FeO→Fe过程所致。增加气体浓度有利于反应进行，特别是H2气体含量的增加可进一步缩短反应时间。适宜的气氛组成、较高的还原温度及较低的矿粉粒度可加快反应的进行，从而提高还原效率。因此，在条件允许的情况下适当提高温度、使用小粒度矿粉，使用富氢气体，均可促进反应进行，提高生产效率，这些都可以为实际生产提供一定的参考。
②反应过程动力学参数的计算及机理分析表明，还原条件对反应活化能及控制机理均有影响。纯CO或纯H2气体还原巴西铁矿粉过程表观活化能范围分别为ECO=36.2~85.5/COKJ/mol和EH2=24.2~56/KJ/mol,混合气体还原巴西铁矿粉过程表观活化能为Emix=14~41.8KJ/mol，而混合气体还原澳洲铁矿粉过程表观活化能值为13.6~60.6KJ/mol；反应过程的控制机理主要由界面化学反应、内扩散控制机理组成，矿粉粒度对反应时间及内扩散环节影响显著，在温度及还原气氛一定的条件下，粒度越大还原时间越长，反应后期更倾向于内扩散控制机理，澳洲铁矿粉由于密度较大，中后期同样更易受气体内扩散控制。
③混合气体还原巴西铁矿粉过程中，反应过程转化率0.1＜X＜0.5时控制环节为化学反应及气体内扩散混合控制，转化率0.6＜X＜0.9时为气体内扩散控制，转变点则处于0.5＜X＜0.6之间；混合气体还原澳洲铁矿粉过程中，转化率处于0＜X＜0.4时为化学反应控制，转化率0.6＜X＜1时为内扩散控制，0.4＜X＜0.6为化学反应向内扩散控制的转变区间；在973K时符合G(X)=1-(1-X)1/3三维相界面反应模型，在1023K、1073K温度下为G(X)=1-(2/3)X-(1-X)2/3气体扩散模型；不同粒度矿粉还原过程基本上符合G(X)=1-(1-X)1/3三维相界面反应机理模型，400-500μm粒度矿粉在转化率X为0.8＜X＜1时更符合G(X)=1-(2/3)X-(1-X)2/3三维扩散模型。
论文采用微型流化床气固反应测试系统为实验平台，以CO、H2气体及其混合气体为还原剂进行铁矿粉还原过程动力学实验研究。首先，通过分析反应速率、转化率、反应时间等关键反应过程参数的变化规律，获得了温度、还原气体种类、气体浓度、颗粒粒度等因素对铁氧化物还原过程的影响规律；然后，通过不同方法计算得到了铁矿粉反应过程的动力学参数，确定了反应过程的限制性环节和动力学模型；在此基础上分析表明整个还原过程存在限制性环节的转变；最后，通过对多个动力学模型与实验结果的对比分析，确定了铁矿粉还原过程限制性环节的转变点以及各个限制性环节的作用区间。主要研究内容及结论如下：
①升高温度及增加气体浓度有利于反应过程的进行，H2气体含量的增加可进一步缩短反应时间，但过高的CO气体含量会促使析碳反应加剧，阻碍反应进行，各条件下还原反应速率整体上呈现先增加后降低的趋势。单一气体还原过程中，对于CO气体，反应速率在转化率X为0~0.2内达到最大值；对于H2气体，速率的最大值在转化率X为0.2~0.6之间；而对于混合气体，CO反应速率在达到最大值后的下降过程中会出现一次小幅的上升，然后继续逐渐下降，出现时间处于转化率X为0.2~0.6之间，主要原因是反应由Fe3O4→FeO逐渐转变为FeO→Fe过程所致。增加气体浓度有利于反应进行，特别是H2气体含量的增加可进一步缩短反应时间。适宜的气氛组成、较高的还原温度及较低的矿粉粒度可加快反应的进行，从而提高还原效率。因此，在条件允许的情况下适当提高温度、使用小粒度矿粉，使用富氢气体，均可促进反应进行，提高生产效率，这些都可以为实际生产提供一定的参考。
②反应过程动力学参数的计算及机理分析表明，还原条件对反应活化能及控制机理均有影响。纯CO或纯H2气体还原巴西铁矿粉过程表观活化能范围分别为ECO=36.2~85.5/COKJ/mol和EH2=24.2~56/KJ/mol,混合气体还原巴西铁矿粉过程表观活化能为Emix=14~41.8KJ/mol，而混合气体还原澳洲铁矿粉过程表观活化能值为13.6~60.6KJ/mol；反应过程的控制机理主要由界面化学反应、内扩散控制机理组成，矿粉粒度对反应时间及内扩散环节影响显著，在温度及还原气氛一定的条件下，粒度越大还原时间越长，反应后期更倾向于内扩散控制机理，澳洲铁矿粉由于密度较大，中后期同样更易受气体内扩散控制。
③混合气体还原巴西铁矿粉过程中，反应过程转化率0.1＜X＜0.5时控制环节为化学反应及气体内扩散混合控制，转化率0.6＜X＜0.9时为气体内扩散控制，转变点则处于0.5＜X＜0.6之间；混合气体还原澳洲铁矿粉过程中，转化率处于0＜X＜0.4时为化学反应控制，转化率0.6＜X＜1时为内扩散控制，0.4＜X＜0.6为化学反应向内扩散控制的转变区间；在973K时符合G(X)=1-(1-X)1/3三维相界面反应模型，在1023K、1073K温度下为G(X)=1-(2/3)X-(1-X)2/3气体扩散模型；不同粒度矿粉还原过程基本上符合G(X)=1-(1-X)1/3三维相界面反应机理模型，400-500μm粒度矿粉在转化率X为0.8＜X＜1时更符合G(X)=1-(2/3)X-(1-X)2/3三维扩散模型。