炼铁工艺煤粉-除尘泥混喷过程的动力学研究

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高炉喷吹煤粉是炼铁工艺的主要技术,风口喷煤不仅有利于调整炉温,提高生产率,还能减少焦炭资源的利用,降低炼铁成本。由于烟煤、无烟煤自身物性不同,导致两种煤粉在炉内燃烧效率也不同,因此,如何提高煤粉燃烧效率,减少未燃煤粉的堆积,一直是学术界重点的问题。除尘泥是钢铁生产中产生的含铁粉尘,这些粉尘中的Fe、C元素为可回收资源,随着对环境和资源问题的日益重视,加强对这部分资源的利用显得尤为突出。本文以某钢铁公司提供的两种喷吹煤粉和一种除尘泥为原料,对烟煤、无烟煤混合煤粉以及除尘泥燃烧相关动力学问题进行研究,通过以热分析法建立煤粉燃烧过程的非等温动力学模型,探究煤粉和除尘泥混合对煤粉燃烧性能以及动力学问题的影响规律及其影响机理,综合安全性与经济性以及响应国家环保政策,优化出最佳的混合煤粉与除尘泥配比方案。论文的主要结论如下:(1)试验选定的两种喷吹用煤为A和B。其中,无烟煤A的固定碳含量为77.72%,挥发分为10.57%,硫含量为0.66%;烟煤B的挥发分为30.65%,硫含量为0.45%。除尘泥的矿物组成主要是磁铁矿与钙铁橄榄石,TFe含量相对较高,可达59.14%,且含有碳素和参与冶炼造渣的矿物(如CaO、MgO),具有较高的利用价值。但除尘泥也含有少量的Cl、S、Zn、K等有害元素,故在使用过程中需要考虑其影响,并在以后的实验中加以研究。相比煤粉,除尘泥粒径较细,粒度为-74μm的比例高达93.19%;同时,除尘泥具有较大的比表面积(S)、较小的中位粒径(D50)以及合适的粒径分布离散度。几种粉体的粒度分布离散度(η)均较小(<4.0),粒级均匀程度满足喷吹要求。(2)在一定升温速率下,随着煤粉中除尘泥含量的增加,煤粉燃烧DTG曲线向低温区发生移动,最大燃烧速率所对应温度Tm降低,最大燃烧速率Rmax先增大后减小。其中添加3%~5%含量除尘泥的煤粉Rmax较大、温度较低、热分析曲线变化最为明显,促进煤粉燃烧。(3)在一定升温速率下,随着煤粉中除尘泥含量(0%、3%、5%、7%、10%)的增加,煤粉的着火温度Ti略有增大,燃尽温度Th降低,燃尽指数Df增大,燃尽所用时间缩短,使燃尽过程进行的更完全,其中加入3%~5%的除尘泥使煤粉燃尽的过程变化更加明显,说明其能够促进煤粉的燃尽效果,提高煤粉燃烧反应性。(4)在一定升温速率下,随着除尘泥的比例的增加,煤粉燃烧的放热量Q先升高后降低,燃烧烈度DSCmax先增大后降低,其中加入3%~5%含量的除尘泥会使煤粉的放热量提高较多,烈度变化较为明显,故添加该含量的除尘泥使煤粉的综合释热特性有所提高,能够有效改善煤粉燃烧热效率。(5)在一定升温速率下,随着煤粉中除尘泥含量的增加,使煤粉燃烧反应的总活化能下降,活化分子数量增多,根据公式k=Aexp(-E/RT),发现加入3%~5%含量的除尘泥使煤粉反应速率常数增大,说明添加3%~5%含量的除尘泥能够改善煤粉燃烧的动力学条件。(6)除尘泥的成分主要为铁氧化物、脉石,并掺杂有少量的碱金属,在一定升温速率下,发现添加除尘泥中存在的Fe3O4、K2CO3、CaO,有改善煤粉的燃烧性能的作用,从反应动力学角度看,Fe3O4、K2CO3可以使煤粉动力表观活化能E降低,反应速率常数k提高,提高了反应发生的可能性。故从煤粉的燃烧性能和分子活化角度发现,除尘泥促进煤粉燃烧也与除尘泥中Fe3O4、K2CO3有关。(7)大多数铁氧化物都具有较强的催化氧化性能,由于除尘泥中含有大量铁氧化物,使得煤粉燃烧过程中存在Fe2O3、Fe3O4、FexO等物质,加速煤粉本身的裂化反应,促使煤粉燃烧反应迅速进行。故除尘泥促进煤粉燃烧也有尘泥中铁氧化物的作用。其中当添加除尘泥的比例为3%~5%,煤粉的燃烧效果达到最佳,因此也可以利用部分除尘泥,实现资源的综合利用。
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