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铁矿粉流态化还原动力学的比较实验研究

作　者: 张宇涛
导　师: 郑忠
学　校: 重庆大学
专　业: 冶金工程
关键词: 微型流化床反应分析仪等温热重 CO还原热分析动力学流态化还原
分类号: TF55
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

高炉炼铁流程长、投资大、能耗高以及环境污染严重，并且依赖焦炭。随着焦煤资源的日渐匮乏，钢铁工业的发展需求与焦炭供应的矛盾日益突出。这也成为人们研究和发展非高炉炼铁的根本动力。以流化床为还原设备的炼铁工艺，因可直接使用粉矿而备受青睐。为了优化流化床中矿粉CO还原的动力学条件，提高还原速率以及生产效率，本文利用微型流化床动力学分析仪和热重分析仪分别研究了巴西矿粉在不同温度，不同CO体积分数气氛中的还原行为。然后通过流化床实现了巴西矿粉的流态化预还原和终还原反应。考察了巴西矿粉预还原阶段的温度和停留时间对终还原过程的影响规律。并分析了产物结构的变化对整个还原过程中巴西矿粉还原行为的影响。热重分析仪中，随着温度的升高，纯Fe₂O₃试剂完全还原时间显著降低，还原速率显著提高。模型函数配合法与无模型函数法求解所得的表观活化能接近。根据反应机理函数，确定了还原过程的限制性环节为区域化学反应。700-850℃范围内，热重中巴西矿粉在CO体积分数为50%和75%的气氛中还原，受到CO气体外扩散的限制，巴西矿粉无法被完全还原。随着温度的升高，矿粉最终的还原度逐渐升高，但反应速率没有明显的变化。而CO的体积分数对铁矿粉的还原速率有显著的影响。微型流化床反应分析仪中，矿粉颗粒被完全还原所用的时间随着反应温度和CO体积分数的升高而逐步缩短。矿粉的还原速率随着反应温度和CO体积分数的升高而显著增大。然而当体系中CO体积分数较小时，温度对反应速率的影响趋缓。在整个还原过程中，反应初期化学反应速率最快，并且在该阶段温度对化学反应速率有非常显著的影响。到了还原反应后期，温度对化学反应速率影响趋缓。模型函数配合法与无模型函数法求解所得的表观活化能接近。根据反应机理函数，结合还原产物的表面形貌分析，确定了还原过程的限制性环节为CO气体的内扩散。较热重而言，巴西矿粉在微型流化床反应分析仪中的还原速度非常的快，并有效的抑制了外扩散作用，求解的动力学参数与本征反应相近。同时也表明通过微型流化床反应分析仪求解的动力学参数更适合指导以流化床为反应器的炼铁工艺。在流化床中，巴西矿粉在预还原阶段，矿粉预还原度随着预还原温度的升高而增大。当预还原温度为400℃、500℃、700℃时，巴西矿粉的终还原度随着预还原温度的升高而显著增大。预还原温度为600℃和750℃时，出现了异常状况，这两个温度点的终还原度分别低于500℃和700℃时的值。把600℃预还原阶段的停留时间由10分钟下调到8分钟，发现矿粉的终还原度有显著提高。通过对矿粉预还原和终还原产物SEM分析，发现在矿粉还原过程中，反应速率和停留时间共同决定着矿粉产物层的孔隙率。温度越高，还原反应速率越快，单位时间内的失氧量就越多，形成的孔洞和裂纹也就越多，矿粉在还原过程中孔与裂纹的形成与烧结作用是并存的。随着反应的进行，反应速率逐渐减小，加之受到还原气氛或温度的限制，还原速率就愈发缓慢，孔和裂纹的数目也不再增加。此时，如果还原温度过高，烧结作用就会凸显，因而产生了孔与裂纹闭合的现象。烧结后致密的产物层阻碍了还原气向反应界面的扩散，使得矿粉颗粒还原度较低。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-25
  1.1 引言  9
  1.2 流态化炼铁工艺的发展现状  9-15
    1.2.1 FINMET 工艺介绍  11
    1.2.2 FIOR 工艺介绍  11-13
    1.2.3 FINEX 工艺介绍  13-15
  1.3 氧化铁还原的研究现状  15-22
    1.3.1 氧化铁还原反应热力学研究  15-19
    1.3.2 氧化铁还原反应动力学研究  19-22
  1.4 本课题研究的意义和内容  22-25
    1.4.1 研究的意义  22-23
    1.4.2 研究的内容  23-25
2 热重中 CO 还原氧化铁粉动力学实验研究  25-37
  2.1 实验方案及方法  25-29
    2.1.1 实验方案  25-27
    2.1.2 实验方法  27-29
  2.2 CO 还原纯 Fe_2O_3试剂实验结果及分析  29-33
    2.2.1 转化率计算结果及分析  29
    2.2.2 反应速率计算结果及分析  29-30
    2.2.3 动力学参数的求解及结果分析  30-33
  2.3 CO 还原铁矿粉实验结果及分析  33-36
    2.3.1 转化率计算结果及分析  33-34
    2.3.2 反应速率计算结果及分析  34-36
  2.4 小结  36-37
3 微型流化床中 CO 还原铁矿粉动力学实验研究  37-53
  3.1 实验方案及方法  37-40
    3.1.1 实验方案  37-39
    3.1.2 实验方法  39-40
  3.2 CO 还原铁矿粉实验结果及分析  40-51
    3.2.1 转化率计算结果及分析  40-42
    3.2.2 反应速率计算结果及分析  42-44
    3.2.3 动力学参数的求解及结果分析  44-50
    3.2.4 微型流化床反应分析仪和热重反应分析仪动力学数据对比分析  50-51
  3.3 小结  51-53
4 流化床中 CO 还原铁矿粉动力学实验研究  53-65
  4.1 实验方案及方法  53-56
    4.1.1 实验方案  53-55
    4.1.2 实验方法  55-56
  4.2 实验结果及分析  56-63
    4.2.1 流态化预还原条件对终还原过程的影响  56-58
    4.2.2 还原过程中矿粉的表面形貌分析  58-63
  4.3 小结  63-65
5 结论  65-67
致谢  67-69
参考文献  69-73
附录 A  73

铁矿粉流态化还原动力学的比较实验研究

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