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COREX熔融气化炉内块煤裂解机理及喷煤燃烧行为研究

作　者: 朱丰
导　师: 张生富
学　校: 重庆大学
专　业: 冶金工程
关键词: COREX 熔融气化炉块煤裂解燃烧数值模拟
分类号: TF557
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

COREX工艺是一项已实现工业化生产的熔融还原炼铁新技术。块煤作为COREX炼铁工艺的入炉燃料，其自身的性质及高温下的裂解行为对COREX工艺的燃料比具有重要影响。目前的生产实践证明COREX工艺的能耗远高于高炉炼铁系统的能耗，而且对块煤的煤种及粒度要求苛刻，同时块煤在生产、运输、筛分等过程中不可避免产生大量煤粉，由于COREX工艺的喷煤技术尚不成熟，导致粉煤利用不好，以上诸因素均严重影响了COREX工艺的经济性和竞争力。因此，COREX工艺过程中块煤的裂解机理及喷煤燃烧行为研究具有重要的学术意义和工业应用价值。首先，采用热重-质谱联用分析技术研究了兴隆庄煤与大同煤的裂解失重特性及裂解气体产物的生成规律，分析了煤种、升温速率、CO气氛等因素对煤样裂解的影响规律，同时对煤的失重过程及气体生成过程进行了动力学求解。研究结果表明：煤在升温过程中经历了干燥脱气、裂解、缩聚三个阶段，兴隆庄煤的裂解失重率及失重速率大于大同煤。升温速率对兴隆庄煤的裂解失重率影响不大，但失重速率随升温速率的增大而增大，CO气氛对兴隆庄煤的裂解具有抑制作用。煤的失重动力学过程可分为3个阶段，第1阶段符合反应级数n=1模型，第2阶段符合一维扩散模型，第3阶段符合反应级数n=3模型。两种煤裂解过程中气体的生成规律类似，气体的生成动力学可通过不同温度段分别求解，且2级反应级数模型能够较好的描述各气体组分的生成过程，气体组分的平均活化能大小顺序为：CO₂>CO>CH₄>H₂>H₂O。其次，通过自制的块煤裂解实验装置研究了兴隆庄块煤和大同块煤在高温下的裂解特性，分析了裂解后半焦的形貌结构特征，同时根据不同温度下块煤裂解的失重曲线，求解了块煤高温裂解动力学。研究结果表明：块煤在高温下裂解主要经历了3个阶段，在开始2min内主要为煤中水分及吸附气体的脱除；在2¹0min之间为煤的主要裂解阶段，煤中主要官能团发生断裂分解；在10min后为裂解后半焦的缩聚反应。裂解后的半焦表面气孔增加，并且孔径增大，同时产生了大量的裂纹，傅里叶变换红外光谱分析显示煤中主要官能团在4min前完成分解。随着裂解温度的升高，煤的失重速率增大，裂解所需的时间减少，裂解后半焦的002及100晶面上的衍射峰变窄、变高，对应的2θ角度向右偏移。动力学求解结果显示块煤的高温裂解过程符合扩散模型，兴隆庄煤裂解的活化能高于大同煤。再次，采用相似原理设计了COREX熔融气化炉的高温喷煤模型，对无烟煤和烟煤进行了热态喷吹实验，研究了煤种、煤粉粒径、温度等因素对喷煤燃烧率的影响。研究结果表明：无烟煤和烟煤的燃烧率都随着炉内温度的升高而增大，烟煤的燃烧率略大于无烟煤；当煤粉的粒度增大时，其燃烧率减小；将无烟煤和烟煤进行混合喷吹能够保持较高的燃烧率。最后，利用计算流体力学（CFD）软件建立了COREX熔融气化炉风口区喷煤燃烧的二维数学模型，研究了吹氧速度、喷吹量、煤粉粒径、喷吹角度等因素对喷煤燃烧行为的影响规律。研究结果表明：煤粉的裂解速率随着吹氧速度的增大而减小，但在整个风口区裂解过程很快，燃烧速率随吹氧速度的增大具有增大的趋势，但煤粉未进行充分燃烧就已离开风口区，因此燃烧率急剧下降。煤粉裂解速率随着喷吹量的增大而增大，而裂解率基本保持不变；燃烧速率随着喷吹量的增大而减小，燃烧率也快速减小。煤粉裂解速率随着煤粉粒径的增大而减小，当煤粉粒径增大到一定程度时，裂解率快速减小；燃烧速率随着煤粉粒径的增大而减小，燃烧率也快速减小。裂解率随喷吹角度变化不大，而燃烧率随着喷吹角度的增大而增大。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-17
  1.1 课题的研究背景  9-10
  1.2 COREX 工艺的研究现状  10-15
    1.2.1 COREX 工艺的研究进展  10-12
    1.2.2 COREX 熔融气化炉内块煤的应用基础研究  12-14
    1.2.3 COREX 熔融气化炉风口区喷吹煤粉的研究  14-15
  1.3 课题的研究意义  15
  1.4 课题的研究内容  15-17
2 COREX 工艺用煤的热行为研究  17-37
  2.1 实验原料及设备  17-18
    2.1.1 实验原料  17-18
    2.1.2 实验设备  18
  2.2 结果与讨论  18-35
    2.2.1 煤的升温裂解失重特征  18-22
    2.2.2 煤裂解气体的生成规律  22-26
    2.2.3 煤裂解的失重过程动力学  26-28
    2.2.4 煤裂解气体的生成动力学  28-35
  2.3 本章小结  35-37
3 块煤的高温快速裂解机理研究  37-53
  3.1 实验原料及设备  37-39
    3.1.1 实验原料  37
    3.1.2 实验设备  37-38
    3.1.3 半焦分析方法  38-39
  3.2 结果与讨论  39-52
    3.2.1 块煤高温裂解的失重特征  39-41
    3.2.2 裂解生成半焦的形貌特征  41-43
    3.2.3 裂解生成半焦的结构特征  43-48
    3.2.4 块煤恒温裂解过程动力学  48-52
  3.3 本章小结  52-53
4 COREX 工艺喷煤燃烧行为的热态模拟研究  53-63
  4.1 实验原料及条件  53-56
    4.1.1 实验原料  53
    4.1.2 实验设备  53-54
    4.1.3 实验条件  54-56
  4.2 结果与讨论  56-61
    4.2.1 不同温度下的喷煤燃烧率  56
    4.2.2 不同粒度下的喷煤燃烧率  56-57
    4.2.3 无烟煤与烟煤混合喷吹的燃烧率  57-61
  4.3 本章小结  61-63
5 COREX 工艺喷煤燃烧行为的数值模拟研究  63-75
  5.1 数学模型的建立  63-66
    5.1.1 计算模型  64-65
    5.1.2 材料及边界条件  65
    5.1.3 燃烧衡量指标  65-66
  5.2 结果与讨论  66-74
    5.2.1 不同吹氧速度下的喷煤燃烧行为  66-68
    5.2.2 不同喷吹量下的喷煤燃烧行为  68-70
    5.2.3 不同煤粉粒径下的喷煤燃烧行为  70-73
    5.2.4 不同喷吹角度下的喷煤燃烧行为  73-74
  5.3 本章小结  74-75
6 结论与展望  75-77
  6.1 结论  75-76
  6.2 展望  76-77
致谢  77-79
参考文献  79-85
附录  85
  A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录  85
  B 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目  85
  C 作者在攻读硕士学位期间取得的主要荣誉  85

COREX熔融气化炉内块煤裂解机理及喷煤燃烧行为研究

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