煤制氣-氣基豎爐直接還原工藝的基礎研究.pdf

1、發(fā)展直接還原鐵生產是我國擺脫焦煤資源短缺羈絆、改善鋼鐵能源結構和產品結構、解決廢鋼資源短缺、實現資源綜合利用、堅持鋼鐵產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。相比其它直接還原工藝，氣基豎爐直接還原技術憑借其還原速度快、產品質量穩(wěn)定、自動化程度高、單機產能大、工序能耗低等優(yōu)點成為世界直接還原鐵生產的主流工藝。隨著氣基豎爐直接還原工藝的不斷創(chuàng)新，結合現有成熟的煤氣化工藝，以煤制合成氣為還原劑的豎爐直接還原技術是天然氣資源不足而非焦煤資源豐富的中國發(fā)展

2、直接還原鐵生產的主導方向。
　　盡管煤制氣-氣基豎爐直接還原技術是煤氣化工藝和豎爐工藝兩個成熟技術的組合，在理論上是可靠的，但實際實施過程中還存在諸多關鍵技術問題，包括:基于國內煤資源條件選擇合理的煤制氣工藝、基于國內鐵礦資源制備氣基豎爐用優(yōu)質氧化球團、球團還原膨脹機理分析及性能改善、氣基豎爐直接還原熱力學及動力學機理研究、氣基豎爐直接還原過程物質流和能量流分析等。為此，本文圍繞煤制氣-氣基豎爐直接還原工藝以上關鍵技術問題進行了系

3、統研究，并將其應用于硼鐵礦高效清潔化綜合利用。
　　在全面把握現有煤氣化工藝特征的基礎上，結合豎爐還原工藝的需求，通過單指標橫向對比和多指標綜合加權評分法，綜合投資成本、氧耗、煤耗、冷煤氣轉化效率、煤氣中CO/H2、煤氣氧化度、煤氣中有效還原氣含量、凈熱效率、碳轉化率、單爐產能等指標，對Lurgi、Ende、Texaco和Shell四種主要煤氣化技術進行定量化評價。結果表明，Shell氣流床干粉煤加壓氣化法和Ende流化床粉煤常壓

4、氣化法較適于作為氣基豎爐直接還原用煤氣的生產技術。
　　基于國內鐵礦資源，進行了氣基豎爐直接還原用球團制備及冶金性能測試研究。結果表明，選用膠質價、膨脹容和吸水率較高的膨潤土為黏結劑，生球性能和成品球抗壓強度更高。在兼顧球團強度和品位的同時，膨潤土的適宜添加量為1％。實驗制備的三種鐵礦球團綜合性能良好，各項指標均滿足氣基豎爐實際生產的要求?；趪鴥辱F礦資源，配加適宜黏結劑，選取合理工藝參數，能夠得到氣基豎爐直接還原用優(yōu)質球團。

5、r>　　鑒于球團的還原膨脹性能是決定豎爐內氣流能否合理分布、生產是否順行的最關鍵指標，本文在實施球團氣基直接還原實驗的同時，探索了溫度、氣氛以及脈石組分對球團還原膨脹的影響，并研究了硼鎂復合添加劑改善球團還原膨脹性能的可行性。結果表明，隨著氣氛中H2含量的增加和還原溫度的降低，球團還原膨脹率減小。CO氣氛下球團內鐵晶粒的絮狀析出形態(tài)、滲碳反應以及還原反應熱效應是導致球團還原膨脹率劇增的主要因素。球團中包含適宜量的CaO、SiO2和MgO

6、有利于焙燒時產生渣相黏結，形成穩(wěn)定的晶體結構，降低還原膨脹率。適宜量的硼鎂復合添加劑改善了球團的還原膨脹性能，提高了球團還原冷卻后強度。
　　基于熱力學原理和未反應核模型，系統分析球團氣固還原反應熱力學和動力學機理，獲取煤氣理論利用率計算式和還原反應速率解析式。結果表明，還原煤氣中H2/CO大于1和溫度高于800℃時，煤氣利用率隨H2/CO的增大和還原溫度的升高而增大;隨著還原產物滲碳量的增加、金屬化率的升高和煤氣氧勢的增大而降低

7、。在850-1050℃之間，隨著還原氣氛中H2含量的增加，反應的活化能逐漸降低，導致還原反應速率加快;但超過50％后，H2含量的增加對加速還原反應的影響逐漸減弱。H2氣氛下，反應活化能為27.444 kJ/mol，界面反應為還原過程的限制性環(huán)節(jié);CO氣氛下，反應活化能為39.907 kJ/mol，反應初期界面反應阻力占優(yōu)，隨著還原的不斷深入和產物層的逐漸增厚，在還原率達20％以后，內擴散阻力占據主導，成為主要限制性環(huán)節(jié)。
　　通過

8、物料平衡和能量平衡計算，分析氣基豎爐直接還原過程物質流和能量流，并創(chuàng)建豎爐(火用)評價模型，解析氣基豎爐直接還原過程的能量轉換機制。結果表明，爐頂煤氣中有效還原氣體(H2+CO)含50％以上，若將其循環(huán)利用，可降低冶煉噸直接還原鐵一半的煤氣需求量。熱支出中超過50％的熱被爐頂煤氣帶走，而用于鐵氧化物還原的耗熱不到20％。氣基豎爐直接還原煉鐵90％的輸入(火用)來源于還原煤氣的化學(火用)，與高爐煉鐵相比，冶煉噸鐵需要輸入的(火用)值更少