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【6h】

COREX预还原竖炉的数学物理模拟

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摘要

第1章 绪论

1.1 概述

1.2 COREX工艺概况及在我国的发展前景

1.2.1 宝钢C3000概况

1.2.2 COREX工艺在我国发展前景

1.3 竖炉生产直接还原铁工艺

1.3.1 MIDREX竖炉工艺概述

1.3.2 HYL竖炉工艺概述

1.3.3 COREX工艺竖炉流程

1.4 本课题研究目的和内容

1.4.1 本课题研究目的

1.4.2 本课题研究内容

1.5 本文创新点

第2章 COREX工艺模型

2.1 概述

2.2 文献研究

2.3 COREX工艺模型结构

2.4 模型输入项与输出项

2.4.1 模型输入项

2.4.2 模型数据输出

2.5 COREX工艺模型原理

2.5.1 主模块

2.5.2 原料优化模块

2.5.3 原料消耗模块

2.5.4 煤气量及成分模块

2.5.5 煤耗与氧耗模块

2.5.6 预还原竖炉物料平衡和热平衡

2.6 模型验证

2.7 本章小结

第3章 预还原竖炉冷态物理模拟实验

3.1 文献研究

3.2 冷态实验模型的建立

3.2.1 模型设计的理论依据

3.2.2 物理模型相似准数的推导

3.2.3 相似准数的确定

3.2.4 实验装置

3.3 预还原竖炉气体压强分布测定实验

3.3.1 实验方法

3.3.2 实验结果与分析

3.3.3 小结

3.4 预还原竖炉固体物料运动的实验研究

3.4.1 实验方法

3.4.2 实验结果与分析

3.4.3 小结

3.5 预还原竖炉气固反应进程的可视化实验

3.5.1 实验方法

3.5.2 实验结果与分析

3.5.3 小结

第4章 布料模式对煤气流分布影响的数学模拟

4.1 概述

4.2 模型及假设

4.3 布料模式

4.3.1 边界条件

4.3.2 结果分析讨论

4.4 本章小结

第5章 COREX预还原竖炉全过程的数学模拟

5.1 概述

5.2 数学模型

5.2.1 模型假设

5.2.2 模型的基本方程

5.2.3 模型基本参数的选取

5.2.4 反应速率方程式

5.2.5 计算条件

5.2.6 计算方法及流程图

5.3 计算结果

5.3.1 固料流动和气体流动

5.3.2 气固两相温度分布

5.3.3 固相反应结果

5.3.4 气相浓度分布

5.4 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

作者简介

攻读学位期间发表的论文

论文包含图、表、公式及文献

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摘要

COREX预还原竖炉为典型的气固逆流反应器,其内部合理的煤气流分布将有助于获得低料柱压差、低煤气单耗和高煤气利用率,从而获得高DRI金属化率。为了更好地理解和掌握COREX工艺,本文首先通过建立COREX静态工艺模型对其进行了工艺分析,然后对COREX预还原竖炉进行数学和物理模拟。主要工作如下:
  (1) COREX静态工艺模型
  在质量—能量平衡方程组以及约束条件的基础上建立了COREX静态工艺模型,工艺模型中增加原料优化模块和数据库操作功能。COREX工艺模型的计算值和工厂生产数据的相对误差均小于3%,说明模型有较高的可信度。利用工艺模型进行物料平衡和热平衡分析,计算结果为物理和数学模拟提供必要的边界条件。
  (2) COREX竖炉冷态物理模拟
  依据相似原理推导出模拟COREX预还原竖炉物理模型的相似准数,建立了与实际COREX-C3000预还原竖炉1∶20相似比的半周冷态物理模型,并确定了实验方案。测定了不同气体流量、不同床层高度、不同下料速度、不同填充料、不同中心粉料配比条件下炉内气体压强的分布情况,了解了预还原竖炉内部气流分布的一些规律。
  对预还原竖炉内固体物料运动进行了可视化实验,考察了竖炉内不同位置的下料情况,得到了炉内固体物料在径向和轴向运动变化的规律。
  利用硅胶吸水变色的特性,对预还原竖炉内气固反应进程进行了可视化实验,分析了预还原竖炉内气固反应进程的趋势及规律。
  (3)布料模式对煤气流分布影响的数学模拟
  采用竖炉内煤气流分布的三维数学模型,研究了单环布料时在不同档位下对竖炉内煤气流分布以及反窜煤气量的影响。得到了随着布料档位的外移,竖炉压差、反窜煤气量和煤气偏析程度的变化规律。当竖炉内的布料档位超过2.0m后,竖炉压差、反窜煤气量和煤气偏析程度显著增加。因此,竖炉单环布料时,档位不易超过2.0m,较合适的布料档位为1.6m。
  (4) COREX预还原竖炉全过程的数学模拟
  建立了COREX竖炉预还原全过程的数学模型,得到了典型操作条件下的气固两相速度、温度、浓度等变量在二维柱坐标系下的分布情况,分析了速度场、温度场和浓度场中变量变化规律。固料在炉身上部运动呈活塞流形式,在炉身下部由于死料堆存在出现偏流现象;气固两相温度在炉身上部与下部呈现相反的情况,上部区域中心温度高,下部区域边缘温度高;浓度场中还原率与气体还原势与温度场呈类似的分布规律;而煤气利用率则呈现出与气体还原势相反的趋势,在预还原竖炉下部,煤气利用率较低且径向梯度较大,炉壁处的利用率低于中心处;在预还原竖炉上部,煤气利用率较高,在径向上梯度不大,中心处略高于炉壁处。

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