corex熔融气化炉内块煤裂解机理及喷煤燃烧行为分析word格式论文.docxVIP

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： CO2COCH4H2H2O。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 2 min 内主要为煤中水分及吸附气体的脱除；在 2~10 min 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 10 min 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 4 min 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。关键词：COREX，熔融气化炉，块煤，裂解，燃烧，数值模拟ABSTRACTCOREX process is a smelting reduction ironmaking technology which has been proved in industrialized production. The property and the high temperature pyrolysis behavior of the lump coal have great influence on the fuel rate of the COREX process. The present operation status shows that the coal consumption in the COREX process is much higher than blast furnace process. The lump used in the COREX process is