新闻中心
掌握更多资讯,了解更多设备信息

23

2023

-

03

CO-CO2 气氛下矿石-碳团块还原的建模与实验研究

关键词:

矿石-碳团块,CO–CO2气氛,还原,再氧化

来源:公司内部


摘要:铁矿石-碳团块是煤基直接还原法生产海绵铁的常用原料本文对赤铁矿与脱挥生物质炭制备的型煤在CO-CO2气氛下的还原行为进行了实验和模拟研究根据相应的实验测量和观察结果验证了反应模型模型预测和实验结果表明,CO-CO2气氛对型煤的最终还原程度有显著影响提高还原温度并不增加最终还原程度,但显示出增加了被氧化气氛消耗的碳CO-CO2气氛对型煤还原行为的影响在初期阶段不显著,但在后期阶段变得显著接近团块达到其最大还原程度时,氧化铁还原和金属铁再氧化都能够发生

 

1. 导言

铁矿石-碳团块是由含铁氧化物和碳质材料组成的复合型团块,在某些煤基直接还原工艺中用作进料,例如 FASTMET?FASTMET 是美国 MIDREX 公司的商标) 和 ITMK3ITMK3 是日本神户钢铁公司的商标)这些团款具有还原率高、使用非焦煤以及生物炭生产海绵铁的经济性等优点铁矿石-碳团块还原技术经常用于处理各种冶金粉尘和污泥,从复杂矿物中回收镍、钛等有价值金属,以及通过去除石英、氧化铝等有害矿物,来提升难选铁矿石铁矿石-碳团块的还原通常在使用转底炉(RHF)还原技术进行RHF工艺中,团块被送入到RHF的旋转炉膛上,并且在高温环境中还原成海绵铁煤气燃烧产生的烟气由COCO2H2H2O组成,在团块表面形成弱氧化气氛。在RHF工艺中,CO2H2O水平可能会导致矿碳型煤的金属铁氧化,这将对产品质量产生负面影响因此,需要研究铁矿石含碳型煤在RHF反应气氛下的还原行为

 

铁矿石-碳团块在惰性气氛(氮气或氩气)下的反应动力学已得到广泛研究,其主要特征已得到充分证实团块的还原在高温下进行得很快,内部产生大量的气体,使其反应行为比铁矿石或煤块的反应行为更为复杂。反应动力学与团块的化学组成和物理性质有很大关系Singh等人和Ghosh等人已经在氧化气氛下进行了一些关于矿石-碳还原的研究,但是此类研究很少铁矿石-碳团块的还原现象有几种数学描述例如,Moon等人开发了一种模型,假设团块中的氧化铁和碳颗粒均匀转化;SunLu以及Shi等人开发的模型包括化学动力学表达式、质量传递方程和热传递方程;Donskoi等人开发了一种考虑团块膨胀/收缩的模型虽然这些模型试图全面了解团块的还原行为,但团块与氧化气氛之间的相互作用尚未包括在内因此,现有研究忽视了氧化气氛对矿炭型煤还原行为的影响。

 

本研究的第一个目的是在模拟RHF气氛(PCO/PCO2 = 1.0 CO-CO2 气氛)下对铁矿石-碳团块的等温还原行为进行动力学实验第二个目标是建立和开发矿石-碳型煤还原反应模型,其中包括金属铁与 CO2 的反应将模拟结果与实验结果在型煤质量变化、型煤碳转化率、型煤还原度和型煤还原进程等方面进行了比较。分析了该型煤在CO-CO2气氛下的还原行为。

 

2. 实验 

2.1 材料和压块制备

铁矿石样品来自中国唐山钢铁公司(唐山)通过在1273 K下碳化生物炭1小时来制备碳质还原剂样品所用生物炭的化学成分见表 1, 矿样化学成分见表11中的Fe 2 O3含量采用化学分析(氯化铁法)进行分析,表1中的其他成分的含量通过使用XRF 1800光谱仪(日本京都岛津株式会社),的能量色散x射线荧光光谱法(XRF)检测,碳质还原剂样品的近似分析列于表2两个样品均使用 F-P400 球磨机(中国长沙福克斯公司)研磨,矿石细粉和还原剂细粉的平均粒径分别为 100 80 μm。加入 2% 纤维素粘合剂(中国天津鼎盛鑫有限公司)、5% 试剂级 CaO 粉(中国汕头西龙有限公司)和 10% 蒸馏水,将混合物充分混合。还原剂细粉中的固定碳与矿石细粉的氧化铁中的氧的摩尔比为1.0用模具在40 MPa的压力下压制湿润的细粉以制备压块然后将团块风干24小时,接着在473 K下干燥2小时所制备的团块为圆柱形,直径(D)为20 mm、高度(H)为10 mm、质量约为6.0g

 

1. 铁矿石样品的化学成分(wt %

Fe2O3

SiO2

CaO

Al2O3

MgO

MnO

烧失量

91.77

2.9

0.1

4.05

0.56

0.14

0.48

 

2. 碳质还原剂样品的粗略分析(重量%

挥发性

固定碳

0.41

96.3

3. 29

 

2.2 实验设置和程序

实验装置如图 1 所示,包括供气系统、精度为 ±0.001 g 的电子秤和精度为 ±2 K 的温控炉。炉子由MoSi 2元件加热,在反应管中产生50 mm的热区,内径为60 mm样品架由耐热合金丝(Fe-Cr-Al)制成。

1. 实验装置示意图

 

N2下将炉子预热至所需温度。然后将一个压块装入样品架,在反应管上部以 773 K 预热 5 分钟,然后引入热区此时,将N2进料替换为CO-CO2混合气体,PCO/PCO2 = 1.0,用电子秤测量团块的质量损益,并以2S为间隔用计算机记录 预定时间后,将团块从反应管中取出并用 N2 气流淬火。在所有单独的测试中,在气体入口处保持1600 cm 3/min(标准温度和压力)的恒定气体流动速率此外,对一些还原团块进行了碳含量分析、扫描电子显微镜(SEM)和能量分散光谱(EDS)检查。使用CS-2800红外碳硫分析仪(NCS,中国北京)进行碳分析;使用Quanta-250扫描电子显微镜(FEI美国希尔斯伯勒 )进行SEMEDS。试验型煤的质量损失率(fm)、还原度(fO)和碳转化率(fC)的定义和计算方法分别为:fm = mt/(mC + mO), fC = mC/mC = 1.0 (mb − ∆mt)[C]t/mC, and fO = mO/mO = fm + mC/mO(fm fC),其中mt∆mC∆mO分别为压块随着时间t的变化,它的质量损失、碳质量损失和氧质量损失mbmCmO分别是预热团块的初始质量、初始碳质量和初始氧化铁氧质量[C] t是时间t变化下,样品的碳含量mbmCmO可根据团块的制备程序获得。

 

3. 数学模型

建立了单个圆柱形团块还原过程的数学模型根据几何结构的对称性和实验条件,简化的几何模型如图2a所示计算域选择为0.5弧度,模拟中使用了三种边界条件,包括壁、对称和轴2b示意性地显示了结构物的网格系统,其使用了40 × 20的网格。

 

2. 单个团块建模的几何和数学模型:(a0.5弧度计算域b)网格系统。

 

在模型开发过程中进行了几个假设以摹写团块的行为在等温条件下考虑团块的还原,不考虑团块的膨胀/收缩,并且假设团块的孔隙率恒定在许多涉及矿石-碳团块还原建模的研究中可以发现类似的假设,因此认为这些假设不会造成很大的误差

 

整个还原过程被认为是通过中间气相发生的。在团块中发生的反应是铁氧化物被 CO 阶段性还原(方程式(1-3))、碳颗粒的Boudouard反应(方程式(4))和金属铁氧化(方程式(5)), 也可能发生固体碳还原氧化铁然而,很难估计这种反应的程度,并且考虑到更大的气固接触面积时,固态还原的份额是最小的因此,未考虑固-固反应。

团块中的气相被认为是理想的,并且由COCO2组成根据FLUNET材料数据库中的理想气体定律,计算了气体性质对局部温度和成分的依赖性

矿石-碳团块的还原中的气体传递由两个因素驱动:浓度梯度和压力梯度在大多数情况下,通过压力梯度进行的气体传递可以忽略不计因此,计算域上的总气体压力固定为大气压力,如以下等式(6)所示。

然后利用菲克定律的有效系数,通过方程(7)给出计算域上物种 CO2 的方程:

其中SCO 2 =MCO2 /MO(R1 + R2 + R3) MCO2 /MCR4 MCO2 /MOR5CO种类的方程式如下式(8)所示。

式(7)中的Deff取决于团块的多孔结构,并且使用由式(9)给出的Weisz-Schwartz关系来确定 

方程(6-8)构成了气相的控制方程方程(7)的边界和初始条件由方程(10-13)给出在实验条件下,方程(10)和(11)中的炉气氛的速度和其他气体性质被认为等于它们在炉的气体入口处的各自的值此外,圆柱形团块的当量直径被假定为总直径。

 

用于固相的控制方程如方程 (14)–(18) 所示。

 

邮箱:info@lykzhb.cn    sales@lykzhb.cn

电话: 0379-65195189     

传真:0379-65182189    

技术服务:13838843223        

公司地址:洛阳大学科技园B区1-501/502

工厂地址:洛新产业集聚区纬二路

一家集技术咨询、产品研发制造、技术服务和项目运营为一体的高新技术企业


©2023 洛阳凯正环保工艺设备有限公司  网站建设:中企动力 洛阳 SEO标签 本网站支持IPV6   营业执照