菱鐵礦熱解動力學(xué)及其多級循環(huán)流態(tài)化磁化焙燒的數(shù)值模擬和試驗研究.pdf

1、近10年來，中國鋼鐵工業(yè)所需的鐵礦石連續(xù)自給率不足50％，鐵礦資源短缺已成為制約中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”，開發(fā)新的鐵礦資源已成為當務(wù)之急。目前國內(nèi)尚不能有效利用的菱鐵礦、褐鐵礦，鮞狀赤鐵礦等復(fù)雜難選鐵礦石儲量多達100億噸，若采用行之有效的磁化焙燒-磁選工藝加以處理，則可望轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實的戰(zhàn)略資源。不過，常規(guī)的磁化焙燒，如豎爐、回轉(zhuǎn)窯等工藝存在流程復(fù)雜、成本較高等諸多缺陷，難以實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。針對這一問題，本文利用氣-固流態(tài)化高效傳

2、熱傳質(zhì)的優(yōu)點，通過熱重實驗、懸浮態(tài)實驗、計算機數(shù)值模擬和半工業(yè)試驗相結(jié)合的方法，對菱鐵礦的熱解和磁化焙燒新工藝開展了系統(tǒng)深入的研究。
　　選用了國內(nèi)兩種典型的菱鐵礦，即陜西大西溝菱鐵礦和云南王家灘菱鐵礦，采用熱重分析技術(shù)對菱鐵礦在惰性氣氛中的熱解動力學(xué)進行了實驗研究。實驗應(yīng)用等升溫速率多重掃描法，熱分析動力學(xué)的數(shù)據(jù)采用Kissinger法、FWO法和Friedman法相結(jié)合的方法處理，確定菱鐵礦的熱解機理并求取動力學(xué)參數(shù)。研究結(jié)果

3、表明：大西溝菱鐵礦的熱解機理為收縮圓柱體模型R2，而王家灘菱鐵礦的熱解機理為一級化學(xué)反應(yīng)F1，兩者的熱分解均屬化學(xué)反應(yīng)控制。王家灘菱鐵礦的熱解實驗數(shù)據(jù)還表明，當粒徑大于某一尺寸時，菱鐵礦顆粒的熱解動力學(xué)參數(shù)會受其影響。本文進一步將這種影響引入到指前因子，建立了吻合度較高的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式。
　　論文還采用X衍射分析法和光學(xué)顯微分析法研究了菱鐵礦在惰性氣氛中熱解的物相學(xué)，以驗證焙燒礦磁性轉(zhuǎn)化的效果。菱鐵礦熱解殘留物的X衍射及磨片的光學(xué)顯微

4、分析結(jié)果表明，F(xiàn)eCO3熱解后絕大部分轉(zhuǎn)化為棕灰白的Fe3O4，偶見顆粒外表或鄰近裂縫邊緣的熱解產(chǎn)物呈現(xiàn)白色的Fe2O3，此乃中間產(chǎn)物FeO被氣氛中微量O2氧化所致。另外，熱解殘留物中裂隙發(fā)育充分，焙燒礦的可磨性非常好。
　　為分析溫度和氣氛對菱鐵礦熱解過程的影響，本文首次在稀相懸浮狀態(tài)下進行了菱鐵礦的等溫?zé)峤鈱嶒?，在獲取菱鐵礦熱解動力學(xué)模式及參數(shù)的同時，為后期的數(shù)值模擬提供有效的實驗支撐。實驗結(jié)果表明：王家灘菱鐵礦在懸浮態(tài)下熱解

5、的機理為球體收縮模型R3，仍然屬化學(xué)反應(yīng)控制；尾氣中CO的最高峰值比CO2的最高峰值滯后約5～10s不等，溫度越高，滯后時間越長；FeO的磁化速率在溫度段600℃~650℃增速較快，于700℃附近出現(xiàn)最大值；隨著氣氛中CO2的含量的增加，F(xiàn)eCO3熱解的速度單調(diào)下降，而FeO的磁化速率單調(diào)上升，不過兩者的變化幅度逐步趨緩至16％CO2時幾近飽和。
　　本文還采用了顆粒隨機軌道模型和顆粒表面反應(yīng)模型相結(jié)合的方法，對王家灘菱鐵礦在多級

6、循環(huán)流態(tài)化磁化焙燒裝置中的熱解進行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明，管式反應(yīng)器中的煙氣呈現(xiàn)活塞流，不利于反應(yīng)器內(nèi)組分的擴散和顆粒物的滯留；平齊式料管入口處存在的狹長渦旋遲滯顆粒流的下滑并可能誘發(fā)料管的堵塞，改進后的插入式料管則完全消除了上述缺陷和隱患；溫度和滯留時間對菱鐵礦的熱解率的影響非常顯著，管式反應(yīng)器對菱鐵礦的熱解貢獻率不足50％。
　　為了驗證數(shù)值模擬計算的結(jié)果，針對王家灘菱鐵礦的流態(tài)化磁化焙燒進行了半工業(yè)試驗，試驗表明：在弱還原