鐵合金生產屬于能源密集型產業,具有高能耗、高污染、高排放等特點。目前鐵合金生產主要有高爐法、礦熱爐法和爐外法等,其中預熱還原-礦熱爐工藝(即還原礦熱爐法)具有節能潛力大、礦料適用范圍廣、鐵合金品位高、有害元素少和生產效率高等特點,已被廣泛應用于鐵合金生產。該工藝既包含了傳熱、傳質、相變等物理過程,還包括熱解、還原、置換等化學反應,構成復雜的物質流和能量流協同運行體系。目前預熱還原-礦熱爐工藝的物質流和能量流協同運行仍有很多問題亟需解決,如副產物余熱余能再利用、廢棄物再資源化等問題。因此對全流程內物質流和能量流協同運行進行深入研究,可為優化現場操作和設計更高效的冶煉工藝提供指導,對于促進鐵合金產品質量的改進和節能降耗具有重要意義。本文針對預熱還原-礦熱爐生產工藝,采用多學科協同研究的方法對流程中物質流和能量流進行研究,揭示預熱還原-礦熱爐工藝中物質流和能量流的協同運行規律。利用能量分析和(火用)分析方法分別從能的“量”和“質”兩個角度對能量流進行量化分析。采用協同分析法研究物質流和能量流的有序度,并量化評估二者之間的協同程度。采用數值模擬方法研究回轉窯內煤粉/爐氣的混合燃燒,以及氣/煤粉/顆粒的多相流動規律;研究礦熱爐內磁-熱耦合作用下的溫度場分布,揭示礦熱爐高溫熔煉的多物理場特征。主要內容如下:采用XRD、X射線熒光分析和火焰原子吸收光譜法,對預熱還原-礦熱爐工藝流程中礦料、產品和爐渣的化學成分和元素成分進行檢測分析;利用實時測控設備檢測物質流和能量流的關鍵參數,如流量、壓力和溫度,為后續研究提供基礎數據。通過分析預熱還原-礦熱爐流程中物質流和能量流的運行規律,并根據質量守恒和能量守恒,建立流程內物質和能量循環的物質流和能量流分析模型。基于能量分析法對系統可用能進行辨識,確立預熱還原-礦熱爐工藝系統能效評估指標。通過評估節能工藝,發現回收回轉窯中煙氣和礦熱爐中爐氣可使煙煤消耗量分別降低45.94%和38.00%。發現回收干燥窯中煙氣和礦熱爐中爐渣的余熱可分別將各自系統能效提高2.97%和24.60%;采用保護渣防止合金溶液散熱,可使礦熱爐的能量流耗散率降低4.74%。運用協同學理論建立預熱還原-礦熱爐流程中物質流和能量流的協同關系。引入序參量評定指標,量化評估物質流和能量流的有序度、協同能力和匹配度。建立物質流和能量流協同度的評價方法。發現基于工藝中物質流與能量流運行規律制定生產指標,可增加物質流和能量流有序度,從而使得測試1(合金中鎳質量分數12%)的協同度比測試2(合金中鎳質量分數14%)的協同度提高9.51%。回收干燥窯中煙氣和礦熱爐爐渣不僅增加廢棄物循環率、固體廢棄物再資源化率等物質流指標,而且改善能效、余熱余能回收率和能量散熱損失等能量流指標,進而將工藝中物質流與能量流之間的協同度提高 24.93%。建立預熱還原-礦熱爐全流程的(火用)分析模型,提出衡量該工藝(火用)效率的評價指標。結果發現:干燥窯、回轉窯和礦熱爐的(火用)損失分別為38.159,118.511,9.766GJ/h;外部(火用)損失分別為30.530,22.857,89.229GJ/h。通過對預熱還原-礦熱爐工藝的(火用)流分析,發現降低輸出流的出口溫度、改善爐體和輸送設備的隔熱性能、對爐渣等高溫輸出流進行余熱回收,可減少由散熱造成的外部(火用)損失。建立回轉窯煤粉顆粒與爐氣的混合燃燒模型。采用有限速率/渦耗散模型描述氣相湍流化學反應,利用單動能速率模型分析煤粉揮發過程,采用多表面異相反應模型預測煤粉的表面燃燒。分析混合燃燒對粉煤燃燒速率和火焰特性的影響;研究氣-固燃料的混合燃燒對焙燒區范圍、窯內溫度和煙氣成分等的影響規律。因此,爐氣的回收利用不僅提高了余熱余能回收率,而且增加了回轉窯工藝的(火用)效率,從而改善物質流和能量流的協同度。利用安德烈-米庫林斯基方法計算礦熱爐幾何參數,并建立礦熱爐高溫熔煉過程的電/磁/熱多物理場耦合模型。利用磁矢量位法求解電流、磁感應強度和焦耳熱,運用載荷矢量法耦合焦耳熱場求解磁/熱作用下的溫度場分布。分析電極直徑、極心圓直徑和爐膛高度對溫度場分布的影響,明確礦熱爐內溫度場的影響因素。發現當電極直徑為1.4m,極心圓直徑為4.27m,爐膛高度為4.2m時,礦熱爐溫度場分布更為合理。因此,合理制定礦熱爐幾何參數,不僅可以提高電能利用率,而且可以降低(火用)損,從而提高礦熱爐物質流和能量流的有序度。
【學位單位】：東北大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：TF55
【部分圖文】：

（２）濕法煉鎳工藝??紅土鎳礦的濕法冶煉主要包括還原焙燒－氨浸工藝、加壓酸浸工藝和硫酸常壓??浸出法等，如圖１．２所示。其中，原焙燒－氨浸工藝是由Ｃａｒｏｎ教授發明，所以又??稱為Ｃａｒｏｎ工藝，該工藝先將礦料磨細后在多膛爐或回轉窯中焙燒，將礦石中鎳、??鈷和少量鐵還原成金屬，然后用氨－碳酸氨混合溶液將焙砂浸出，在經沉淀、凈化、??蒸氨后產出碳酸鎳漿料，再經回轉窯干燥焙燒后生成氧化鎳。加壓酸浸法是指礦??料用硫酸浸出，使鎳、鈷的氧化物生成可溶的硫酸鹽進入溶液，而鐵則留在渣中，??－１０－??

量分數較低；（７）爐氣量較少，可降低含塵量；（８）工藝技術成熟，生產容易操??控，易于實現機械化和自動化大規模生產等優點，使其成為當今最主要的火法煉??制鎳鐵合金的方法。如圖１．２所示，該工藝包括三道工序：干燥窯干燥脫水、回轉??窯焙燒預還原和礦熱爐還原熔煉。??由于紅土鎳礦的含水量一般為３５％，需對礦料進行預處理工序，主要包括濕??紅土礦堆存－破碎－干燥－混勻－篩分－破碎－配料－二次干燥－焙燒預還原等工序。預處理??工序可有效降低礦熱爐電耗、縮短冶煉時間、減少含鎳粉塵顆粒生成，實現能量??的梯級利用，提高能效。其中，二次千燥和焙燒預還原工序一般是在逆流式回轉??窯中進行；預還原工藝一般是在還原氣氛下，將溫度控制在５３８？９８０°Ｃ之間，礦料??呈固體狀態進行選擇性還原反應。因此，為改善紅土礦在礦熱爐中熔煉效果，對??礦料進行預處理工藝是極其關鍵的一環。??礦料中的水分作為礦物本身的一種成分，其存在形式分為兩大類，ｇ卩：存在??晶格間的吸附水（游離水）和存在于晶格中的結晶水、結合水。所以，濕紅土鎳??礦的脫水工藝主要包括脫除吸附水、結晶水和結合水｜４４）。??在預處理工藝中

（＜６０ｍｍ），然后輸送到干燥窯中進行脫水。利用回轉窯中的煙氣余熱（２００？３００°Ｃ?）??和煙煤燃燒熱提供熱源，脫除濕礦內游離水。經千燥窯脫水工藝后，半干紅土礦??（約９０°Ｃ）從十燥窯中排出，再次經過篩分破碎工序，磨細成小顆粒后，送至配??料站中與熔劑（石灰石）和還原劑（無煙煤）按一定比例進行摻混。干燥帟中煙??氣的出Ｕ溫度？般為１０５？１１５?°Ｃ，經除塵處理后排放至大氣。另外，礦料在預處理??工藝中會產生大最含有紅土礦顆粒的粉塵，需耍利用除塵設備（如袋式除塵器）??對含鎳的粉塵顆粒進行回收１４５１。??由扣吸附水（游離水）主要吸附在紅丨?＇．鎳礦表面丨：，脫水溫度相對較低，？??般在２２０°Ｃ以Ｋ。當礦料溫度升至１１０°Ｃ時，游離水就會大量逸出。研究發現將礦??石中游離水脫除至２０％左右最佳，過度干燥會使礦石嚴灰化，容易被煙氣帶走??成為粉塵顆粒。結晶水和化學結合水在紅丨：礦內以化合物的形式存在，需要高溫??（２９０？８２（ＴＣ）脫除。十燥簾…般采用順流式千燥窯，即礦料的流向與煙氣流向相??ｌ＂Ｊ〇??１．２．４．２回轉窯工藝流程??丄滅Ｏｆ？？??ＬＵＴＷｔｌＯＩＸｌ?＾??

本文編號：2882936