氣基直接還原豎爐內(nèi)物料下行及還原氣流場研究

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1、中圖分類號(hào)：TF554學(xué)校代碼：10216UDC：669密級(jí)：公開工學(xué)博士學(xué)位論文氣基直接還原豎爐內(nèi)物料下行及還原氣流場研究博士研究生：徐寬導(dǎo)師：白明華教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)博士所在單位：機(jī)械工程學(xué)院答辯日期：2017年12月授予學(xué)位單位：燕山大學(xué)ADissertationinMachineryDesignandTheoryRESEARCHONPARTICLEDESCENDINGVELOCITYDISTRIBUTIONANDREDUCINGGASFLOWFIELDINGAS-BASEDDIRECTREDUCTIONSHAFTFURNACEbyXuKuanSupervisor:Professor

2、BaiMinghuaYanshanUniversityDecember,2017燕山大學(xué)博士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：此處所提交的博士學(xué)位論文《氣基直接還原豎爐內(nèi)物料下行及還原氣流場研究》，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，在燕山大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。論文中除已注明部分外不包含他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì)本文的研究工作做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式注明。本聲明的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)。作者簽字：日期：年月日燕山大學(xué)博士學(xué)位論文使用授權(quán)書《氣基直接還原豎爐內(nèi)物料下行及還原氣流場研究》系本人在燕山大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的博士學(xué)位論文。本論

3、文的研究成果歸燕山大學(xué)所有，本論文的研究內(nèi)容不得以其它單位的名義發(fā)表。本人完全了解燕山大學(xué)關(guān)于保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)部門送交論文的復(fù)印件和電子版本，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)燕山大學(xué)，可以采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文，可以公布論文的全部或部分內(nèi)容。保密□，在年解密后適用本授權(quán)書。本學(xué)位論文屬于不保密□。(請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√”)作者簽名：日期：年月日導(dǎo)師簽名：日期：年月日摘要摘要?dú)饣苯舆€原豎爐工藝可有效降低鋼鐵生產(chǎn)過程中的能源消耗、CO2和污染排放，并且可以降低對(duì)焦炭的依賴。氣基直接還原豎爐的本質(zhì)為高溫氣固逆流換熱反應(yīng)裝置，豎爐內(nèi)物料下行及還原氣流

4、場是否合理直接影響到豎爐的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性。而豎爐內(nèi)物料下行及還原氣流場受豎爐爐型、爐頂布料、球團(tuán)礦化學(xué)反應(yīng)等因素影響。針對(duì)這些問題本文進(jìn)行以下幾方面的研究：對(duì)豎爐爐型及操作對(duì)豎爐內(nèi)球團(tuán)礦顆粒下行速度分布的影響進(jìn)行研究，結(jié)合離散單元法和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)建立氣基直接還原豎爐三維模型。通過引入散體動(dòng)力學(xué)理論和Janssen理論對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。得到不同氣流速度、豎爐高度、直徑、爐腹角和爐身角對(duì)豎爐內(nèi)球團(tuán)礦顆粒下行速度分布的影響規(guī)律。研究結(jié)果為豎爐爐型設(shè)計(jì)提供了理論參考。為研究豎爐爐頂布料對(duì)豎爐內(nèi)顆粒分布及空隙率分布的影響規(guī)律?；陔x散單元法建立擋板布料器和溜槽布料器豎爐爐頂布料模型，得到

5、了擋板布料器和溜槽布料器中不同因素對(duì)顆粒分布和空隙率分布影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)豎爐內(nèi)空隙率分布無法直接由顆粒分布得到，僅研究顆粒分布具有一定的局限性。綜合對(duì)比分析，得到顆粒分布與空隙率分布之間的一定關(guān)系，為后續(xù)研究提供了參考依據(jù)。為研究氣基直接還原豎爐內(nèi)流固耦合問題，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)流場進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中將豎爐內(nèi)球團(tuán)礦料層簡化為多孔介質(zhì)模型。通過實(shí)驗(yàn)方法得到在模擬豎爐氛圍下球團(tuán)礦的還原度和還原膨脹率隨時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和上述兩方面的研究結(jié)果，提出假設(shè)從而推導(dǎo)計(jì)算豎爐內(nèi)空隙率分布。計(jì)算豎爐內(nèi)慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)分布的回歸方程，并通過編程導(dǎo)入計(jì)算模型中，從而得到考慮布料操作、物料下行

6、速度分布及顆粒化學(xué)反應(yīng)情況下氣基直接還原豎爐內(nèi)流場分布。根據(jù)上面的研究結(jié)果，提出雙還原段豎爐，計(jì)算得到滿足化學(xué)反應(yīng)時(shí)所需的還原氣量與滿足豎爐內(nèi)達(dá)到預(yù)定溫度所需的還原氣量以及輔助還原段最小還原段底部進(jìn)氣量。計(jì)算不同條件下雙還原段豎爐還原段內(nèi)流場變化，并與現(xiàn)有豎爐還原段內(nèi)流場進(jìn)行對(duì)比。發(fā)現(xiàn)雙還原段豎爐可有效降低進(jìn)氣口處壓強(qiáng)和所需風(fēng)機(jī)功率，并對(duì)豎爐內(nèi)流場具有一定的調(diào)節(jié)作用。關(guān)鍵詞：氣基直接還原豎爐；物料下行速度分布；布料操作；還原氣流場；雙還原段-I-AbstractAbstractGas-baseddirectreductionshaftfurnaceisconsideredasaneffec

7、tivewaytoreducetheenergyconsumptionandthedependencyoncoal,andcutdownthepollutionemissionandcarbondioxideemissioninironmaking.Theessenceofthegas-baseddirectreductionshaftfurnaceisagas-solidcounter-currentheatexcha