处理含锌粉尘的转底炉料层温度分布特性研究

摘要

我国钢铁生产中每年产生粉尘约80Mt，粉尘中含有锌、铅、砷等有害元素，其利用率不足20％，多数堆放在厂区造成资源的浪费以及严重的环境污染。用转底炉处理含锌粉尘，将锌从粉尘中分离的同时得到了一定金属化率的含铁球团，该工艺得到了大量的实践，并取得了成功。目前转底炉采用薄料层操作，生产效率低是其主要问题，如何提高转底炉生产效率是其重要的研究课题。厚料层操作是提高转底炉生产效率的重要途径，而保证厚料层的温度分布均匀性是厚料层操作的关键技术，因此，开展料层温度分布特性的研究对转底炉生产具有指导意义。
　　论文以某钢铁厂含锌粉尘为研究对象，在对其物理化学特性分析的基础上，提出以含锌粉尘生产含碳球团，用转底炉高温加热工艺处理含锌粉实现粉尘的锌分离。对转底炉处理含锌粉尘进行了理论分析，探讨了铁氧化物和锌氧化物在含碳球团条件下的还原特性、热力学条件、还原的碳素消耗、还原过程的自热特点等问题，为料层温度分布特性的实验研究提供理论基础。
　　在理论分析的基础上，搭建了模拟转底炉厚料层操作的实验平台，探究了鼓风量、配碳量、炉膛温度对料层温度分布的影响。研究表明：通过料层下鼓风的方法能明显的改善料层温度分布的均匀性，其温差从607℃降低到76℃；配碳量越高，料层温度分布越均匀，当碳氧比为1.4、1.5时温差为32℃、21℃且能满足1500K的脱锌温度；炉膛温度越高，料层温度分布的均匀性越差。在此基础上提出了球团中配入适量碳，通过料层下鼓风的方式促进碳的燃烧，强化料层传热以实现厚料层操作。
　　将料层内传热过程处理为一维非稳态的气固两相传热，推导出了料层温度分布模型的基本方程式，在该模型中考虑了料层气—固相热交换特性和物理化学变化。并根据料层在加热过程中的收缩特性的实验结果，根据料层收缩量与时间的关系修正了球团的直径，使所建立的模型的精度得到提高。确立了模型参数对流换热系数、炉膛对料层表面的综合传热系数、料层内的导热系数、料层中碳燃烧等的计算方法。采用隐式差分法通过MATLAB编制计算机程序求解得到料层的温度分布。
　　通过对所建立的模型求解，进行了5因素4水平的正交仿真实验研究，通过直观分析方法和方差分析方法讨论了配碳量、炉膛温度、料层厚度、鼓风量、热风温度等对料层温度分布的影响。得到了各个因素对焙烧时间、料层温度分布的影响规律，提出转底炉厚料层操作工艺的适宜参数。

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1 绪 论

1.1 钢铁厂含锌粉尘的分类与性质

1.2 国内外钢铁厂含锌粉尘处理现状

1.3 国内外钢厂处理含锌粉尘工艺现状

1.4 转底炉工艺简介

1.5 转底炉处理含锌粉尘的国内外现状

1.6 转底炉强化传热研究现状

1.7 课题意义与研究内容

2 转底炉处理冶金含锌粉尘的理论分析

2.1 钢铁厂中粉尘含锌化合物的分离理论

2.2 含碳球团还原过程中的化学反应

2.3 含碳球团还原的碳素消耗量

2.4 含碳球团自热还原

3 料层温度分布的实验研究

3.1 实验原料特性

3.2 配料计算

3.3 实验装置和实验步骤

3.4 料层温度分布实验研究

3.5 本章小结

4 料层温度分布模型的研究

4.1 模型的建立

4.2 模型的求解

4.3 仿真计算实验研究

4.4 本章小结

5 结 论

致谢

参考文献