高炉内焦炭的高温气化-粉化效应与机制

On the background of rational use of domestic coal resources to promote low carbon emissions, energy saving and environmental protection in the iron and steel industry, the problems and defects of coke evaluation and utilization in the steel companies were summarized. Then the research interests about the effect of coke’s gasification reaction under different rate-controlling step on the coke fines generation and the energy transfer mechanism in blast furnace was proposed. Preparing to establish the power consumption model of coke fines considering high temperature gasification reaction based on the classical theory of material crushing power consumption, which helps to analyze the the transformation mechanism among power, heat, and energy of coke gasification-crushing process. In order to take the dynamic factors and chemical reaction heat of gasification into account crushing energy consumption, a functional relationship between the carbon loss rate, reaction heat and the pore size, particle size distribution under different rate-controlling step of coke gasification is going to be established. Then the pore size and particle size distribution would be introduced into the classical theory of material crushing power consumption, which helps to obtain the crushing power consumption and coke fines generation rate combined with the gasification reaction equations and boundary conditions. Finally, the heat loss and free enthalpy variation of the coke fines generation could be analyzed by experimental analysis, then the energy transfer mechanism of coke gasification-crushing process in blast furnace is clarified.

以合理利用国内煤炭资源，加快促进钢铁工业节能减排、低碳环保为背景，分析现有焦炭评价和利用中存在的问题和缺陷的基础上，提出了高炉内不同控速环节的气化反应与焦炭粉化关系及过程中的能量转化与迁移机制的研究项目。在经典物料粉碎功耗理论基础上，构建考虑高温气化反应的焦炭粉化功耗理论模型并应用于高炉内的焦炭粉化过程，以分析高炉内焦炭气化-粉化过程中功、热、能的转化机制，将焦炭气化过程中的动力学因素和化学反应热考虑到焦炭的粉化能耗中。申请者针对不同控速环节的气化反应，分别考虑建立焦炭在气相对流、扩散和化学反应控速下的失碳率、反应热与焦炭孔径及粒径分布的函数关系，将焦炭的孔径及粒径分布函数引入到经典功耗理论中，结合气化反应过程的控制方程和定解条件可给出不同焦炭在气化过程中的粉化功耗或粉化量。进而，结合实验验证并分析焦炭粉化过程中的热损失和体系自由焓变化，阐明高炉内焦炭气化-粉化过程的能量迁移机制。

以往研究在对焦炭质量做评价时，无法从理论上考虑到外界输入功也即高炉大小、冶炼强度等因素的客观影响，主要是缺乏综合考虑高温溶损反应和机械作用的物理模型和数学理论。本项目研究主要引入并改进了传统的物料破碎功耗理论，建立了适合高炉焦炭的粉化功耗模型，成功解决了将外界输入功即将高炉大小、冶炼强度等因素考虑到焦炭质量评价体系中的问题。首先，本项目研究了不同溶损反应条件下焦炭的气孔结构演变、裂缝生成扩展及官能团转化规律，揭示了焦炭气孔结构演变与碳溶损反应活性之间的关系，从而阐明了焦炭在不同溶损条件和机械作用下的结构损伤机制。其次，通过引入体积功耗学说，建立了考虑气化-粉化效应的焦炭粉化功耗模型，结合试验分析了输入功(与高炉大小、冶炼强度相关)与气化反应热、粉化能耗的关系，并通过模型分析了在固定容积的高炉和冶炼强度下，焦炭降解率与气化反应、温度及焦炭性质的关系，结果对指导抑制焦炭粉化并降低高炉冶炼能耗有重要的理论价值。最后，通过功耗理论和实验分析了焦炭发生破碎的最低功耗和破碎过程中粒度和功耗的关系，并通过试验得到焦炭的粉碎功随内能增加的关系，同时将温度、溶损率和气孔率等因素考虑到功耗学说之中，进而对在某一输入功下，实现对焦炭不同温度的溶损率和粒径粉化情况的预测。项目通过建立修正后的焦炭粉化功耗模型，结合试验分析了输入功(与高炉大小、冶炼强度相关)与气化反应热、粉化能耗的关系，并通过模型分析了在固定容积的高炉和冶炼强度下，焦炭降解率与气化反应、温度及焦炭性质的关系。结果对指导抑制焦炭粉化并降低高炉冶炼能耗有重要的理论价值。