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摘 要

高炉渣作为生铁冶炼的主要副产品，其具有高品质废热的特性使其具有很高的回收意义。目前高炉渣的处理主要采用物理法和化学法，物理法即回收废热过程中没有发生化学变化，化学法即利用化学反应进行废热回收。本文主要介绍煤粉气化法，由于其操作方便、成本不高，能够利用其他余热回收装备进行使用，是现在最有发展前景的化学方法之一。本文通过建立煤气化回收高温熔渣的数学模型，模拟计算了煤粉速度、熔渣温度和熔渣直径对回收效率的影响本文主要工作及结论如下：

首先，本文阐述了研究课题的由来，综述了国内国外高温熔渣余热回收发展现状，并根据研究课题建立了煤粉气化回收高温熔渣的数值模型。本文以fluent软件为基础，模拟了高温熔渣余热回收的过程。探究了风速、熔渣直径和熔渣温度对产气量的影响。所得结果如下：

风速能够带来产气量的变化，略微的提高温度能提高熔渣余热回收效率，当风速达到4m/s时，合成气CO和H₂的产量达到最大为0.85%,随着速度的增加，降低了合成气CO和H₂的生成量；提高温度能够增大合成气CO和H₂的产量，当温度达到1300K时，合成气CO和H₂含量达到最大为1.98%；熔渣的直径越大，合成气CO和H₂的产量越大，当熔渣直径达到4mm时合成气CO和H₂含量达到最大为0.58%。由上可知熔渣温度时对煤粉气化回收熔渣余热极为关键的因素。

关键词：煤粉气化；熔渣；余热回收；数值模拟

ABSTRACT

As the main by-product of pig iron smelting, blast furnace slag has the characteristics of high-quality waste heat which makes it have high recycling significance. At present, the blast furnace slag is mainly treated by physical methods and chemical methods. The physical method is that no chemical changes occur in the process of recovering waste heat, and the chemical method is the use of chemical reactions to recover waste heat. This article mainly introduces the pulverized coal gasification method, because its raw materials are simple, the structure of the equipment is simple, and it can be used with various waste heat recovery equipment. It is one of the most promising chemical methods at present. In this paper, by establishing a mathematical model for recovering high-temperature slag from coal gasification, the effects of pulverized coal speed, slag temperature and slag diameter on recovery efficiency are calculated and simulated. The main work and conclusions of this paper are as follows:

First of all, this article expounds the origin of the research topic, summarizes the development status of domestic and foreign high-temperature slag waste heat recovery, and establishes a numerical model for the recovery of high-temperature slag from coal powder gasification according to the research topic. Based on fluent software, this paper simulates the process of high-temperature slag waste heat recovery. The influence of wind speed, slag diameter and slag temperature on gas production was explored. The results are as follows:

Wind speed can bring about changes in gas production. A slight increase in temperature can improve the recovery efficiency of slag waste heat. When the wind speed reaches 4m / s, the output of syngas CO and H2 reaches a maximum of 0.85%, which decreases with the increase of speed Syngas CO and H2 production; increasing the temperature can increase the synthesis gas CO and H2 output, when the temperature reaches 1300K, the slag content reaches a maximum of 1.98%; the larger the slag diameter, the syngas CO and H2 The greater the output. It can be seen from the above that the slag temperature is extremely critical to the recovery of the slag residual heat of coal powder gasification.

Keywords: pulverized coal gasification; slag; waste heat recovery; numerical simulation

目录

摘要 I

ABSTRACT II

目录 IV

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 高温炉渣余热回收研究进展 1

1.2.1物理回收法 1

1.2.2化学回收法 3

1.3 煤气化技术研究进展 5

1.3.1 国内煤气化技术 5

1.3.2国外煤气化技术 5

1.3.3煤气化工艺的评价指标 6

1.4 文章内容 7

第二章 数值模型 9

2.1 模型 9

2.2 控制方程 11

2.3 边界和初始条件 13

2.4 物理特性 14

2.5 网格划分 15

2..5.1网格独立性验证 16

2.6 Fluent 设置 17

2.6.1 基本设置 17

2.6.2 Solution（求解设置） 17

2.6.3 初始化设置 17

2.6.4 计算 17

2.7 小结 18

第三章 模拟结果 19

3.1 引言 19

3.2 煤粉气化过程 19

3.3 风速 21

3.4 熔渣温度 22

3.5 熔渣直径 23

3.6 经济性分析 24

第四章 总结与期望 25

4.1 总结 25

4.2 展望 25

参考文献 27

致谢 30

第一章 绪论

1.1 研究背景

能源短缺是我们经济发展过程中必然要面对的问题，钢铁工业作为国家支柱型产业，也是能耗密集型产业，同时也会对环境带来严重危害，因此充分利用参与废弃物进行二次热回收显得极为重要。钢铁工业最主要的固体废弃物是高炉熔渣，高炉渣排放是一种碳酸盐材料，主要成分有CaO，MgO，Al₂O₃和SiO₂。2010年我国冶炼出约6亿吨生铁，高炉渣排放量约为2.4亿吨，我国每生产1t生铁会生成0.3t高炉熔渣，其自身的排渣的温度非常高，一般在1450℃-1550℃，每吨炉渣中含有的余热大约为1.77×10⁶kJ，所蕴含的能量是冶炼生铁所需能量的10%，是一种利用价值很高的二次资源，如果这部分能量能够得到充分利用，这对钢铁工业的节能减排，提高我国的能源综合利用效率，解决我国的环境污染问题和能源短缺问题具有主要意义^[1-3,6]。

高炉熔渣有物理回收法和化学回收法两种回收方法。物理回收法是指在熔渣余热回收的过程中没有发生任何化学变化，通过回收介质的方式来回收熔渣余热，主要分为离心式炉渣热能回收、机械破碎法炉渣热能回收和风淬法炉渣热能回收^[4]。化学回收法是利用化学反应，使废弃物发生化学变化从而进行热回收的方法，主要有甲烷重整反应、生物质气化反应、煤气化反应和废弃物资源的利用^[5]。甲烷重整反应是利用甲烷与水蒸气的混合气体对熔渣冷却的放热反应；生物质气化反应是利用各种生物质像稻秆、玉米秆、甘蔗秆等废弃物为气化原料，经过一系列的气化反应产生可燃气体的过程；煤气化反应是一种利用高炉渣余热制煤气的强吸热反应。

1.2 高温炉渣余热回收研究进展

高炉熔渣有物理回收法和化学回收法两种回收方法。物理回收法要利用水、空气等作为传热媒介来回收炉渣余热，回收效率不高。化学回收法是以化学反应的方式回收炉渣余热，能量转换的次数少，热损失小，回收效率较高。

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