镍作为一种战略金属,性质优越、应用广泛。目前世界上存在的镍资源中可供人类开发利用的只有硫化镍矿和氧化镍矿两种。镍含量高、处理工艺较成熟的硫化镍矿的日益减少使金属镍的产量不能满足世界各国的需求。镍富集性差,但储量丰富、开采方便的氧化镍矿逐渐成为生产镍铁合金的主要原材料。现有的镍铁处理工艺在处理低镍的氧化镍矿时存在能耗高、工序复杂的问题,开发一种低污染、低能耗、适应性强的红土镍矿处理工艺迫在眉睫。现有镍铁处理工艺中,湿法冶炼镍铁工艺普遍存在废液难处理、污染严重的问题。火法冶炼中应用最广泛的回转窑-电炉技术能耗高、废气处理及CO回收工序复杂,最节能的大江山法在实践中遇到困难。 为此,课题组提出了一种新型镍铁熔炼工艺:研发设计竖罐式红土镍矿还原炉。该工艺借鉴大江山法,以镁还原使用的还原罐作为反应容器,将镍矿与煤粉压球后装入还原罐内,直接加热还原,熔炼产生的废气作为二次燃料燃烧,熔炼后产物经水淬、磁选及精炼等后续工作处理。本工艺直接高效利用CO及干馏气,设备简单、节约能源。 本论文对上述工艺进行详尽的热过程研究,深入分析加热熔炼过程的传热情况,为研发的新工艺提供理论支持和热工指导。 首先,炉膛内传热过程借助段法模型,建立每段内还原罐外壁、炉气、炉墙、炉顶四元能量平衡方程组;其次,还原罐内建立还原罐内壁、干馏气、小球三元能量平衡方程组;最后,红土镍矿球团建立一维差分方程。假定还原罐外壁温度,通过能量平衡方程组求解还原罐表面热流密度,由罐内三元能量平衡方程组求解球团表面热流密度,由球团差分方程求解球团温度分布,反推出还原罐外表面温度并与初始假设相对比,最终得到收敛解。 通过模拟计算得到如下结果: 1.靠近烧嘴侧还原罐外壁温度达到1500℃,随着火焰端距离的增加,还原罐外壁温度逐渐降低到1200℃。 2.还原罐表面温度1500℃的情况下,内部球团表面温度达到1650k,球团中心温度达到1080k,球团完全反应。随着还原罐表面温度的降低,球团反应转换率逐渐下降,3、4号还原罐内球团转换率0.87,5、6号还原罐内球团转换率0.55,7、8号还原罐内球团转换率0.32。 3.研究不同工况下,球团受热反应情况,得到最佳球团直径25mm,矿煤比8.5:1.5,燃料射流速度4.0m/s,球团的孔隙率为0.45时单位能耗下球团转换率最高。