传统长流程炼铁工艺包含烧结、焦化、高炉炼铁等工序,会造成严重的环境问题,同时稀缺的冶金焦资源又会造成成本上涨、能量消耗等问题。经过多年发展,传统高炉炼铁技术在降低燃料消耗、提高能量利用方面有所进步,但是以焦炭为骨架的根本性结构并未发生改变。因此,无法从源头上消除炼铁环节中的高污染高能耗工序。近年来,闪速炼铁作为新兴的非高炉炼铁工艺而受到关注,该工艺利用高温还原性气体在气流床中直接还原小粒径矿粉颗粒,从而可以在极短时间内获得高质量的海绵铁。本文在闪速炼铁技术的实验室开发基础上,提出中试规模的工业化应用方案,即煤气化-闪速炼铁耦合流程。该方案利用成熟的煤气化工艺制备还原气,并在同一反应器中实现工艺耦合以减少反复转化,提高能量、物料的综合利用效率。本文对该流程中可能出现的关键问题进行讨论,并利用热平衡模型、CFD数值模型等对耦合工艺进行广泛的工艺探索。主要研究内容及相关结论如下:(1)首先开展闪速炼铁还原实验,利用高温还原气逆流接触小粒径矿粉,在颗粒下落过程中实现快速还原。结果表明,45-100μm粒径的赤铁矿颗粒在CO气氛下峰值温度1550℃的管式炉内飘落到底部,即可获得还原度60%左右的还原铁,而在H2气氛下峰值温度1450℃时就可获得还原度90%以上的还原颗粒。针对样品进行SEM微观形貌分析发现,实验温度较低时,颗粒呈现疏松多孔的状态,而当颗粒接近熔化温度时,渣、铁相出现明显分离,这是由于两相受表面张力影响而互相排斥。在CO气氛中,矿石颗粒的还原度相对较低,颗粒所含有的FeO量较大,因此致密铁核被渣相包裹。而在H2气氛下,颗粒还原度较高,所以流动性差,直到1550℃高温下才出现致密铁相,而渣相被排斥到还原铁表面。同步建立实验室条件下的小粒径高温还原动力学CFD数值模型,将文献中所获得的动力学参数用于预测矿石还原度,并和实验获得的数据进行对照,取得了良好的验证结果。(2)利用热平衡模型对中试规模下的闪速还原+粉煤气化耦合过程开展基础研究,并通过研究不同物料参数下的工况寻找优化条件。结果表明,随着氧煤比的降低和矿煤比的上升,平衡温度持续下降。在特定工况下,平衡温度会低于还原铁的最大产出温度,由此说明这些工况下的耦合过程是热量不足的,应当尽可能避免。随着矿煤比的升高,铁矿石还原度(R)主要呈现下降趋势,煤气利用率则有所上升。进一步通过气液两相平衡的方式构建熔池部分的热平衡模型,用于预测熔池部分的理想产物,根据指定的技术指标:液相温度(>1450℃)、金属收得率(>95%)和残碳量(<90kg/h),可以最终划定可行的操作范围,将区间内的最低煤耗工况(mcoal=0.80 kg,moxygen/mcoal=0.85)定为最优化工况。(3)进一步建立中试规模的闪速炼铁-矿石还原数值模型,模拟结果显示,突扩管结构会形成稳定的湍流结构,主要包括射流区(Ⅰ)、回流区(Ⅱ)、平推流区(Ⅲ)三个区域。对颗粒路径的分析结果表明,流场结构中的回流区域对于颗粒的停留时间有显著影响。在基础工况中,煤气化-闪速炼铁耦合模型所预测的一次还原度高达95%,理论上证实了在单一反应器中同时实现闪速炼铁和煤气化生产的可行性。随着矿煤比的增加,高温区形状逐渐从“∧”型分布转变为“∨”型,靠近喷嘴位置出现低温中心。根据不同工况下的产物质量对比,最终给出了两种可行方案。第一种是低矿煤比(<0.4)下可以同时获得高质量海绵铁(R>99%)和高质量合成气(η>90%),将海绵铁作为煤气化工艺的副产品;第二种是在较高矿煤比(=1.6)下获得合格的还原铁(R=75.57%)和较高热值的合成气(η=71.52%)。(4)在热平衡模型的基础上引入(?)分析方法,用于考察关键耦合工序和全流程工艺中的(?)值转移过程。利用分步式热平衡展开的煤气化-闪速炼铁耦合过程(?)流图显示,煤气的(?)经过闪速还原过程转移到还原铁而被有效储存。由于这一转移过程产生的损失,导致最终耦合工序的(?)效率为76.0%,略低于单纯煤气化的输出(?)效率77.5%。但是还原铁作为最终产物,其后续利用过程中的损耗较低,在考察全流程效率时,多联产系统的优势得以体现。最终得到的煤气化-闪速炼铁-循环发电的(?)效率(49.4%)领先于传统的煤气化-循环发电流程(44.0%),其中以物理、化学(?)形式储存在还原铁中的(?)值占整体(?)输出的17%。更加复杂的煤气化-闪速炼铁-甲醇合成-发电联产系统的(?)效率更是高达56.3%,由此证明了煤气化-闪速炼铁耦合流程可以利用还原铁储存(?)来提升系统效率,从而达到降低能耗的目的。