铁合金生产属于能源密集型产业,具有高能耗、高污染、高排放等特点。目前铁合金生产主要有高炉法、矿热炉法和炉外法等,其中预热还原-矿热炉工艺(即还原矿热炉法)具有节能潜力大、矿料适用范围广、铁合金品位高、有害元素少和生产效率高等特点,已被广泛应用于铁合金生产。该工艺既包含了传热、传质、相变等物理过程,还包括热解、还原、置换等化学反应,构成复杂的物质流和能量流协同运行体系。目前预热还原-矿热炉工艺的物质流和能量流协同运行仍有很多问题亟需解决,如副产物余热余能再利用、废弃物再资源化等问题。因此对全流程内物质流和能量流协同运行进行深入研究,可为优化现场操作和设计更高效的冶炼工艺提供指导,对于促进铁合金产品质量的改进和节能降耗具有重要意义。本文针对预热还原-矿热炉生产工艺,采用多学科协同研究的方法对流程中物质流和能量流进行研究,揭示预热还原-矿热炉工艺中物质流和能量流的协同运行规律。利用能量分析和(火用)分析方法分别从能的“量”和“质”两个角度对能量流进行量化分析。采用协同分析法研究物质流和能量流的有序度,并量化评估二者之间的协同程度。采用数值模拟方法研究回转窑内煤粉/炉气的混合燃烧,以及气/煤粉/颗粒的多相流动规律;研究矿热炉内磁-热耦合作用下的温度场分布,揭示矿热炉高温熔炼的多物理场特征。主要内容如下:采用XRD、X射线荧光分析和火焰原子吸收光谱法,对预热还原-矿热炉工艺流程中矿料、产品和炉渣的化学成分和元素成分进行检测分析;利用实时测控设备检测物质流和能量流的关键参数,如流量、压力和温度,为后续研究提供基础数据。通过分析预热还原-矿热炉流程中物质流和能量流的运行规律,并根据质量守恒和能量守恒,建立流程内物质和能量循环的物质流和能量流分析模型。基于能量分析法对系统可用能进行辨识,确立预热还原-矿热炉工艺系统能效评估指标。通过评估节能工艺,发现回收回转窑中烟气和矿热炉中炉气可使烟煤消耗量分别降低45.94%和38.00%。发现回收干燥窑中烟气和矿热炉中炉渣的余热可分别将各自系统能效提高2.97%和24.60%;采用保护渣防止合金溶液散热,可使矿热炉的能量流耗散率降低4.74%。运用协同学理论建立预热还原-矿热炉流程中物质流和能量流的协同关系。引入序参量评定指标,量化评估物质流和能量流的有序度、协同能力和匹配度。建立物质流和能量流协同度的评价方法。发现基于工艺中物质流与能量流运行规律制定生产指标,可增加物质流和能量流有序度,从而使得测试1(合金中镍质量分数12%)的协同度比测试2(合金中镍质量分数14%)的协同度提高9.51%。回收干燥窑中烟气和矿热炉炉渣不仅增加废弃物循环率、固体废弃物再资源化率等物质流指标,而且改善能效、余热余能回收率和能量散热损失等能量流指标,进而将工艺中物质流与能量流之间的协同度提高 24.93%。建立预热还原-矿热炉全流程的(火用)分析模型,提出衡量该工艺(火用)效率的评价指标。结果发现:干燥窑、回转窑和矿热炉的(火用)损失分别为38.159,118.511,9.766GJ/h;外部(火用)损失分别为30.530,22.857,89.229GJ/h。通过对预热还原-矿热炉工艺的(火用)流分析,发现降低输出流的出口温度、改善炉体和输送设备的隔热性能、对炉渣等高温输出流进行余热回收,可减少由散热造成的外部(火用)损失。建立回转窑煤粉颗粒与炉气的混合燃烧模型。采用有限速率/涡耗散模型描述气相湍流化学反应,利用单动能速率模型分析煤粉挥发过程,采用多表面异相反应模型预测煤粉的表面燃烧。分析混合燃烧对粉煤燃烧速率和火焰特性的影响;研究气-固燃料的混合燃烧对焙烧区范围、窑内温度和烟气成分等的影响规律。因此,炉气的回收利用不仅提高了余热余能回收率,而且增加了回转窑工艺的(火用)效率,从而改善物质流和能量流的协同度。利用安德烈-米库林斯基方法计算矿热炉几何参数,并建立矿热炉高温熔炼过程的电/磁/热多物理场耦合模型。利用磁矢量位法求解电流、磁感应强度和焦耳热,运用载荷矢量法耦合焦耳热场求解磁/热作用下的温度场分布。分析电极直径、极心圆直径和炉膛高度对温度场分布的影响,明确矿热炉内温度场的影响因素。发现当电极直径为1.4m,极心圆直径为4.27m,炉膛高度为4.2m时,矿热炉温度场分布更为合理。因此,合理制定矿热炉几何参数,不仅可以提高电能利用率,而且可以降低(火用)损,从而提高矿热炉物质流和能量流的有序度。