喷吹天然气条件下高炉主要工艺参数的研究

摘要：随着高炉喷吹天然气技术的应用推广,需要对天然气在高炉内的热力学行为及其操作参数的变化进行研究。利用热力学第二定律,分析了喷吹天然气在高炉内的热力学还原行为。并以物料平衡和热量平衡模型为基础,探讨了鼓风富氧、鼓风温度、鼓风湿度等工艺参量对喷吹天然气后高炉炉腹煤气量和风口回旋区理论燃烧温度的影响及其变化。利用高炉操作参数对炉腹煤气量和理论燃烧温度影响结果进行线性回归,实现定量分析各因素之间的动态耦合效果。研究结果表明：天然气首先在高温下吸热裂解成CO和H2,有助于提高煤气中CO和H2的体积分数和还原势,促进间接还原反应的进行。高炉喷吹天然气导致炉腹煤气量快速升高,理论燃烧温度快速降低。鼓风湿度的变化对炉腹煤气量和理论燃烧温度影响很大,富氧率其次。而风温变化潜力有限,对炉腹煤气量和理论燃烧温度影响相对较小。     

氧气高炉风口前燃烧带数值模拟

根据气膜传质控制理论,在物料平衡和能量平衡的基础上,建立了O2高炉风口前燃烧带数学模型,模拟了不同鼓风速度和O2湿度条件下风口前燃烧带内气体各组分浓度场和温度场分布情况。模拟结果表明：改变鼓风速度可以调节风口前燃烧带气体温度和浓度分布,从而调节O2高炉软熔带形状及煤气流分布;增加鼓风湿度可以降低风口理论燃烧温度,增大还原煤气中H2含量。     

炉缸煤气流分布的影响因素

 高炉大型化是炼铁发展的趋势,随着高炉炉缸直径的不断变大,中心不活跃区域越来越大,如何引导煤气到达炉缸中心已成为炼铁工作者关注的焦点。为了解决上述难题,通过建立炉缸煤气流动三维模型,应用CFX数值模拟软件计算煤气流速,分别研究了炉缸直径、焦炭粒径、空隙度以及鼓风动能对炉缸煤气流分布的影响。结果表明：即使炉缸内焦炭粒径及空隙度分布均匀,边缘煤气流速依然大于中心煤气流速,并且炉缸直径越大,中心煤气流越弱。炉缸内焦炭粒径和空隙度分布影响煤气流分布,提高炉缸中心焦炭粒径和空隙度有利于引导煤气到达炉缸中心。同时,为了保障高炉稳定顺行,鼓风参数必须和炉缸透气性协调一致,不能过于依靠提高鼓风动能吹透中心。     

高炉风口回旋区焦炭燃烧特性的颗粒尺度模拟

摘要：为从微观颗粒尺度解析高炉风口回旋区动态演变及内部热化学行为，采用计算流体动力学 离散单元法(CFD-DEM)耦合方法对回旋区焦炭燃烧过程进行了数值模拟研究。首先验证了CFD-DEM模型的可用性与准确性；然后探究了回旋区形成及演变过程、焦炭颗粒燃烧行为及粒径分布和气相的温度及组分分布；最后考察了不同鼓风速率对回旋区大小、风口轴向气体温度与组分分布的影响。模拟结果表明，回旋区的宽度和高度随着鼓风速率的增大而增加；鼓风速率的上升使气体高温区和化学反应区分布发生改变，即最高温度点和焦炭反应区均向焦炭床中心移动。     

高炉下部气固湍流和煤粉燃烧的数值模拟与优化研究

高炉喷吹煤粉时,由于煤粉的不完全燃烧,在回旋区处会产生未燃煤粉,影响高炉的透气性。建立了气固两相湍流和煤粉燃烧的三维数学模型,并且验证了该模型的可靠性。用所建模型对由直吹管、风口、回旋区和焦炭床构成的高炉下部区域进行了喷吹煤粉流动与燃烧现象的模拟研究。模拟结果揭示了高炉炉内气固流动和煤粉燃烧的基本性质和特点;通过正交试验方法研究不同操作因素对评价指标煤粉燃尽率的影响,得到4个操作因素对燃尽率的影响程度依次分别为喷煤量、富氧率、鼓风量和鼓风温度。而工况(喷煤量1 25kg/t,鼓风量1 950m3/min,鼓风温度1 523K,富氧率5.0%)为最佳优化工况,可实现提高喷煤量和煤粉燃尽率的效果。     

煤气分析仪在高炉生产中的应用

在高炉顶压调节系统煤气管道上安装煤气分析仪,通过煤气分析仪获取高炉内产生气体的相关数据及趋势。分析高炉冶炼过程中炉内湿度、温度、压力和物料的变化对煤气分析仪的影响,提出了最佳测量时段和标准炉况概念;然后将高炉冶炼的特征和煤气分析仪分析的结果相结合,阐述了煤气分析仪的特征以及对环境因素变化所造成的测量误差进行了分析;最后就如何正确认识煤气分析仪在高炉煤气检测中的意义和作用提出了自己的观点。     

高炉喷吹煤粉的数学模型

炼铁高炉是移动床工艺用于固相加工的重要特殊例子。根据物料和热的微分平衡,对高炉风口喷吹煤粉时所发生的传递现象和化学反应进行了解析。本文中数学模型的理论计算值和高炉实测结果的一致性证明了模型的可靠性。本文提供的软件具有通用性,只要输入不同高炉的鼓风条件、燃料喷吹量、风口直径等初始参数,就可以预报任一参数的变更对炉内状况(诸如炉内气体组分、温度、诸反应速率、回旋区深度、置换比等)的影响,由此不仅可判断高炉内的燃烧状况,而且为高炉操作选择合适的鼓风参数及喷煤量提供了计算方法,以便控制高炉内气流分布和炉温,使高炉操作正常。     

高炉富氧鼓风技术的理论分析

研究了富氧喷煤条件下,高炉炉腹煤气量、理论燃烧温度的变化规律,同时对比分析了由富氧鼓风到全氧鼓风对高炉冶炼可能带来的影响.以一座4000m<'3>级高炉的生产指标为例,计算结果表明,这一高炉富氧率在0%～14%时,富氧率每提高1%,炉腹煤气量增加2.7%～3.9%,理论燃烧温度提高7～16K.如果单纯考虑炉腹煤气量对高炉冶炼的影响,在保持鼓风量不变的前提下,高炉所能接受的最大富氧率应该为12%左右.     

炉顶煤气循环氧气高炉一维气固换热与反应动力学模型

结合风口回旋区燃烧和炉外煤气预热、脱除和循环的平衡关系,建立了氧气高炉一维气固换热与反应动力学模型,并采用传统高炉的运行和解剖数据对模型进行了验证分析.通过模型研究了氧气含量和上部循环煤气流量对氧气高炉炉内过程变量的影响规律.结果表明:氧气含量偏低和上部循环煤气流量不足时,会降低铁矿石还原效果,炉渣内出现大量未还原铁氧化物;氧气含量和上部循环煤气流量的提高可以有效提高炉内CO含量和铁矿石还原速度,但提高上部循环煤气流量会大幅提升炉顶煤气温度,增大热量损失.与传统高炉相比,氧气高炉内CO含量提高1.0~1.5倍,炉内气体还原性更强;铁矿石还原完成位置提高1.49 m,全炉还原反应速度更快;直接还原度降低55.2%~79.2%,炉内直接还原反应消耗的碳量更少.      

氧气高炉喷吹CO2对冶炼参数的影响研究

采用物料平衡、热平衡方法,模拟计算了氧气高炉喷吹CO₂后理论燃烧温度、鼓风动能、焦比、炉腹煤气量、直接还原度及炉顶煤气量的变化规律。结果表明,随着CO₂喷入量增加,氧气高炉的理论燃烧温度和直接还原度降低,鼓风动能、焦比、炉腹煤气量和炉顶煤气热值提高。CO₂喷入量为100 m³/t时,理论燃烧温度降低到2 267℃,鼓风动能提高到1 780.41 kg·m/s,能够满足高炉炼铁的正常生产需求。     

Dome Combustion Hot Blast Stove for Huge Blast Furnace

 In Shougang Jingtang 5500 m3 huge blast furnace (BF) design, dome combustion hot blast stove (DCHBS) technology is developed. DCHBS process is optimized and integrated, and reasonable hot blast stove (HBS) technical parameters are determined. Mathematic model is established and adopted by computational fluid dynamics (CFD). The transmission theory is studied for hot blast stove combustion and gas flow, and distribution results of HBS velocity field, CO density field and temperature field are achieved. Physical test model and hot trail unit are established, and the numeral calculation result is verified through test and investigation. 3-D simulation design is adopted. HBS process flow and process layout are optimized and designed. Combustion air two-stage high temperature preheating technology is designed and developed. Two sets of small size DCHBSs are adopted to preheat the combustion air to 520-600 ℃. With the precondition of BF gas combustion, the hot blast stove dome temperature can exceed 1420 ℃. According to DCHBS technical features, reasonable refractory structure is designed. Effective technical measures are adopted to prevent hot blast stove shell intercrystalline stress corrosion. Hot blast stove hot pipe and lining system are optimized and designed. After blowing in, the blast temperature keeps increasing, and the monthly average blast temperature reaches 1300 ℃ when burning single BF gas.     

首钢京唐BSK顶燃式热风炉的燃烧技术

 为开发5500m3高炉BSK顶燃式热风炉技术,对顶燃式热风炉的燃烧机制和燃烧特性进行了研究。采用CFD数学仿真模拟研究了BSK顶燃式热风炉环形陶瓷燃烧器的燃烧机制,解析了顶燃式热风炉燃烧室内气体的混合、流动以及燃烧过程,计算分析了顶燃式热风炉燃烧过程的速度场、温度场以及浓度场分布。通过对实体热风炉的冷态测试,验证了CFD数学仿真计算的结果。研究结果表明,BSK顶燃式热风炉采用旋流扩散燃烧技术使燃烧过程速度场、温度场和浓度场分布均匀对称,并可以有效控制火焰长度和火焰形状,使煤气在拱顶空间内充分燃烧。速度场、温度场和浓度场的分布与煤气和助燃空气的初始分布有直接关系。通过燃烧器喷嘴结构优化设计可以显著提高空气与煤气混合的均匀性,改善燃烧室内浓度、温度分布以及火焰形状。     

首钢高炉热风炉高风温技术进步

本文叙述首钢高炉热风炉现状和技术进步,说明首钢高炉热风炉向大型、高风温方向发展。通过分析首钢北京地区、首秦和迁钢等高炉热风炉投产以来的风温变化,阐明首钢全烧高炉煤气热风炉采用高温空气燃烧预热技术实现风温1250℃。利用仿真和冷态试验等手段从理论和机理上研究了首钢现有不同高炉热风炉结构的流场和温度分布特征,指出了顶燃式和内燃式热风炉存在的问题。首钢高风温试验研究采取加强系统监测、操作制度优化和改善原燃料条件等措施,实现了1250～1280℃的风温。该试验研究结果将在首钢迁钢3＃高炉、京唐大型高炉上进一步实施,为国内外高炉提高风温研究提供参考。     

高炉合理富氧操作方式的研究

高炉富氧操作可分为稳定风量、稳定炉腹煤气量及稳定压差3种方式.在大型高炉工况条件下,解析了3种富氧操作方式下主要冶炼参数的变化规律,以及高炉下部高温区煤气通道状况.结果表明:稳定风量的富氧操作方式有利于煤气流在炉缸的均匀分布以及有效煤气通道量增加,是提高高炉产能的有效措施.     

顶燃式热风炉周期性工作的数值模拟

提高高炉热风炉热风温度对于降低能耗、实现经济绿色发展具有重要意义。以某2 500 m3高炉热风炉为原型,建立了顶燃式热风炉的三维数学模型。采用Fluent软件对热风炉在“两烧一送”工况下烧炉和送风的过程进行多次连续性仿真模拟。选用可实现的k-ε湍流模型、P-1辐射模型和涡流耗散模型分别应用于模拟流体的流动、辐射传热以及化学燃烧。在此基础上,进一步分析了混烧不同比例的焦炉煤气对热风炉内部温度场和热风温度的影响。模拟结果表明,在这两个工作过程中,热风炉蓄热室内部温度相差200 ℃,这是冷风在蓄热室中所吸收的热量;混烧1%和2%焦炉煤气均可以提高热风平均温度20 ℃。     

高辐射覆层技术在日钢球式热风炉中的应用

日钢炼铁厂在2#、5#、7#、8#高炉热风炉改造中应用高辐射覆层技术,热风炉正常运行1a后的数据统计表明,5#高炉2#热风炉烧炉时间节省4.34min,即节约煤气量3.34%,送风拱顶温度提高了49.20℃,送风终了拱顶温度提高了53.86℃;2#、7#、8#高炉的11座热风炉在风温提高16℃的情况下,高炉外供总煤气量仍增加0.55%,年效益为1512.6万元。     

高炉高风温的试验研究

在钢铁工业的节能减排形势下,首钢开展了高炉高风温试验研究.2009年高风温试验情况表明,迁钢2号高炉连续4个月月均风温突破1270℃,实现年均风温1258.7℃,达到了高炉生产降低焦比和提高煤比等目标.采用对比分析法总结分析了高风温试验前、2008年和2009年迁钢2号高炉的试验数据,2009年实现1280℃高风温下的...     

高炉理论燃烧温度计算模型的开发与实践

在传统理论燃烧温度计算模型的基础上,重点考虑了风口回旋区燃烧平衡时煤气成分的变化,强调化学平衡对理论燃烧温度的影响,提出了新的理论燃烧温度计算模型,通过采集与处理现场高炉数据以及编程技术实现了该模型的在线计算,并成功应用于国丰钢铁有限公司1号高炉,在高炉与主控室之间建立起一条理论燃烧温度信息通道,实时反映炉缸热状态。实践证明,该模型可以有效帮助工长了解高炉情况,从而对于保持炉缸状态活跃、高炉顺行、延长高炉寿命等起到了促进作用。     

高温内燃式热风炉的发展及特征

霍戈文式热风炉自1969年问世以来,迄今已在十几个国家的几十座高炉推广应用。该热风炉具有结构合理、投资省、占地少、热损失小、风温高、寿命长等优点。武汉钢铁设计研究院运用霍戈文式热风炉的设计思想,应用自己研制开发的组合砖技术成功地为武钢5号高炉和4号高炉设计了高温内燃式热风炉。现在武钢4号、5号高炉的热风炉在单烧高炉煤气的条件下平均风温达1150℃。