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。     

高炉内部气体流动与传热的模拟分析

分别建立了高炉内气体流动、传热的二维和一维数理模型,对高炉煤气流的流场、压力场和温度场进行了数值模拟,基于一维模拟温度结果预测了炉内气体成分变化,并分析了燃烧温度和鼓风速率对煤气流动及温度的影响。研究结果表明：简化的一维模型可适用于高炉煤气温度轴向变化的预测：鼓风速率和燃烧温度的变化影响软熔带的位置、炉内压力损失及炉顶煤气温度。在高炉实际操作中,合理的鼓风速率和燃烧温度是高炉炉况顺行的保障。     

脱湿鼓风技术在中天钢铁1580m3高炉的应用

针对中天钢铁1580m³高炉鼓风湿度波动大的状况,采用了脱湿鼓风技术。8号、9号高炉应用实践表明,脱湿效果明显,鼓风湿度正常稳定在9～11 g/m³,最低为8g/m³,风口前理论燃烧温度稳定在2290℃左右。与脱湿鼓风前相比,日产量增加78.26t/d,焦比降低3.21 kg/t,煤比上升7.62kg/t,燃料比下降16.33kg/t,煤气利用率提高1.46个百分点。高炉采用脱湿鼓风技术,对提高入炉风量,稳定理论燃烧温度,以及提高煤比、降低焦比、增加日产量等,起到了一定的促进作用,但也带来了鼓风机吸入侧机壳、管壁结露的问题,为避免腐蚀,需要在相应位置加设保温层。     

高炉风口前缘焦炭燃烧行为的分析及数值模拟

高炉风口前的物理、化学变化十分复杂，风口燃烧带内的气体流动以及焦炭燃烧状况对高炉的高效生产意义重大。本文对高炉风口燃烧带内焦炭燃烧行为进行了详细的分析，并且分别对燃烧过程中气体流动过程以及传热传质过程进行了理论研究，建立了一个模拟风口燃烧带内焦炭燃烧过程的数学模型并对结果作了讨论。     

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。     

高炉处理烧结烟气脱硫脱硝理论分析

对利用高炉处理烧结烟气同时脱硫脱硝脱二噁英技术的可行性进行了理论探讨,分析高炉内部还原二氧化硫和氮氧化物,以及分解二噁英的热力学条件,探讨烧结烟气代替空气鼓风对理论燃烧温度、风量、炉缸煤气、炉顶煤气和铁水硫含量的影响.结果表明:二氧化硫、一氧化氮和二氧化氮的最低平衡体积分数分别为1.84×10-13%、3.08×10-11%和3.72×10-21%,高炉内部还原二氧化硫和氮氧化物是可行的;高炉具有分解二噁英的有利热力学条件;烟气中二氧化硫和一氧化碳对理论燃烧温度的影响可忽略,氮氧化物能略微提高理论燃烧温度,二氧化碳体积分数增加1%,理论燃烧温度降低大约40.5℃,但通过降低鼓风湿度和提高富氧率等措施,能达到高炉正常生产时的炉缸热状态水平;随着烟气中二氧化碳含量的增加,风量、炉缸和炉顶煤气量都逐渐降低,炉缸煤气一氧化碳和氢气含量增加,炉顶煤气中一氧化碳、氢气、二氧化碳和水含量都增加,氮气含量显著降低;铁水硫含量与烟气二氧化硫含量成正比,但当二氧化硫质量浓度达到2000 mg·m-3,铁水中硫质量分数仅为0.025%,铁水质量仍合格.通过综合调节高炉操作参数,也可以实现烧结烟气代替空气鼓风进行高炉炼铁生产,达到脱硫脱硝脱二恶英的目的.      

氧气高炉回旋区内煤粉燃烧行为的数值模拟

炉顶煤气循环-氧气鼓风高炉炼铁新技术的工艺特点决定了煤粉在其回旋区内的燃烧条件与传统高炉相比将发生很大变化.本文建立了氧气高炉直吹管—风口—回旋区下部煤粉流动和燃烧的数学模型,研究了入口布置方式、氧含量、循环煤气温度以及H₂O和CO₂含量对煤粉燃烧的影响.模拟结果表明:三种引入方式中,假想的循环煤气和氧气混合进入方式明显优于循环煤气和氧气单独进入方式.当氧的体积分数由80%增加到90%,相应的煤粉燃尽率由87.525%提高到93.402%.循环煤气温度对煤粉燃尽率的影响并不显著.循环煤气中H₂O和CO₂的体积分数提高5%,风口轴线上气体的最高温度分别降低124 K和113 K.      

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。     

锰铁高炉富氧鼓风的初步实践

本文介绍了富氧鼓风在255m~3锰铁高炉上的生产实践和应用效果。在富氧率3～4％范围内,富氧率提高1％,冶炼强度可提高8.11％,焦比降低2.88％。在现有富氧率条件下,未发现因风口前理论燃烧温度升高而影响高炉顺行。富氧后明显富化了煤气热值,降低了炉顶煤气温度。本文还初步探讨了锰铁高炉富氧鼓风的极限。     

送风制度对高炉初始煤气流分布的影响

高炉初始煤气流是影响整个煤气流分布的重要环节,初始煤气流主要受送风制度的影响。为了进一步弄清送风制度各控制参数对初始煤气流分布的影响,采用数值模拟的方法,对风口直径、鼓风量及喷煤3个方面进行了研究。结果表明:缩小风口直径或者增大鼓风量,均会使炉缸中心煤气流速增加;从吹透能力方面讲,调节风口直径比调节鼓风量有优势,而从抑制顺时针漩涡方面则调节鼓风量更有利;喷煤后,回旋区上方煤气流速明显增大,炉缸中心煤气流速变化不大。     

Research on main technical parameters of blast furnace with natural gas injection

With the application and popularization of blowing natural gas in blast furnace, it is necessary to study the thermodynamic behavior of natural gas and the variation of operating parameters in blast furnace. By the second law of thermodynamics, the reduction behavior of blowing natural gas in blast furnaces was analyzed. Based on the material balance and heat balance model, the influence of oxygen enrichment, blast temperature and humidity on the blast furnace bosh gas volume and the theoretical combustion temperature in the front of tuyere raceway after natural gas injection were discussed. The quantitative analysis of dynamic coupling effect was realized by linear regression on the effect of key parameters. The results show that natural gas first absorbs heat at high temperature and cracks into CO and H2, which helps to improve the volume fraction and reduction potential of CO and H2 in the gas and promote the indirect reduction reaction. Natural gas injection into blast furnace leads to the rapid increase in the bosh gas volume and the rapid decrease in the theoretical combustion temperature. The change of humidity has a great influence on the bosh gas volume and the theoretical combustion temperature, followed by the oxygen enrichment. However, the blast temperature has a mild influence due to the limited potential to change relatively.     

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.      

高炉富氧喷吹还原性气体工艺分析

为降低高炉炼铁中固体碳耗、高效利用冶金高温副产煤气,提出高炉富氧喷吹还原性气体工艺流程,建立基于物料平衡与热平衡的高炉数学模型,并修正了理论燃烧温度计算公式.应用该模型分别对传统高炉、炉缸富氧喷吹还原性气体以及炉身喷吹循环煤气的炼铁流程进行技术参数分析.结果表明,炉缸富氧喷吹还原性气体以及炉身喷吹循环煤气的炼铁流程中,...     

氧气高炉回旋区内煤粉燃烧行为的三维数值模拟研究

炉顶煤气循环氧气高炉是一种全新的炼铁新工艺,它可以有效提高煤比、减少CO₂的排放.但是其复杂的燃烧条件将使煤粉在回旋区内的燃烧及高炉下部的行为发生很大变化.为了了解氧气高炉炼铁新工艺条件下喷吹煤粉的复杂现象,建立了一个氧气高炉条件下的氧煤枪-直吹管-风口-回旋区-焦炭床的三维数学模型,研究了氧气高炉下部的温度场、浓度场及煤粉的流动和燃烧特性.模拟结果表明,氧气高炉条件下的回旋区温度显著升高、高温区面积扩大,CO₂含量提高,焦炭床内CO含量显著增加.此外,与传统高炉相比,氧气高炉回旋区表面的煤粉燃尽率增加了10.24%.      

富氧条件对低热值燃气烧结点火的影响

针对低热值燃气燃烧温度低导致烧结点火质量差的问题,采用描述碳氢火焰燃烧的化学动力学详细机理GRI-Mech3.0对低热值燃气的燃烧过程进行模拟;研究了富氧条件对低热值燃气燃烧温度、烟气氧浓度和燃烧速率的影响;开展了低热值燃气富氧点火技术的工业化试验.研究结果表明,采用富氧空气作为助燃剂可以显著提高低热值燃气点火温度,改...     

高温空气燃烧技术在加热炉上的应用

介绍了高温空气燃烧技术及其燃烧机理，结合钢铁企业的能源结构，从理论上研究了高炉煤气在高温空气燃烧技术的支持下应用于加热炉的燃烧特性，说明了高温空气燃烧技术在加热炉上的应用具有节能，环保等的多重效果。     

多约束条件下回转窑-氧煤燃烧熔分炉热工分析

 传统高炉炼铁工艺具有冶炼流程长、污染物排放大的问题,因此非高炉炼铁技术引起了国内外学者的广泛关注。通过建立热量与物料平衡耦合的数学模型,对回转窑预还原-氧煤燃烧熔分炉物料平衡和热平衡进行计算,揭示不同金属化率、煤气氧化度及鼓风氧含量条件下的热工参数变化规律,最后使用Lingo软件对工艺进行热工分析,确定回转窑内预还原金属化率等与熔分炉适宜煤粉消耗量的关系。结果表明,升高金属化率、煤气氧化度及鼓风氧含量均可以降低工艺煤耗和氧耗,但煤气量及煤气热值并不会随着操作参数的升高而达到最优,在对工况参数进行最优求解后得知,在炉料金属化率为70%、熔分炉煤气氧化度为16%且鼓风氧为100%时,回转窑-氧煤燃烧熔分炉工况条件最好。     

高炉富氧喷吹焦炉煤气理论研究

 用计算模拟富氧喷吹焦炉煤气以后高炉直接还原度、焦比、入炉风量、炉腹煤气量、理论燃烧温度和炉顶煤气的变化,同时分析了富氧喷吹焦炉煤气对高炉冶炼可能带来的影响。计算结果表明：在保证高炉热量和理论燃烧温度满足高炉正常生产前提下,选择合适的富氧率和焦炉煤气喷吹量,可以使焦比降低至291kg/t,CO2的排放量减少6.1%,并且提高了煤气利用价值,增加企业的经济和环境效益。     

富氧喷煤对高炉风口回旋区特征影响的理论研究

运用热力学软件FactSage,针对攀钢4号高炉,研究了富氧和喷煤的变化对高炉风口回旋区特征的影响,主要是对理论燃烧温度以及煤气成分的影响。其结果表明:在攀钢目前的冶炼条件下,4号高炉的喷煤比可以继续提高至185 kg/t,但在245 kg/t时达到极限。提高喷煤比和富氧率均可提高回旋区的温度,但喷煤比的效果会更加显著;喷煤比和富氧的变化对煤气成分影响也各不相同。