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.      

全氧混合喷吹煤粉和富氢燃料高炉新工艺的可行性

 提出了全氧混合喷吹煤粉和富氢燃气高炉炼铁新工艺,并通过理论分析结合实验证明新工艺的可行性。理论计算证明,在新工艺条件下,理论燃烧温度控制在1 800~1 850 ℃时可同时满足高炉上下部热平衡;实验结果证明,在焦炭气化反应激烈开始温度前,铁矿石金属化率可达95%,焦炭在高炉内参与直接还原而气化程度很低,吨铁焦比可降到190 kg。煤气氮含量低于07%,有利于CO2回收,可实现CO2零排放。煤气热值达到8 200 kJ/m3。这种煤气不仅适合钢铁联合企业和传统燃气用户使用,也可直接用于高效的电 热 冷三联产系统,间接实现了燃煤高效洁净化利用。     

氧气高炉喷吹焦炉煤气数学模型

 为降低氧气高炉炼铁流程中循环煤气脱除CO2及煤气预热成本,提出了氧气高炉喷吹焦炉煤气炼铁流程,并建立了新流程能质平衡数学模型,应用该模型分别对传统高炉、传统高炉喷吹焦炉煤气、氧气高炉（鼓风氧体积分数为30%、40%、50%、100%）喷吹焦炉煤气炼铁流程主要技术参数进行计算并对比。结果表明,传统高炉喷吹少量焦炉煤气（30 m3/t）可降低燃料比13 kg/t,焦炉煤气置换焦炭的置换比为0.433 kg/m3,但是对其他参数影响不大。氧气高炉喷吹焦炉煤气流程随着富氧率提高,炉内还原势提高,CO和氢利用率下降,炉内存在还原剂表观过剩,非全氧鼓风条件下炉内没有发生氮气富集。新流程外供煤气总热值为3 000 MJ/t左右,与传统高炉相比变化不大,对现有钢铁联合企业煤气供需平衡影响较小。全氧高炉喷吹焦炉煤气炼铁流程相较于目前的高炉炼铁流程可节焦43%,增煤33%,总燃料比降低20%。     

氧气高炉炼铁技术分析

对氧气高炉进行了数值模拟,数值模拟结果表明氧气高炉炉顶煤气循环利用,可以降低燃料消耗5%左右,炉顶煤气CO2进行储存及资源化利用,可以减少CO2排放56%以上。通过分析氧气高炉的工业化试验情况,说明氧气高炉要实现低成本生产,尚需要解决高效喷吹及全流程优化控制技术,循环煤气加热技术,炉顶煤气CO2脱除技术和CO2储存及资源化利用技术四个关键问题,同时为发展氧气高炉炼铁新工艺提出建议。     

现有高炉改氧气高炉的工业试验方案探讨

以现有750 m~3高炉为平台,通过炉顶煤气循环、氧气鼓风进行炼铁基础研究与工艺技术开发,提出了以现有高炉改氧气高炉的工业试验方案。采用高富氧鼓风,高炉煤气自身循环利用,高炉煤气CO_2脱除技术的清洁生产工艺,重视二次能源的循环利用,降低高炉的直接还原度,降低燃料消耗,达到减少CO_2排放的目的,以获得先进的工序能耗指标和良好的经济效益。对物料平衡和热量平衡进行了理论计算,对生铁成本进行了对比分析。     

氧气高炉技术及炼铁工序能耗初步分析

氧气高炉(以430m^3高炉为例)综合数学模型分析计算表明,氧气高炉采用全氧鼓风、顶煤气循环及煤气加热等技术,可提高喷煤量、降低焦比、提高生产效率,其工序能耗较传统高炉相比降低6.27%。通过对氧气高炉的煤气重整能耗和生产工序能耗的分析对比,认为氧气高炉的总体综合能耗较传统高炉具有一定优势,发展氧气高炉有利于节能降耗、降低环境污染,实现可持续发展。     

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%.      

以钢铁联合企业副产煤气为燃料的热电厂CO_2捕集

采用高炉—转炉联合流程的钢铁企业应优先考虑减少CO2排放,以缓解对环境的影响。其中,选择之一就是在能效方面进行持续不断的重要改进,这虽然可以实现排放量和原材料消耗的大幅度降低,但采用该方法达到进一步提高减排效果却变得越来越困难;另一种选择是对炼铁过程进行基础的重新设计,例如ULCOS项目。现提供第三种选择,即对钢铁企业中产生的CO2进行捕集。典型的高炉—转炉厂主要产生三种煤气:焦炉煤气、高炉煤气以及转炉煤气。按所带能量来说,高炉煤气带走的能量最多。很大一部分高炉煤气在热电厂燃烧后转化为冷风和电能,而在热电厂排放的烟气中,CO2量在整个钢铁厂的CO2排放量中占有很大的比例。低热值烟气燃烧产生的单位能量排放的CO2量要远高于火力发电厂烧煤或燃烧天然气所排放的CO2量,甚至高于其他烟气排放的CO2量。因此,将所有CO2捕集过程中的能耗降至最低显得尤为重要。以能耗为基准,对采用高炉煤气与空气或氧气燃烧发电的火力热电厂的CO2捕集方式,即标准的胺类溶液吸收、变压吸附和冷凝分离等燃烧后捕集方式进行评价。     

回转窑预还原-氧煤燃烧熔分炼铁技术分析

针对高炉炼铁存在工艺流程长、焦炭依赖度高、环境污染大等问题,提出了一种回转窑预还原-氧煤燃烧熔分炼铁新工艺。该工艺具有原料适应性广,不需要消耗焦炭,污染物排放少,适合冶炼特殊铁矿资源等特点。通过建立数学模型,对该工艺进行了数值模拟。计算结果表明,回转窑预还原炉料的金属化率、熔分炉煤气的氧化度和鼓风氧含量对冶炼工艺煤耗和氧耗影响较大,煤粉和氧气消耗随着预还原炉料金属化率的升高,熔分炉煤气氧化度的增大和鼓风氧含量的升高而降低。该工艺对冶炼特殊铁矿资源具有显著优势,可以弥补高炉冶炼的不足,对降低燃料消耗和减少CO_2排放具有重大意义。     

喷吹循环煤气氧气高炉的静态模型

根据整体及各区域的物理化学约束条件建立了氧气高炉工艺综合数学模型.通过模型的计算结果对能量在不同区域的利用情况进行了分析.得出结论如下:氧气高炉无煤气循环流程的一次能耗很高,燃料比在600 kg/tHM以上,并且无法实现高温区和固体炉料区之间的能量匹配.炉顶煤气循环后,可以实现能量在高温区和固体炉料区的同时平衡;在同时满足全炉热平衡和区域热平衡的条件下,氧气高炉炉身喷吹循环煤气流程的理论燃烧温度过高,而炉缸喷吹循环煤气流程的理论燃烧温度偏低;对于氧气高炉炉身、炉缸同时喷吹循环煤气流程,随着循环煤气量的增大,焦比升高,煤比降低,理论燃烧温度可以维持在合理的范围内.     

顶煤气循环氧气高炉低碳炼铁技术综合评价

顶煤气循环氧气高炉工艺是一种新型高炉炼铁工艺，具有大幅降低燃料比、减少CO₂排放和提高铁水生产效率等优点。对于氧气高炉的内部生产状态、整体生产指标、能量利用以及经济效益等进行了深入的系统性研究。通过顶煤气循环氧气高炉多流体模型，对风口喷吹循环煤气与风口炉身同时喷吹循环煤气2种路线下不同操作参数对氧气高炉的冶炼状态、生产指标、氧气高炉的能量利用效率以及经济效益的影响进行了研究对比。结果表明，随着理论燃烧温度的增加，氧气高炉焦比上升，产量进一步增大，高炉的热力学完善度和■效率降低，氧气高炉的综合效益增加。在只有风口喷吹循环煤气的条件下，与理论燃烧温度2 000℃的案例相比，理论燃烧温度为2 184℃时，焦比上升至243.9 kg/t,产量增加至5 538.3 t/d,热力学完善度由90.69%降低至88.30%,经济效益由13 540万元/a上升至16 252万元/a。与风口喷吹循环煤气的路线相比，风口和炉身同时喷吹循环煤气的顶煤气循环氧气高炉具有更大的产量、节焦量、热力学完善度、■效率以及更高的综合经济效益。在理论燃烧温度为2 184℃,炉腹煤气流量为3 881 m...     

富氢气体喷吹对高炉冶炼工况的影响规律

为了研究富氢气体进行高炉喷吹对于冶炼工况的影响，建立高炉喷吹富氢气体的能质平衡模型，研究了天然气、焦炉煤气、炉顶循环煤气喷吹量对燃料比、直接还原度、炉腹煤气量、氢利用率、炉腹煤气量以及CO₂排放量的影响。对风口理论燃烧温度的计算方法进行修正，将原燃料灰分吸热、未燃烧煤粉吸热、甲烷分解吸热等因素考虑在内，计算结果更精确。富氢气体喷吹可不同程度地降低直接还原度，发展间接还原，减少燃料消耗。当富氧率和焦比不变时，天然气对于直接还原度、风口焦炭质量、理论燃烧温度的影响最大，焦炉煤气其次，循环煤气最小。天然气、焦炉煤气、循环煤气喷吹量每提高10 m³,直接还原度分别降低0.014、0.009、0.002 4,风口燃烧焦炭量分别增加3.22、2.01、0.55 kg,理论燃烧温度分别增加20、14.33、10.17℃。高炉喷吹富氢气体后高炉CO₂产生量和排放量减少，其中天然气喷吹的CO₂减排效果最显著，与基准期相比，喷吹60 m³天然气时CO₂排放量减少了9.46%。     

鼓风参数对炉顶煤气循环高炉的影响分析

针对炉顶煤气循环高炉(TGRBF)的工艺特点,建立了此工艺的数学模型,根据模型的计算流程和给定的条件数据,计算出了一种给定条件下TGRBF的基本工艺参数,焦比180kg/t,煤比200kg/t,直接还原度为0.15;通过调整设定的鼓风温度和鼓风中的氧气含量,得出这2个参数变化对焦比、循环煤气量、鼓风量、炉顶煤气中CO含量、风口焦炭燃烧比例、循环煤气的富余量等参数的影响。     

高炉低碳炼铁分析

从分析目前高炉炼铁碳消耗的本质出发,针对给定的原燃料条件,利用模型计算分析了当前主要低碳炼铁途径的节碳潜力。结果表明:对于普通高炉而言,间接还原达到平衡时的煤气利用率为56.99%,降低燃料比28.37kg/t。氧气高炉炉顶煤气完全循环利用条件下,最低燃料比为385.6kg/t。喷吹焦炉煤气可以降低燃料比,每增加10m3喷吹量,可降低焦比5.0kg/t左右;此外喷吹量存在极值,随着富氧率提高,获得最低燃料比的喷吹量增大,且最低燃料比降低。最佳喷吹条件为富氧率6%～8%,喷吹量160～180m3/t,可节约焦比53～54kg/t。使用高反应性焦炭可以降低热储备区温度,使间接还原平衡时CO浓度降低,平衡CO浓度从70%～60%,每降低2.5%,理论上可降低燃料消耗10.3～12.2kg/t,且降低幅度逐渐减小。     

高炉炼铁降低CO2排放的潜力

在多方努力减少温室气体排放以及欧盟加紧实施CO2排放贸易的大背景下,高炉工艺也开始重新考虑减少CO2排放的可能性。由蒂森克虏伯钢公司开发的高炉平衡模型可提供减少还原剂加入量,即减少CO2排放量的方法。与实际生产高炉作对比,对"理想"高炉进行了计算。"理想"高炉中浮氏体还原动力学的"理想操作点",直接取决于贝-波反应平衡曲线,可在远离平衡位置的低温下实现。统计分析发现,"理想高炉"的燃料比只比德国高炉目前的平均燃料比低5%。高炉中加入预还原炉料,如热压铁块(HBI),对降低还原剂消耗和高炉过程的CO2排放都起有利作用。为了评估减少还原剂消耗和CO2排放的潜力,应用平衡模型对与传统高炉不同的两种新的高炉工艺进行了评价。这两种新流程是无氮高炉和等离子加热高炉,其共同特点是都配有从炉顶煤气中脱除CO2的装置,这两种新工艺虽然降低了还原剂消耗量,但都需要消耗更多的电能,特别是等离子加热高炉工艺。     

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。     

高炉喷吹COREX脱CO2顶煤气的数值分析

 COREX脱CO₂顶煤气作为一种优质富氢气体,直接喷吹进入高炉可有效降低高炉燃料消耗。建立了高炉喷吹COREX脱CO₂顶煤气静态工艺模型,研究高炉喷气对风口理论燃烧温度、炉腹煤气量、炉腹煤气成分、风口回旋区形状、直接还原度、节焦效果等因素的影响,并进一步探究了提高风温作为热补偿措施后的适宜喷气量。研究结果表明,不采取热补偿措施条件下,随着COREX脱CO₂顶煤气喷吹量的增加,理论燃烧温度逐渐降低,炉腹煤气量逐渐升高,高炉直接还原度降低。以维持理论燃烧温度和炉腹煤气量稳定为标准,风温相对基准提高30、60、90 ℃后,可接受喷吹的煤气量为45.4、85.5、123.3 m3/t。热补偿后,随着喷气量增加,鼓风量逐渐降低,富氧率逐渐升高。炉腹煤气中的CO及H₂含量随喷气量增加而增加,每增加10 m3/t的COREX煤气喷吹量,炉腹煤气中总的还原气体体积分数增加0.46 %,直接还原度降低0.006,节约焦炭1.48 kg/t。     

炼铁系统低碳技术发展前景与途径

 现代高炉炼铁是以人造矿石和焦炭为物质基础的。现代高炉实现绿色低碳炼铁,需要从炼铁工序的层次优化工艺流程和关键技术,实现烧结、球团、高炉等多工序的协同优化。面向未来,在提高资源和能源利用效率的同时,基于现有技术推进采用低碳节能技术和先进工艺。对于烧结、高炉等传统工艺技术,要进一步研究并应用先进技术,提高生产效能、降低能源消耗和碳排放。持续研究推广绿色低碳烧结技术,如低碳厚料层烧结技术、烧结料面富氢气体喷吹技术、烧结返矿高效回收利用技术、低温烧结技术和热风循环烧结技术等,有效降低烧结过程的能源消耗和CO₂排放。充分利用中国精矿粉资源生产球团矿,提高球团矿产能和产量,进而提高球团矿入炉比率和炉料综合品位,有效降低碳素燃料消耗。提高高炉富氧率和喷煤量,持续提高风温、降低燃料消耗,提高高炉顶压和煤气利用率。有条件的高炉喷吹富氢气体以减少焦炭消耗,开发应用高炉炉顶煤气循环及CO₂脱除再利用(CCUS)等技术。研究解析了高炉炼铁工艺碳-氢耦合还原的热力学机理,讨论了在高炉内不同温度区域固体碳、CO和H₂的还原能力,提出了直接还原与间接还原的耦合匹配是实现最低燃料比的技术核心,探讨了高炉炼铁喷吹全氢/富氢气体的技术可行性和经济性。这些综合技术措施对于进一步降低高炉工艺流程的碳素消耗、减少CO₂排放具有显著效应。与此同时,设计先进合理的流程系统和耗散结构,优化工序界面技术,构建信息物理系统(CPS)实现炼铁工序协同高效、动态有序运行,这也是高炉炼铁工艺实现绿色低碳的关键共性技术之一,具有广泛的适用性和显著的应用效果。     

降低高炉炼铁碳排放技术的发展

以生产高炉为基础,通过Rist操作线模型计算了＂理想＂高炉的还原剂消耗。针对＂理想＂高炉的计算和我国目前高炉碳排放潜能的分析,提出了在我国现有条件下,降低高炉燃料比是减排高炉碳排放的主要措施,然而考虑到整个钢铁厂的能量平衡,应该选择最佳的方法减少CO2排放量。氧气高炉、炉顶煤气循环、高炉喷吹废旧塑料以及使用预还原炉料都...     

非焦煤炼铁基本原理再研究及最理想工艺、装备的设想Ⅱ

利用还原需求和热量需求计算得到的铁氧化物碳还原最低碳素需求和CO2的最小排放,与某钢铁企业的月平均高炉煤气成分进行了对比,发现其内部反应已经非常接近热力学理论的平衡,要想进一步降低能耗是非常困难的;在高炉内部追求高的间接还原比例,即生成更多的CO2是没有意义的。通过设计的"煤制气-气基直接还原"工艺的热力学研究,找到了实现冶金过程由Fe2O3还原得到1t铁需要的理论最低能耗的工艺,碳素消耗225.36kg(其中还原剂碳161.15kg,发热剂碳为64.21kg)和O2消耗120m3。