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H2 O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H2 O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.     

高炉直吹管和回旋区煤粉燃烧数学模型

根据高炉喷吹煤粉燃烧特点,对直吹管和风口回旋区分段模拟,以直吹管模拟结果作为回旋区输入.回旋区数学模型在直吹管数学模型的基础上进行修正,为简化计算模型,用附加力修正焦炭回旋运动对气流产生的影响,回旋区焦炭燃烧量和回旋区大小根据经验公式确定.对直吹管和回旋区采用分段模拟,更加接近高炉实际情况,有利于提高数值模拟的准确性.     

高炉直吹管和回旋区煤粉燃烧数学模型

根据高炉喷吹煤粉燃烧特点，对直吹管和风口回旋区分段模拟，以直吹管模拟结果作为回旋区输入。回旋区数学模型在直吹管数学模型的基础上进行修正，为简化计算模型，用附加力修正焦炭回旋运动对气流产生的影响，回旋区焦炭燃烧量和回旋区大小根据经验公式确定，对直吹管和回旋区采用分段模拟，更加接近高炉实际情况，有利于提高数值模拟的准确性。     

富氧喷煤燃烧过程的三维数值模拟

采用数学模型预测高炉富氧喷吹煤粉的燃烧过程,数学模型包括气相流动,煤粉挥发分的热解和燃烧,残炭的燃烧,辐射传热和固体颗粒相的运动等子模型,模拟结果表明,单筒煤枪和热风混合效果不好,不利于煤粉燃烧,由于直吹管和风口空间小,因而富氧对煤粉燃烧率影响不大;富氧可提高风口端部平均氧含量,有利于煤粉在回旋区内燃烧。     

富氧喷煤燃烧过程的三维数值模拟

采用数学模型预测高炉富氧喷吹煤粉的燃烧过程,数学模型包括气相流动、煤粉挥发分的热解和燃烧、残炭的燃烧、辐射传热和固体颗粒相的运动等子模型．模拟结果表明,单筒煤枪和热风混合效果不好,不利于煤粉燃烧;由于直吹管和风口空间小,因而富氧对煤粉燃烧率影响不大;富氧可提高风口端部平均氧含量,有利于煤粉在回旋区内燃烧．     

高炉氧煤枪富氧喷煤氧煤混合特性

研究了高炉采用氧煤枪富氧喷吹煤粉时氧气与煤粉的混合特性，在直吹管内，氧浓度和煤粉浓度在横截面上类似高斯分布；沿轴线按指数规律衰减；并可分别形成局部富氧区域和煤粉富集区域，分析结果表明，这两个区域可以基本匹配，但难以严格地重合，改变氧煤枪结构可以改变局部富氧区域和煤粉富集区域的大小和匹配状况；调节氧煤枪位可以按工艺要求改变它们在直吹管中的位置。     

高炉风口回旋区影响因素的冷态实验分析

以重钢5号高炉实际尺寸和操作参数为基础,假设高炉风口未喷吹煤粉,回旋区内的流动为气固两相流动,且气相的流动属于粘性不可压缩流动,根据相似理论建立了高炉回旋区三维冷态实验模型,分析回旋区的形成机理及影响因素。结果表明:鼓风量、料层物理属性、料层高度以及风口直径对回旋区大小和形状均有影响。随着鼓风量的增大,回旋区穿透深度和高度均不同程度的增加,当鼓风量过大时,回旋区顶部炉料上浮,椭球形的回旋区形状不再存在。同一鼓风量下料层的粒径与密度比越大时形成的回旋区穿透深度越小,反之越大。料层高度对回旋区穿透深度的影响不大。风口直径对回旋区穿透深度的影响较明显。     

高炉喷吹焦炉煤气风口回旋区的数学模拟

基于质量平衡和热量平衡理论,建立了高炉喷吹焦炉煤气风口回旋区数学模型,系统研究了焦炉煤气喷吹量对回旋区焦炭质量流量、理论燃烧温度、炉腹煤气量、炉腹煤气组成和回旋区形状的影响.研究表明:在维持高炉现有的基准操作不变的条件下,随着焦炉煤气喷吹量的增加,理论燃烧温度呈降低的趋势,而炉腹煤气量呈增加的趋势;为了维持理论燃烧温度和炉腹煤气量与基准操作一致,可通过降低风量和提高富氧率进行热补偿.热补偿后,随着焦炉煤气喷吹量的增加,焦炭质量流量呈上升趋势,炉腹煤气中还原气体积呈增加趋势,回旋区体积呈缩小趋势.每增加1 m3/s的焦炉煤气喷吹量,焦炭质量流量上升1.74%,炉腹煤气中还原气体积增加2.04%,...     

新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置设计

设计了一种适合模拟高炉喷煤燃烧的实验装置,满足热风既高温又高速的煤粉喷吹条件,可以模拟氧气高炉条件下的煤粉喷吹.喷吹瞬间流场的数值模拟结果表明,当喷吹气体速度达到最大值时,直吹管气体平均速度为162.35 m.s-1.利用该装置研究了氧气高炉条件下煤粉的燃烧规律.结果表明:煤粉的燃烧率随O/C原子比的增加而增加;在低O/C原子比条件下,煤粉的燃烧率较低,但其增幅比较明显;无烟煤的燃烧率低于烟煤.     

高炉炉前供氧与安全控制系统及其计算机控制

在分析高炉富氧喷煤对炉前供氧系统的要求之基础上,研究开发了高炉炉前供氧与安全控制技术。所研制的我国首台高炉炉前供氧及安全控制系统可分别在氧煤枪和风口出现事故时对单支管进行断氧吹氮保护。为了满足不同等级高炉的要求,进行了系列化设计并采用计算机控制,可以实现参数设置,系统监控、流量及压力显示和记录。     

关于大高炉用焦问题

一、质量问题高炉大型化,发展到4000～5000M~3的高炉,有利于采用电子计算机控制等现代化技术,大大提高劳动生产率和各项技术经济指标,因此是国内外高炉发展的方向。炉容愈大,其直径也愈大,因此采用多风口、小风口以增加风速,使风能吹透中心,这就使得焦炭在回旋区的磨损增加。高炉解体研究表明,焦炭粒度一般在炉腰以下才逐渐变小,接近风口焦炭回旋区粒度减少最快。当产生的粉焦多时,会在回旋区前面和下面积集,使得回旋区的外层透气性变差,以致区内压力升高,煤气只能从区顶较疏松的焦炭层中流出,这就形成炉缸中心堆积和边缘气流发展;且粉焦多时,潭、铁流粘度增加,碎焦和粉焦塞住部分间隙,以致燃烧带中液态渣、     

喷吹方式对煤粉燃尽率的影响

为研究高炉喷煤采用不同喷吹方式对煤粉燃烧效率、煤焦置换比以及高炉生产的经济效益的影响,以某企业3号高炉为对象,建立回旋区煤粉燃烧过程的计算模型,并基于该计算模型研究不同煤种、喷枪形式和富氧率对煤粉燃尽率的影响。研究结果表明:烟煤的燃尽率高于无烟煤和混煤的燃尽率,双煤枪的燃尽率高于单煤枪和氧煤枪的燃尽率;当喷煤比不超过150 kg/t时,该高炉的最佳富氧率为5%。     

喷吹煤气后高炉热平衡

针对高炉富氧喷吹煤气的新工艺,进行了热平衡和物料平衡计算.通过分析研究得到:当富氧率为10%,喷吹600m3tFe时,与唐钢1#高炉相比,新工艺的焦比可降低约40%左右.同时炉内还原气氛强、冶炼强度高、能耗少、炉顶煤气热值高,风口理论燃烧温度可进行灵活的调节,高炉上下部热量可达到均衡的分配等特点,彻底消除了喷吹煤粉给高炉冶炼带来的负面影响.高炉富氧喷吹煤气具有十分诱人的开发应用前景.     

预测高炉回旋区深度和变化规律的数学模型

综合考虑力学因素和高炉中燃烧反应对风口回旋区的影响,提出了描述高炉风口回旋区形成和变化规律的静态和动态模型.模拟结果表明,静态模型能准确地预测高炉回旋区的深度,动态模型可以描述鼓风速度改变时回旋区深度随时间的动态变化过程.最后得出了高炉回旋区形成和变化的规律:鼓风推力使料层迅速移动,导致回旋区大小迅速变化,形成回旋区"雏形",燃烧反应修复回旋区的大小和形状,维持回旋区的稳定.在整个回旋区变化过程中,摩擦力对于维持回旋区的稳定起着重要作用.模型预测结果与高炉风口回旋区的实测值以及其他研究者的实验结果是符合的.     

喷吹煤气后高炉热平衡

针对高炉富氧喷吹煤气的新工艺，进行了热平衡和物料平衡计算。通过分析研究得到：当富氧率为10％，喷吹600m^3tFe时，与唐钢1#高炉相比，新工艺的焦比可降低约40％左右。同时炉内还原气氛强、冶炼强度高、能耗少、炉顶煤气热值高，风口理论燃烧温度可进行灵活的调节，高炉上下部热量可达到均衡的分配等特点，彻底消除了喷吹煤粉给高炉冶炼带来的负面影响。高炉富氧喷吹煤气具有十分诱人的开发应用前景。     

氧气高炉炉身喷吹煤气在炉内的分布

通过二维冷态物理模型对氧气高炉炉身喷吹煤气在炉内分布进行了实验研究,分别研究了炉身煤气总量、辅助风口直径以及炉身喷吹煤气量与炉身煤气总量之比对炉身喷吹煤气在炉内分布的影响.结果表明,炉身喷吹煤气量与炉身煤气总量之比对炉身喷吹煤气在炉身分布起决定性作用,而炉身煤气总量和辅助风口直径的影响较小.同时,在炉身煤气上升过程中涡流扩散效应的影响也较小.通过对根据实验数据绘制的炉身等浓度分布图进行研究发现,炉身煤气分布主要分为两个不同的区域,一个是炉身喷吹煤气主流区,另一个是从高炉下部产生的上升煤气主流区.在炉身等浓度分布图的基础上通过回归分析的方法推导出炉身喷吹水平喷吹煤气的渗透公式.此外,辅助风口被安装在炉身下部有利于铁矿石在炉身的间接还原.     

高炉风口回旋区断面温度场数值化研究与应用

对风口回旋区内煤粉燃烧火焰断面温度场分布进行数值化研究,有助于诊断高炉风口回旋区煤粉的燃烧状态和了解炉缸的工作状况,同时可以指导改进氧煤燃烧器,改善氧煤燃烧工艺和高炉喷煤操作.采用非接触辐射测温理论和技术,建立了高炉风口回旋区断面图像的二基色(RG)信息与温度间的关系模型,进行了二维平面投影火焰温度场测量,并绘制了回旋区断面温度场等高线.试验结果表明:这种测温技术可行,与抽气式热电偶测量结果相比,准确度达98.09%.     

高炉风口回旋区工作状态监控技术的研究现状

在高炉生产过程中,只有从风口窥视孔可以直接观察高炉内的情况,操作者十分关注高炉风口区的工作状况,并将其作为判断和控制高炉操作的重要依据之一.风口前的监测可以获得喷煤高炉在风口处煤粉输送情况,还可以根据风口亮度与煤粉燃烧数值模拟结合,研判煤粉在风口回旋区的燃烧状况及温度分布等.简述了国内外在高炉风口回旋区温度检测、工作状态的监控技术的研究现状,提出利用数字图像处理技术与数值模拟结合,解决高炉风口回旋区工作状况监测和控制的思考.     

高炉富氧鼓风对高炉热状态的影响及对策

为进一步探究高炉富氧操作下的冶炼规律,用已建立的高炉富氧综合模型对不同操作条件下的高炉热状态进行计算和分析.结果表明:炉缸喷吹循环煤气能有效抵消富氧操作引起的燃料比增长,且在低富氧操作时高炉不需喷吹循环煤气就能满足上下部热量平衡;增加喷煤量需要与提高富氧率相对应,不同的喷煤量具有不同的富氧操作区间.模型求得富氧操作条件下鼓风加湿极限值,即鼓风加湿不应超过21.2g/m³,相应的富氧率极大值约为4.6%.     

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.