全氧条件下高炉高温热化学反应与能质传递协同原理

高炉作为目前主要的炼铁工艺,经过上百年的发展,其碳耗已接近该工艺的理论最低值,很难再有大的突破。氧气高炉作为一种新型炼铁工艺,其可行性以及在节碳减排方面的突出优势已经在理论上和试验性高炉上得到了证实。该工艺由于采用全氧鼓风代替传统的热风操作,同时将炉顶煤气脱除CO2后循环回高炉,使得炉内煤气中的CO和H2含量大幅增加,从而导致炉内炉料的冶金性能也发生了变化。为了推进氧气高炉工艺的工业化应用,对氧气高炉炼铁工艺进行了系统的研究。该研究建立了一种氧气高炉综合数学模型,对不同氧气高炉工艺流程进行模拟计算,并采用多种评价指标对氧气高炉炼铁工艺进行综合评价,确定适宜的氧气高炉工艺流程,为研究开发氧气高炉炼铁工艺提供理论基础。以氧气高炉数学模型为基础,在不同气氛下分别进行烧结矿、球团矿和块矿的低温还原粉化实验,分析氧气高炉气氛下含铁炉料的低温还原粉化特性。利用高温还原熔滴实验装置,进行不同操作条件下(传统高炉和氧气高炉)含铁炉料的高温软熔特性实验研究,讨论氧气高炉气氛与传统高炉气氛下炉料软熔特性的差异,初步探索氧气高炉软熔带的形成及分布规律。采用程序还原及软熔实验装置,通过设定升温制度及分段改变煤气成分来模拟烧结矿、球团矿及其混合矿在氧气高炉与传统高炉中的还原及软熔行为,对炉料在氧气高炉工艺条件下的还原及软熔性质演变规律作出分析判断。以氧气高炉数学模型为基础,采用自制的单颗粒还原实验装置对球团矿在H2、CO以及两者的混合气氛中的还原行为及其交互作用进行了研究;采用颗粒模型与三界面未反应核模型相结合的方法对球团矿在CO/CO2/H2/H2O/N2混合气氛下的还原行为进行数值模拟研究;用单颗粒焦炭溶损实验装置,分别对H2O、CO2以及两者的混合气氛中的焦炭的溶损行为及其交互作用进行了研究。通过利用仿真模拟系统建立了氧气高炉的数学模型对氧气高炉的内部运行状况进行了深入研究,分别采用粘性流方法和离散元方法对炉料下降运动进行数值模拟研究;建立了高炉风口回旋区的二维数学模型,对氧气高炉中气体的流动、煤粉颗粒的运动、气体的传热(气体间的传热和气体与颗粒间的传热等)、颗粒的传热(颗粒之间的传热及与气体间的传热等)、燃烧(煤粉和焦炭的燃烧)等过程进行了深入研究;通过建立一维和二维的气固换热与反应动力模型,对氧气高炉内部的温度分布、压力分布以及不同相之间的换热情况进行了深入了解。     

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.     

铁矿煤球团内生还原气生产DRI工艺及估算

在高炉热风炉中用高炉煤气、垃圾制燃气、低热值煤气加热循环还原气,或用红焦、热DRI(直接还原铁)等热量加热循环还原气至1100℃,输入还原竖炉加热铁矿煤球团,生产DRI,从炉顶气中回收硫和CO2,炉顶气净化后作为还原气循环使用.球团内煤干馏形成的半焦、焦炭起到了与高炉内焦炭不同的骨架作用.利用还原反应后气体余热来预热和干馏球团,利用铁精矿粉和煤粉的高比表面积,利用煤的干馏气化促进低温下碳的一次气化反应和直接还原反应,使DRI煤耗进一步降低.设炉顶气温度降到150℃,配煤218kg,高炉煤气消耗约947m3时,工艺能耗约333kg/t煤.比高炉工艺节能约52%,减排CO2约83%.比MIDREX节能约84kg标准煤.该工艺简称为DRI-NHQ.     

重点钢铁厂铁矿石还原及焦炭气化的藕合反应

通过在模拟高炉温度和煤气成分变化的条下,对我国重点钢铁厂铁矿石还原及焦炭气化的藕合反应研究,阐明了焦炭气化与铁矿石还原与反应历程有关。分析预测高炉冶炼效果除考虑恒定温度和恒定煤气成分下焦炭与铁矿石冶金性能外,还应考虑焦炭与铁矿石藕合反应过程CO过剩量。研究表明宝钢、首钢、本钢、鞍钢CO过剩系数ηc较小,煤气利用好;包钢、重钢和梅山冶金公司ηco较大,煤气利用较差。     

低燃料比高炉改善能量利用的方向

实验室和生产高炉的研究发现,铁矿石的还原过程明显存在两个速度高峰,它把高炉内部分为上部高级氧化铁还原区、中部还原反应迟钝区和下部浮士体还原区等三部分。其中浮士体还原区还包括自热储备区下端到矿石熔滴以前(约950℃—1400℃甚至更高)的混合还原区与滴下带内的液态直接还原区。由固体浮士体间接还原和焦炭溶损反应组成的混合还原区是高炉内能量利用的关键区域,只有改善矿石还原性,降低焦炭反应性以增加该区内的间接还原量,才能降低高炉燃耗。上部高级氧化铁的间接还原虽可提高煤气利用率,但不能降低燃料比。位于热储备区的还原迟钝区是浮士体的潜在还原区。喷吹含氢高的辅助燃料、改善矿石还原性、提高鼓风温度和含氧量等可以挖掘该区的还原潜力,进一步降低高炉的燃科消耗量。     

炉顶煤气循环—氧气鼓风高炉综合数学模型

为了研究开发炉顶煤气循环μ氧气鼓风高炉炼铁新工艺,建立其综合数学模型.模型由高炉各个区域煤气成分计算方程、高炉上部空区热平衡模型、热化学平衡模型和炉身效率模型组成.用此模型计算了该炼铁工艺的基本工艺参数.结果表明:新工艺的焦比为200 kg.t-1,煤比为200 kg.t-1,相比传统高炉,燃料比降低22.9%;风口循环煤气量对风口理论燃烧温度影响较大,风口循环煤气量每增加10m3.t-1时,风口理论燃烧温度降低17.6K.此外,应用此模型还可以计算任何原料和燃料等条件下的炼铁工艺参数,研究相同原料和燃料条件下的各个工艺参数的变化规律.     

混烧锅炉富氧燃烧的数值模拟

富氧燃烧会对煤粉和高炉煤气混烧锅炉炉内的燃烧特性产生重要影响.以130 t/h煤粉和高炉煤气混烧锅炉为研究对象,采用Fluent流体力学软件,对助燃气体(O2/N2)在3种不同氧气体积百分数(21％,23％,27％)工况下煤粉和高炉煤气混烧锅炉炉内的燃烧过程进行数值模拟.模拟得到3种工况下:炉内的温度场分布,烟气流场特性,火焰长度.模拟结果表明:随着氧气浓度的增加,燃料着火速度更快,燃烧更稳定,出口烟温逐渐降低,炉内烟气流速逐渐减少,强化了炉内传热效果,提高了锅炉热效率.     

锌在高炉内渣铁中溶解行为计算分析

通过分析锌在高炉下部的行为,结合高炉物料平衡和锌平衡计算,建立锌在高炉内渣铁中溶解行为计算模型.定义高炉炉腹煤气锌含量指数,表征锌在高炉内的循环富集程度.运用某钢厂的实际生产数据进行计算,得出该高炉炉腹煤气锌含量指数为568;高炉炉渣、铁水中的锌均处于饱和状态,炉渣、铁水中的锌含量分别为最终冷态下炉渣、铁水中锌含量的316倍和10倍;同时分析了锌在高炉炉底砖衬的堆积机理和锌对高炉风口的侵蚀机理,提出减缓锌对高炉破坏作用的防治措施.     

氧气高炉条件下含铁炉料的程序还原行为实验研究

采用高炉多区域约束数学模型对典型氧气高炉流程进行模拟计算,确定了其在不同位置处的煤气成分,并结合传统高炉的升温制度,采用程序还原实验装置对含铁炉料在氧气高炉和传统高炉中的还原历程进行研究。结果表明,氧气高炉条件下,烧结矿和球团矿的还原开始温度较传统高炉分别降低60℃和150℃;当温度达到1 100℃时,氧气高炉条件下,烧结矿和球团矿的还原度(RI)基本均达到100%,而传统高炉下其还原度(1 RI)分别为94%和83.1%。另外,经对反应后炉料的化学分析得出,氧气高炉条件下烧结矿和球团矿中的含碳量分别约为传统高炉条件下的10倍和2.5倍。     

高炉热储备区温度对煤气利用率的影响

研究了高炉热储备区内温度与煤气利用率的关系.结合热力学和实际情况,热储备区内只发生氧化亚铁的还原.因此需要利用吉布斯自由能计算和单界面未反应核模型对热储备区内还原反应进行热力学和动力学分析.结果表明:只有在H₂+H₂O体积分数小于0.3时降低热储备区温度才能提高煤气利用率.从1273K降温到1223K,氢气还原速率降低得比CO还原速率降低得多,说明温度对氢气还原的影响更大.对一般高炉来说,炉料在热储备区中还原所需的时间比其停留时间长或接近,说明热储备区内的还原反应没有达到平衡,降低温度不利于提高煤气利用率.     

基于煤气化学能最大化利用的上部吹氧竖炉静态模型

针对竖炉生产中存在的煤气还原势未能充分利用、煤气消耗量高以及二氧化碳排放高等问题,设计出一种上部增设吹氧装置的竖炉.基于物料平衡和热平衡建立了上部吹氧竖炉的静态模型,并对其进行了数值求解模拟和分析.模拟结果表明,在典型条件下,上部吹氧竖炉每吨直接还原铁的还原煤气量为1404.67m3,吹氧量为20.32m3,煤气出口还原势降至0.56,排碳量减少26.25%,能耗减少19.56%.     

氧气高炉工艺研究进展及新炉型设计

从氧气高炉的数学模型、实验室实验以及工业试验角度系统分析了氧气高炉工艺的发展现状及趋势,同时讨论了氧气高炉炉型的设计依据。论述了氧气高炉的静态工艺模型研究需要计算合适的直接还原度和热空区温度,同时应考虑氧气高炉工况下生产率的变化、热损失的变化、风口煤粉的喷吹上限以及N2的循环积累等问题。指出了多维动力学模型和多目标优化模型中尚需解决的问题,以及氧气高炉数学模型的主要发展方向。结合文献研究中的氧气高炉特点,从炉身高度设计、炉腹角和炉身角设计以及风口设计3方面综述了氧气高炉炉型设计的变化规律。     

铁酸锌气体还原的热力学分析

根据热力学原理,计算并分析了含锌冶金粉尘中的重要成分ZnFe2 O4在CO- CO2气体还原过程中的热力学行为. ZnFe2 O4的气体还原遵循逐级还原规律,且ZnFe2 O4很容易被CO还原到ZnO和Fe3 O4.较高温度条件下,ZnO的气体还原易于FeO的还原.随着反应温度升高,锌完全反应和挥发所需要的CO含量不断降低,当反应温度从1100 K升高到1400 K时所需的CO体积分数由0.4降低到0.01以下.要达到还原分离金属锌的目的,不必将铁氧化物还原到金属铁,而只需将铁氧化物还原到Fe3 O4或FeO,同时满足锌的还原条件即可.在高炉炉身中上部,由于发生锌的还原反应和内部循环,给高炉生产带来危害,因此应减少和控制高炉的锌负荷.     

富氧高炉综合模型

针对高富氧操作中出现的“上冷下热”问题,考虑高炉正常冶炼所需的必要条件,建立了对高温区和低温区分别计算物料和热量平衡的数学模型,用于研究高炉内热状态随富氧率的变化和相应的对策.本文描述了模型的建立过程,并通过与生产数据的对比证明了模型的有效性.基准算例条件下的计算结果表明:富氧提高1%,炉顶煤气温度下降约14℃;对于富氧率为1.7%的高炉操作,在不采取额外措施时仍能确保高温区和低温区的热量平衡.另外,计算得到的理论最低直接还原度与实际生产直接还原度的差异表明当前高炉冶炼仍具有继续降低燃料比的可能性.     

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%,...     

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.     

煤气化直接还原新工艺的研究

介绍了几种煤气化直接还原竖炉新工艺的工艺流程及其特点，通过分析对比论证，说明在我国采用富氧或全氧煤气化直接还原竖炉新工艺生产直接还原铁的必要性和可行性。     

全氧高炉炼铁工艺模拟分析

建立了全氧高炉工艺的系统模拟模型。该模型能够计算不同原燃料、不同操作参数下的原料消耗、熔剂消耗、渣量及其成分、各种煤气量及其成分等。模型计算结果表明：在炉身矿石金属化率为90％时,若在炉身底部吹入较多的循环煤气,热量的需求决定了完成炉身内矿石还原所需的煤气量;若在炉缸吹入较多的循环煤气,还原性气体的需求决定了完成炉身内还原所需的煤气量。在焦比固定和正常操作条件下,煤耗的计算值基本随系统输出煤气量的增加而线性增加。在焦比取为200 kg时,经计算获得的系统最低煤比为200 kg左右。