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。     

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.     

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.     

预热对潞安高炉喷吹煤粉爆炸性的影响

本文研究预热对潞安喷吹煤粉的爆炸性能的影响。采用煤粉爆炸性测定仪,进行不同预热温度的潞安高炉喷吹煤粉的爆炸性能测定实验。结果表明:潞安高炉喷吹煤粉经预热后,煤粉的爆炸性基本没有变化。     

对鞍钢高炉实行大喷吹冶炼的几点认识

十几年来,鞍钢铁厂成功地采用了唢吹重油、煤粉的新技术。在学习鞍钢实行大喷吹量提高喷吹效果的一系列宝贵经验的基础上,提出如下几点认识,供进一步商榷讨论。 一、影响炉缸热状态的诸因素 众所周知,保证高炉正常生产的前提条件是炉温充沛、渣铁流畅,即炉缸应有良好的热状态。实践和理论都表明,炉缸热状态是高炉冶炼条件、冶炼制度和炉内物理化学反应过程     

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。     

高炉炉料结构分析及性价评估体系的研究及应用

在系统推导物、热平衡计算模型的基础上,结合线性规划方法,以高炉用料成本最低为目标,以满足高炉冶炼的物、热及化学约束为条件,以通过冶金性能试验和基于遗传算法+最小二乘支持向量机的自优化智能模型预测得到的炉料冶金性能指标为辅助参考,建立了炉料结构分析及性价评估体系。该体系可有效实现高炉含铁炉料结构成本优化、冶金性能指标预测和分析以及含铁炉料和喷吹煤粉的定量化性价评估。     

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.     

高炉上部区域热交换的数学分析

讨论了高炉上部区域的热交换。建立了传热方程,通过求解,得到了高炉上部区域炉料温度和煤气温度随时间变化的关系式,并说明其用途。     

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。     

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%.     

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%.     

氧气高炉多流体数值模拟与分析

为研究不同氧气高炉操作流程及操作参数对高炉内部过程产生的影响,预测氧气高炉流程各参数的变化规律,基于多流体理论、冶金传输原理、冶金反应动力学与热力学理论以及计算流体力学建立了普通高炉多流体模型,并在此基础上修改边界条件及内部相关参数,建立氧气高炉多流体数学模型。通过建立的模型分别对普通高炉和气化炉氧气高炉(GF-FOBF)流程中的氧气高炉进行了模拟计算,得到两种工艺流程下高炉内温度场、浓度场和速度场等典型参数的分布情况。通过对计算结果的对比,分析了氧气高炉操作条件下炉内状态的主要特征和相对于普通高炉发生的变化,发现氧气高炉内部速度场、温度场均发生变化,特别是气相组分的均匀分布问题明显。本模型可为氧气高炉流程试验及流程开发提供参考。     

COREX熔化气化炉物料运动的物理模拟

以COREX熔化气化炉实际尺寸和操作参数为基础,根据相似准则建立了COREX熔化气化炉模型,用以研究气化炉内物料运动过程。实验采用聚乙烯粒子作为模型的填充物料,并选用绿豆作为示踪颗粒,分析研究了气化炉内鼓风流量和排料速度对物料运动流型和运动轨迹的影响。结果表明:随着排料速度的增加,停留时间减小,死料柱顶点位置降低,物料下降运动变得不均匀;随着鼓风流量的增加,上部料层的下降更加均匀;非正常排料时,熔化气化炉内物料的运动将很不均匀,气化炉一侧物料的运动并不受另一侧物料的影响;位于死料柱正上方的颗粒下降速度最慢并向排料口弯曲;位于风口回旋区正上方的颗粒下降速度最快,鼓风导致风口回旋区上方的颗粒停留时间减小;靠近炉墙处的颗粒,其下降过程一直沿炉墙下降,直至靠近排料口时发生弯曲。     

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.     

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。     

高炉合适喷煤量的探讨

通过Ｒｉｓｔ操作线图和炉腹煤气量的计算结果，分析了相同冶炼条件下不同喷煤量对炉身效率、热能利用和料柱透气性的影响，并提出了确定合适喷煤量的几点依据。     

烧结镁砂煅烧竖炉内气固传热特性数值分析

以年产5×10⁴t烧结镁砂竖炉为研究对象,基于多孔介质理论,建立竖炉内三维稳态气固流动传热模型,并模拟研究竖炉热工参数对床层内气固传热过程的影响.研究结果表明:冷却风流量每增加10%,出口烟气温度降低50℃,出口球团温度降低80℃;冷却段长度每增加5%,出口球团温度降低25℃.以竖炉出口烟气温度和球团温度为优化目标函数,得到竖炉最适宜结构和操作参数,即煅烧风流量为2606.67m³/h,冷却风流量为2203.34m³/h,预热煅烧段长度为6.64m,冷却段长度为11.70m.在此竖炉运行工况下,出口球团温度为288.75℃,出口烟气温度为414.32℃.