（钢铁冶金专业论文）高炉喷吹还原气操作的数学模拟研究.pdf

东北大学硕f 学位论文 摘要 摘要 提高能量利用效率和加强环境保护是当今世界工业发展的丰题，钢铁冶金工业也不 例外。为了实现可持续发展，高炉炼铁面临着高产、低耗、低污染的巨大挑战。但是经 过几卜年的长足发展，在常规技术广泛应用的基础上，高炉的操作性能已经达到一个较 高的水平，而且基本趋于稳定。要进一一步降低高炉能耗和提高效率相当困难。在此背景 下，一些革薪的高炉炼铁技术被提出，其中包括更高效地利用钢铁，。的副产煤气。本沦 文重点研究的是高炉喷吹还原气( 高炉炉顶煤气、转炉煤气和焦炉煤气) 技术。研究过 程中，采用多流体高炉数学模型对高炉喷吹高炉煤气、转炉煤气以及焦炉煤气等操作进 行了模拟，与实际的传统操作工艺进行了比较，并且对该喷吹技术的实际应用前景和主 要问题进行了客观分析。 在保持回旋区温度、炉腹攥气量以及铁水温度致的前提下，将高炉煤气、转炉煤 气和焦炉煤气分别代替2 0 鼓风常温下喷吹入高炉风口。利用回旋区热模型和多流体全 高炉数学模型对这些操作进行了详细的模拟分析，模拟结果表明：弓常规操作相比，高 炉喷吹还原煤气时为维持稳定的炉缸热状态，鼓风富氧量大幅增加；而高炉炉身温度下 降；但整个炉内h 2 c o 浓度显著提高，炉身烧结矿间接还原加速；铁水产量明显增加， 高炉热效率改善。若分别喷吹1 6 8 n m 3 t h m 高炉煤气( 同时富氧2 2 3 、1 6 6 n m 3 t h m 转 炉煤t ( 同时富氧2 1 ) 和1 5 1 n m 3 t h m 焦炉煤气( 同时富氧2 4 ) ，高炉产量将对应 增加1 5 8 2 、1 8 4 0 和2 6 6 0 ，且吨铁热支出减少5 9 5 、9 0 0 和1 5 9 5 。 高炉的热平衡分析表明：喷吹高炉和转炉煤气由于c 0 2 含量高。增加炉内溶损反 应和焦炭消耗，但由于此时直接还原热消耗、炉墙热损失以及炉顶煤气携带龅显热均明 显减少，最终贡献了全高炉更高的热利用效率。而焦炉煤气富氢低c 0 2 ，故在三种煤气 喷吹操作巾其喷吹效果最显著，体现在更高的产量、更低的还原剂消耗和更少的c 0 2 排放。 如果经济的工艺氧制备等相关技术成熟，高炉喷吹各种副产煤气这项新技术将具有 广阔的应用前景。 关键词：高炉多流体数学模型还原气喷吹数学模拟 东北夫学硕士学位论文 a b s t r a c t n u m e r i c a le v a l u a t i o no nb l a s tf u r n a c e p e r f o r m a n c eu n d e rt h eo p e r a t i o nw i t hi n je c t i o no f t h eb y p r o d u c tg a s e si nt h es t e e l w o r k s b a s e do nm u l t i f l u i dm o d e l a b s t r a c t i no r d e rt oa t t a i nt h eg o a lo fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，t h eb l a s tf u r l a c e i r o n m a k i n gp r o c e s s i sf a c e dw i t h u r g e n tc h a l l e n g e s t oa c h i e v e h i g h e r p r o d u c t i v i t y , l o w e re n e r g yc o n s u m p t i o na n dl o w e re n v i r o n m e n tl o a d o nt h i s b a c k g r o u n d ，m a n yi n n o v a t i v et e c h n o l o g i e sh a v eb e e np u tf o r t ho ra d o p t e d ，i n w h i c hf u l lu t i l i z a t i o no fb y p r o d u c t g a s i nt h es t e e l w o r k so w e sa g r e a t e r i m p o r t a n c e i nt h i ss t u d y , i n j e c t i o no fb l a s tf l f f n a c et o pg a s ( b fg a s ) ，b a s i c o x y g e nf u m a c eg a s0 3 0 fg a s ) a n dc o k eo v e ng a si n t ob l a s tf u r n a c ea r et a k e n i n t oa c c o u n ta n ds i m u l a t e db ym u l t i - f l u i dm o d e l t w e n t yp e r c e n t a g e so f h o tb l a s ti ss e p a r a t e l yr e p l a c e db yc o l db f , b o fa n d c o k eo v e ng a s e s ，b u tr a c e w a yt e m p e r a t u r ea n db o s hg a sf l o wr a t ea r ek e p t c o n s t a n tt h r o u g hs u i t a b l yi n c r e a s i n go x y g e ne n r i c h m e n ta n dp u l v e r i z e dc o a lr a t e m o d e ls i m u l a t i o n sr e v e a l e dt h a t ：i nc o m p a r i s o nw i t hc o n v e n t i o n a lo p e r a t i o n ，t h e c o n c e n t r a t i o no fc oa n d o rh za r ee v i d e n t l ye n h a n c e di nt h ef u r n a c ew i t ht h e i n j e c t i o no fb e , b o fa n dc o k eo v e ng a s e s ，a n dt h er e d u c t i o no fi r o n b e a r i n g b u r d e no r ea c c e l e r a t e d d e s p i t eb i g g e rm a s sf l o wr a t ea n dl o w e rs h a f t t e m p e r a t u r e f u r t h e r m o r e ，t h em o d e lp r e d i c t e dt h a t ：w i t hi n j e c t i o n16 8n m 3 t h m 叁些茎堂堡主堂垡堡苎垒璺翌坚：! 竖 b fg a s ，16 6n m 3 t h mb o fg a s ，15ln m a t h mc o k eo v e ng a s ，t h ep r o d u c t i v i t y i n c r e a s e db y1 5 8 2 1 8 4 0 a n d2 6 6 0 w h i l eh e a ti n p u tp e rt o nh o tm e t a l d e c r e a s e db y5 9 5 、9 0 0 a n d1 5 9 5 ，r e s p e c t i v e l y i n j e c t i o no fb fg a sa n db o fg a sw o u l di n c r e a s ei n - f u m a c es o l u t i o nl o s s r e a c t i o na n dc o n s e q u e n t l yc o k ec o n s u m p t i o n ，b u th e a te f f i c i e n c yo f b l a s tf u r n a c e s t i l lt e n dt oi m p r o v ed u et ol e s sh e a tc o m b u s t m nf o ri n d i r e c tr e d u c t i o n ，l e s sh e a t l o s st h r o u g hf u r n a c ew a l la n dl o w e rh e a to u t f l o wb yt o pg a su n d e ri n j e c t i n g t h r e ek i n d so fr e d u c i n gg a s t h ee f f e c t so fc o k eo v e ng a si n j e c t i o na r em u c h m o r er e m a r k a b l ed u et oh i g h e rh y d r o g e na n dl e s sc 0 2c o n t e n t s ，w h i c h a r e r e p r e s e n t e db ym u c hl o w e rr e d u c i n ga g e n tr a t e ，h i g h e rp r o d u c t i v i t ya n d l e s sc 0 2 e m i s s i o nf o rb l a s tf u r n a c eu n i t i ft h er e l a t i v et e c h n o l o g i e s i n c l u d i n gc o m m e r c i a l l ym a n u f a c t u r i n go f p r o c e s so x y g e na r ea v a i l a b l e ，t h ei n n o v a t i v ep r o c e s so fr e d u c i n gg a si n j e c t i o n w i l lp o s s e s sb r o a dp o t e n t i a lf o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：b l a s tf u r n a c e ；m u l t i f l u i dm o d e l ；i n j e c t i o no fr e d u c i n gg a s ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导卜完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：女宠蝎 日期：阳口，；、i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名： 日 期： 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。 学位论文作者签名：刘家蝻 签字日期：弘一6 ；，5 导师签名：l 也以翕叫移 签字日期：，。i 1 ； 东北大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 高炉炼铁现状 钢铁作为一种基础原材料，在国民经济发展中具有不可替代的地位。因此，钢铁工 业的发展对于整个社会来说，意义也非常重大。 日前为止，在钢铁的牛产过程中，有两种流程占主要地位：高炉一氧气顶吹转炉 ( b f b o f ) 流程和电炉( e a f ) 流程。由于在选择质优价廉的废钢及其代用品时尚存 在一些问题，b f - b o f 流程在未来很长+ 段时问内都将是钢铁生产的主要流程。日本的 数据表明，1 9 9 3 2 0 0 2 年间，每年转炉钢的产量大约占粗钢总量的7 0 。而高炉牛产了 9 6 的牛铁，即转炉的原科。可见，高炉炼铁对于整个钢铁生产体系的作用十分重要。 因此，研究高炉过程的理论和规律，努力增加高炉的产量，提高生铁的质量，降低 燃料的消耗和生产成本，将产生巨大的经济效益和社会效益。 高炉炼铁工艺的发展现状如下： i ) 原燃料条件恶化。近几年来，随着对矿产资源的开发利用，可利用矿石的品位 在逐渐下降，优质煤炭储量也越来越少。这对于优化高炉炼铁的炉料结构非常不利。 2 ) 高炉炼铁系统主要的能量来源是煤和焦炭，在生产和使用煤及焦炭的过程中会 产生大量的c o ：，环境污染严重。为此，炼铁应在降低焦比上下工夫，以降低整体能耗， 减轻环境污染。 3 ) 钢铁的牛产制造过程能耗巨大，同时给环境也带来了很大的影响，其中c 0 2 的 排放为主要影响因素。2 0 0 2 年钢铁行业的能耗占全球能耗的5 0 t ”，c 0 2 的排放占全球 排放量的4 6 【2 】。 4 ) 在未来段时期，钢铁的生产仍将以b f - b o f 的流程为主，而且高炉仍是炼铁 过程的主体。图卜l 和卜2 给出了2 0 0 2 年日本冶金系统各工序能量消耗与c 0 2 排放量。 由图1 可知，在冶金系统中炼铁过程的能耗以及c o ：的排放都是最主要的，其中又以高 炉冶炼所占比例最大【 。所以，希望通过优化高炉操作米达到绿色牛态化冶金低耗和低 污染的目标。 垒j ! 查堂堡兰堂堡丝塞 苎二!堑堡 鼯 础 爿 铀 瑚 延 o2 0 0 4 0 06 0 08 0 01 0 0 0 能量消耗【p j 】 幽卜l冶金企业的能量消耗结构图 f i g 1 - 1 t h es t m c t u r eo f e n e r g yc o n s u m p t i o ni nai n t e g r a t e ds t e e l w o r k s 鼯 砘 刳 书 埘 妇 c q 的排放量 m r c o 图卜2 冶金系统c 晓排放量 f i g - 1 - 2 t h es t r u c t u r eo f c 0 2e m i s s i o nf o rs t e e li n d u s t r y 寐北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 革新高炉炼铁技术 发展绿色钢铁工业，减少污染物的排放是未来钢铁 业可持续发展的必由之路。随 着京都协定的实施，这项任务日趋迫切。但是经过几十年的长足发展，传统高炉炼铁技 术已趋于成熟，高炉在“优质、低耗、高产、长寿”各方面都已经取得了巨大的进步。 日前高炉的操作性能已经达到一个较高的水平，而且基本趋于稳定，如图1 3 所示1 4 】。 故继续采用传统技术难以进步提高高炉效率和降低能耗【5 。 暮 墨 丑 斌 年份 图i - 3 传统高炉炼铁技术的发展 f i g , i - 3 t h ed e v e l o p m e n to f b l a s tf u r n a c ei r o n m a k i n gt e c h n o l o g y 因此，一些革新的高炉炼铁技术引起了国内外的高度重视，许多国家已经展开了初 步的实验研究和可行性分析，进一步的研究工作正在进行中。这些革新的高炉炼铁技术 如图卜4 所示，包括使用高还原性原料【5 l 、喷吹含h 物质( 如废塑料、废橡胶、天然 气等) 【5 8 j 、煤气循环再利用( 5 钟、使用含c 铁矿石热结块和低温炼铁等5 t “1 1 1 。主要 目的是通过采用这些技术实现高炉的超高效率操作，从而达到高产、低耗、低污染的目 的，从优化整个冶金体系的角度出发扩展高炉的机能。 ( 1 ) 各种煤气的再利用 东北大学硕十学位沦文 第一章绪论 该技术通过高炉喷吹各种煤气，对煤气中还原成分如c o 和h 2 进行再利用，有效 提高c 和h 的利_ l j 率，降低还原剂消耗，减少c 0 2 排放，同时改善高炉性能。 ( 2 ) 含氢物质的喷吹，如水蒸气、天然气、废塑料、废橡胶等 该技术将会使高炉巾的h 浓度提高，进而提高h 的还原率( 明显高十c o ) ，同时 还能减少直接还原。另外h 还原产牛的气体为h 2 0 ，有利于减少c 0 2 的排放。 ( 3 ) 使用含c 球团料以及实现低温操作 这项技术旨在降低高炉热损失，提高效率。由于低温操作将导致反应速度减缓，所 以此项t 艺的实际应用还需要一些技术上的突破。 ( 4 ) 高炉炼铁生产和大规模发电相结合 将产业废弃物和生活垃圾喷吹进炉内后，炉顶煤气中h 2 和c o 的含量较传统工艺 要高，热值也高。把高炉产生的还原气用做燃气涡轮发电机的燃料进行发电。这项技术 将使钢铁系统c 0 2 的排放和能量消耗都得到极大的改善。并将拓展高炉的功能。 在本论文中，钢铁企业内部嚣种煤气( 高炉炉顶煤气，转炉煤气和和焦炉煤气) 的 综合利用将是研究的重点。 图卜4 革新的高炉炼铁技术 f i g 1 - 4 t h ec o n c e p to f s u p e rh i g h - e f f i c i e n c yb l a s tf u r n a c e 东北大学硕上学位论文 第一牵绪论 1 1 3 煤气的利用现状 煤气是钢铁生产过程中产生的重要副产品，是一种优质的气体燃料，含有c o 、h 2 和芳香族c 挪。等，是宅贵的能源财富。气体燃料的燃烧屉易控制热效率最高，对提 高产品质量十分有利。生产中要求在保证产品产量与质量的前提下，尽可能充分利用煤 气，减少放散量和损耗量，使购进的其它燃料降低到最低限度。 目前同收利用的副产煤气主要有三种：1 ) 焦炭生产过程中产生的焦炉煤气：2 ) 牛 铁冶炼过程中产生的高炉煤气；3 ) 转炉炼钢生产过程中产生的转炉煤气。对各类副产 煤气进行回收利用，不仪可以有效利用二次能源，改善环境，还能降低企业的能耗和生 产成本，对企业的发展将起到很大的促进作用。i f l 是我国对备类煤气的利用尚存在很多 问题，目前在某些钢铁厂除了部分供给民用或在厂内用于热风炉加热提高鼓风温度， 或爿j 于热轧过程中的加热等，剩余的大量煤气被放散造成了资源的极大浪费。根据不 同种类煤气进行如下剖析。 1 ) 高炉煤气是一种低热值煤气，现已有热风炉、锅炉、焦炉、烧结机、喷煤、烤 罐、竖炉、超细粉等用户使用高炉煤气，主要是用于加热。目前，某些企业在回收利用 后，高炉煤气还有很大的剩余。值得一提的是，部分企业的高炉煤气利用率已可达到9 8 5 ，剩余煤气放散率降至1 5 以下l l 目。另外，现在很多钢铁企业都建成投产了炉顶高 炉煤气余压发电装置，有效利用能源，降低高炉能耗。但这仅是利用高炉煤气的势能， 而不是化学能。因此，如何更加高教且环保地利用高炉煤气仍在探索中，一些国家已经 开始尝试用高炉煤气生产二甲醚、甲醇等。 2 ) 转炉煤气回收与利用是钢铁企业重要的节能和改善环境的措旆之一。但是转炉 煤气中含尘较多，因此转炉煤气的回收利用存在一些困难。净化后的转炉煤气是非常好 的工业燃料，如果将其全部回收，炼钢过程将呈现负能耗。世界上各工业发达匿家，转 炉炼钢均实现r 煤气回收，而我国在这方面的成绩还不是缀理想。摧统计，按每吨钢回 收6 0 m 3 煤气计算。每年可回收2 9 4 亿m 3 煤气，折合9 5 6 万吨焦”1 。目前国内钢铁企 业实现转炉煤气回收的转炉约有5 0 座，回收量占应回收量的l 3 寿右。由此可见，俐铁 企业在节能工作中回收转炉煤气的潜力还很大。 3 ) 焦炉煤气是一种优质高热值煤气，含氢物质如h 2 、烷类、烃类等含量高。我国 作为焦炭生产大国，焦化厂每年产生大量的焦炉煤气，但是对这些煤气的利用却不尽如 人意。据初步统计，产煤大省一山西省对焦炉煤气的利用不足2 0 ，每年直接点燃放散 人意。据初步统计，产煤大省山西省对焦炉煤气的利用1 i 足2 0 ，每年直接点燃放散 尔北大学硕i 学位论文 第一章绪论 掉的煤气量相当于西气东年输量的3 倍。表卜1 给出了i 【f 西省焦炉煤气的利用概况。由 表州。知，l 西省焦炉煤气的计算燃烧排空量约占3 5 ，不仅浪费资源，而且还污染环境。 直接点燃排空浪费的能源折合标准煤4 3 4 3 万t ，s o z 排放3 8 万t 。既然低热值高炉煤 气町用来加热焦炉，用高热优质煤气加热焦炉炼焦就显得不合理。用高炉煤气加热焦炉 炼焦，焦炉煤气则可以全部替换出来供城市煤气、生产化t 产品、直接还原铁等，而且 能产生巨大的效益。据有关资料表明，用高炉煤气炼i t 焦可节约2 0 0 m 3 左右焦炉煤气， 从而可以使化工产品、直接还原铁产量增加1 倍。山西省如按2 0 0 4 年焦炭产量8 0 0 0 万 t 计算，就可节约1 6 0 亿m 3 焦炉煤气，如全部用于生产甲醇，其产量为6 9 6 万t 。另外， 若把炼4 0 0 0 万t 焦炭产生的煤气用于直接还原铁，产量约为2 0 0 0 万t ，可有效提高企 业的效益。我国要合理开发利用焦炉煤气，首先要重点考虑利 j 点燃排空的焦炉煤气( 如 山西省每年8 0 多亿m 3 ) ，其次再考虑解决焦炉煤气“高质低用”问题。【1 4 】 表卜l目前山西焦炉煤气利用概况( 单位：亿m 3 ) t a b l e1 - 1c u r r e n ts t a t u so f c o k eo v e ng a su t i l i z a t i o ni ns h a n x ip r o v i n c e 注：燃烧排空为计算值 我国煤气的利用现状丰要有如下主要问题，包括： ( 1 ) 资源未能优化配置，经济产业链不能形成 些地方独立的炼焦厂和炼铁厂造成了产业集中度低、行业间相互独立的局面，资 源得不到优化配蚤，经济效益得不到有效发挥。如山西省的焦炭行业、钢铁行业没有按 照科学的生产工艺组织牛产，大部分为独立焦化厂和炼铁厂，最终使企业形成“能源消 耗最高、产出最低”的局面。“1 东北大学硕1 学位论文 第一章绪沦 ( 2 ) 煤气使用设施不全，输送t 艺陈旧，不配套 一一些企业至今没有高炉气柜，焦炉气柜容量小，且腐蚀严重。由于无气柜或贮量不 足，造成煤气压力不稳，难于保证用户需求。 ( 3 ) 煤气利用不合理 多数企业采用单种煤气加热，即焦炉煤气或高炉煤气。焦炉煤气热值高( 1 6 7 1 8 4 1 0 4 r o m 3 ( 标准状态) ) ，是高炉煤气热值( 3 3 4 5 0 1 6 1 0 3 k j m 3 ( 标准状态) ) 的4 倍，而比重仅约高炉煤气的i 3 ；焦炉使用高炉煤气加热比自产气加热火焰更跃，加热 更均匀，并有利于改善焦炭质量，提高冶金焦率。 ( 4 ) 煤气质量尚需提高 净化工艺不完善，煤气各项指标超出规定范围，妨碍煤气利用的进一步发展。 ( 5 ) 煤气利用的管理薄弱 些企业无专门的煤气生产利用机构，缺乏必要的煤气考核制度，在生产、管理和 使用上监督不严。 ( 6 ) 待用煤气潜力大 高炉炼铁产生大量的高炉煤气，虽然国内部分钢铁仓业实现了高炉煤气的高效回收 利用，但某些企业在回收高炉煤气后除自用于高炉热风炉等系统还有5 0 以上的剩余 1 6 1o 另外，热轧工艺已经逐渐被连铸连轧工艺所代替，丽这种新的t 艺不需要二次加热， 因此可节省焦炉煤气或使得焦炉煤气应用于其它工序成为可能。 随着对资源与环保的日益关注与重视，大多数钢铁企业都开始意识到了煤气综合利 用的重要性，越来越多的有关煤气利用的新技术被提出。下面简单介绍几个有关煤气利 用比较有应用前景的发展方向，包括： 1 ) 以燃气轮机联合循环利用废煤气 利用高炉剩余煤气发电的余热发电机组， 传统的做法是将煤气直接送入锅炉进行燃烧，产生蒸汽，用于其它工艺流程或驱动汽轮 机发电机组。这种处理方法的缺点是，废煤气的能量不能充分利用，而且对环境产生有 害影响。以燃气轮机联合循环利用废煤气，可显著提高电功率输出和增加蒸汽产量，同 时还可减少n o x 的排放。高炉煤气的综合利用可缓解电力的不足且节约能源，降低公害， 减少污染。u t 2 ) 建立焦炭的经济产业生产链 针对山西省焦化产业的现状，为实现焦炉煤气 综合开发和利用，提出了“组建以商品焦为主，生产化学产品和直接还原铁，形成焦炉 煤气生产化学产品产业链和焦炉煤气生产直接还原铁产业链”的新思想，高效利用焦炉 来北大学坝士学位论文 第一章绪论 煤气，大量节约资源、大幅度减少污染物排放。首先可以形成焦炉煤气生产化学产品的 产业链。焦炉煤气含h 2 5 6 6 0 c o 为5 - 8 ，甲烷为2 3 2 7 ，是非常好的化工原料， 绎转化后获得的合成气可州来牛产有机化工产品，如生产甲醇及后续产品；另外还可以 考虑焦炉煤气生产d r i 的产业链，解决炼铁厂和焦化厂相互独立造成的资源浪费。 1 4 1 3 ) 采用高炉煤气烘烤铁水包、钢水包这样可回收二次能源，改善环境污染， 降低能源消耗，降低成本【1 8 】。 4 ) h j 不同比例的高炉煤气和焦炉煤气混和以此方式将焦炉煤气贫化或高炉煤 气富化，来满足不同场合的用途”1 。 5 ) 将高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气喷吹进高炉进行二次利用。 本研究将重点对最后一项技术进行详细的数学模型分析和研究。 1 1 4 高炉喷吹煤气技术 当前冶金产业的主题是在强化生产的同时，大幅降低能量消耗以及切实有效地减轻 产业的环境负荷( 主要以c 0 2 等为代表温室气体的减排) 。为此，充分、高效率、高附加 值地利用本产业的各种副产品煤气乃1 个切实可行的手段，已经引起许多氽业和广大冶 金。 作者的浓厚兴趣，成为冶金行业的热点和重点。随着原燃料价格的飞涨和能源资源 的l ：i 益匮乏，煤气的有效利用愈显其重要性。 目前，高炉喷吹各种还原气已成为研究、t 业化试验和应用的热点技术。该技术的 主要t 艺路线是：将本产业产生的各种还原气( 包括高炉炉顶煤气、转炉煤气、焦炉煤 气、还有熔融还原竖炉产生的还原尾气甚至还有劣质煤制气等) 合适处理后，作为还原 介质通过风口直吹管或者炉身某个合适的部位喷吹入高炉内，参与和加速炉内铁氧化物 的还原反应提高c 、h 等元素的利用率，减少高炉焦炭等还原剂的消耗，通过改善高 炉能量利用效率来达到系统节能。 不同厂家提出还原气喷吹技术有不同的出发点和动机“1 ，主要体现在： 1 ) 单纯为提高高炉效率而喷吹。喷吹还原气的同时可以提高高炉接受高氧鼓风的能 力，借此强化生产和节约焦炭等煤基还原剂消耗，从而达到增产和节能双重日的。 2 ) 高炉的热利用和化学能利用效率在各种冶金反应器中为最高的，通过高炉喷吹来 达到各种煤气的高效高附加值利用： 3 ) 企业内部各种煤气富余，未得到充分利用，高炉喷吹可以减少这些气体的无序排 放，缓解环境压力； 东北大学硕士学位论文第一章绪论 4 ) 加强高炉的氢还原，固定c 0 。，减少温室气体的排放； 5 ) 与其他技术配套使用，比如全氧高炉存在炉缸煤气量不足，炉身还原能力有限 等先天缺点。因此，在实施全氧高炉技术的同时，风口或炉身分别或同时喷吹还原气可 有效解决以上问题。 结合各国符厂的能源结构和生产实际，俄罗斯、德国、日本、法国等一些国家提出 或应用了多种不同的高炉喷吹还原气工艺，例如：h r g ( 俄罗斯，高炉煤气) “、h r g ( 德 国，c o r e 尾气) ”“、i f e ( e t 本，高炉煤气脱c o 。) 。”、o h n o ( e t 本，高炉煤气脱c o 。) 2 3 1 、 f i n e ( 德国，高炉煤气脱c 如) 。“、l u ( 加拿大，高炉煤气脱c o ? ) ”等等。这些工艺的 丰要不同点是：1 ) 还原气的种类和性质；2 ) 还原气中的c o ：脱除与否；3 ) 还原煤气喷 入高炉前预热与否；4 ) 喷吹的位置。 在德国和乌克兰的某些钢铁厂，内部焦炉煤气过剩而成为免费资源，因此其有些高 炉曾经喷吹焦炉煤气，喷吹量由t 0 0 变化到2 5 0 3 0 0m 3 t h m “。 总体说来，典型的喷吹还原气工艺主要有下面三种。 ( 1 ) h r g ( 俄罗斯) 俄罗斯采用的h r g 法高炉煤气循环利用工艺如图卜5 所示。 a ) c o n v e n u o n ab ) h r gm e t h o d 图卜5 俄罗斯高炉实施的热还原气喷吹工艺( h r g 法) f i g 1 - 5t h ef l o w c h a r to f h o tr e d u c i n gg a s 蛳e c t i o np r o c e s su s e di nr u s s i ab l a s tf u l m a c e 东北太学硕l j 学位论文 第一章绪论 丰要的工艺路线为：1 ) 高炉炉顶煤气除尘脱水成为洁净煤气；2 )部分净煤气刷 m e a 化学吸附法脱除c 0 2 ；3 ) 将脱除c 0 。的煤气加热至鼓风温度，成为热还原气( h o t r e d u c i n gg a s ) ；4 ) 热还原气分别适量喷吹入风口和炉身。值得注意的是，鼓风的量适 、与减少，而且富氧率提高到8 5 以上。 该t 艺已经长时间在俄罗斯r p at o u l a c h e r m e t 的2 号高炉( i 0 3 3 m 3 ) 上实际应用。 牛产数据表明：高炉的焦比可以降低2 8 5 而同时增产2 7 3 。高炉c 素利用率由常规 操作的3 7 提高到6 7 ，同时高炉的c 0 2 产生量大幅降低“。 总体来说，该技术明显改善了高炉的性能，并未对传统的高炉体系做出大的变革， 热风炉依然保留。不过牛产实践表明喷吹热还原气时高炉上下部调剂异常重要，而且新 型风口的设计也很关键。 ( 2 ) h r g ( 德国) 德国的高炉喷吹热还原气工艺示于图卜6 。该丁_ 艺使用的还原气为熔融还原c o r e x 尾气。洁净的c o r e x 尾气经加压压缩后加热，然后喷吹入高炉风口和炉身。 a 胃e xp 啊 图卜6 德国提出的热还原气喷吹技术( h r g 法) f i g 1 - 6t h ep r o c e s so f h o tr e d u c i n gg a si n j e c t i o np r o p o s e di ng e r m a n y 该工艺已经进行了大量的可行性研究和初步工业化试验“，结果表明： 1 ) 热还原气的温度最好加热到1 0 0 0 ，c o 。和h 。o 含量应保持在3 - 5 以t ： 东北大学硕士学位沦文 第一章绪论 2 ) 当热还原气和煤粉同时喷吹且鼓风富氧率提高到8 0 1 0 0 时，试验过程中能确保 煤粉喷吹率增加到3 0 0 4 0 0 k g t h m ，高炉生铁产量增加4 0 5 0 ； 3 ) 试验过程中喷吹l o o m 3 t h m 热还原气，高炉的总能耗能够降低5 5 8 0 硅 t h m 。 在该工艺的初步工业化试验过程中，研究者发现风口破坏很严重，故开发了一种新 型的风口，确保热还原气和煤粉的大喷吹。另外，对c o ：的处理也有了一套切实可行的 措施。 目前该技术仍在进行进一步的工业化试验，经济的可行性论证t 作也在进行。今后 拟在l o o o m 3 和3 8 0 0 蠢的两座高炉应用。 ( 3 ) ) f e 法( 日本) 与以上热还原气喷吹工艺不同，日本的i f e 、神户制钢、新日铁等钢铁公司联合东 北大学提出了一个全新的高炉炉顶煤气喷吹技术，称之为j f e 法，工艺路线示于图卜7 。 b ) t 帅i n j e o i o nc ) t l j 归e 日d 醴自c | i n l 甜i o n 图卜71 5 本提出的还原气喷吹技术( j f e 法) n g 1 - 7 t h ep r o c e s so f r e d u c i n gg a sr e c i r c u l a t i o np u tf o r t hi nj a p a n 在该工艺中，还原气喷吹、全氧高炉、塑料喷吹、含碳球团的使用、低温炼铁相结 台，属于一个革新的高炉操作技术。作为第。步，研究者丰要考虑还原气喷吹、全氧高 炉和塑料喷吹三项技术的结合。主要的技术环节和特点包括： 1 ) 高炉炉顶煤气除尘脱水成为洁净煤气： 2 ) 。部分挣煤气化学吸附脱除c 晚； 3 ) 无c 0 2 还原气常温下喷吹入风口； 4 ) 加氧燃烧一部分冷态还原气将自身加热到9 0 0 左右，然后喷吹入炉身，以期 解决上部区域热不足和还原受阻的缺点； 乐北大学硕 学位论文 第章绪论 5 ) 与常规操作相比，风口的喷吹物由l o 溉煤粉改变成1 0 0 9 6 废塑料或者塑料和煤 粉的混合物； 6 ) 常规操作中的热鼓风被停止，改为1 0 0 9 6 冷工艺氧。 该技术彻底改变了常规高炉的操作，是对高炉体系的。个革新，定义为“紧凑型 高炉”，热风炉被全部抛弃。技术只前详细数学模型研究和初步的经济分析已经完成。 剑r 前为止，研究者发表的数据“”表明： 1 ) 通过此技术喷吹还原气，高炉燃料的消耗可大幅度下降，总还原剂消耗町降到 3 5 0 k g t h m 左右； 2 ) c 0 2 排放量可减少2 5 。如果加上固定的c o z ，减排量可达到8 6 ： 3 ) 高炉生铁产量由炉内物料失流现象发生的临界速度决定，预测的出铁比可增加 到3 5 t d m 3 。 该技术实际应用的主要障碍是：1 ) 经济有效的c 0 。脱除技术开发；2 ) 如何保证风 口前冷态喷欧物的高效燃烧；3 ) 新型风口的开发等。研究者也提出了系列方案，并 进行了实验验证。目前，研究者正在着手进行进一步的工业化试验。 1 2 研究目的和内容 1 2 1 研究目的和意义 高炉是钢铁冶金体系中最主要的能量消耗者和c 0 2 释放源。近年来，为缓解优质 炼焦煤的不足，减少高炉的能量消耗和c 0 2 排放，发展了复合喷吹技术，其中加强各种 煤气的高效利用已成为研究热点。本研究考虑通过高炉风口喷吹的方式对各种煤气进行 再利用，有效利用各种产业副产品，并同时改善高炉的操作性能。本研究涉及的各种还 原性气体包括高炉炉顶煤气、转炉煤气和焦炉煤气。 对于高炉喷吹各种煤气操作，可预测的优点有： 1 ) 鼓风的富氧率将大幅度提高，回旋区燃烧加剧，炉料f 降空问增大，另外，风 量将减少，从而降低气流阻力，使得炉料下降速度加快。因此，产量将有明显增加。 2 ) 各种煤气本身带入的或者喷吹入风口后燃烧或分解产生的c o 和h 2 将强化炉内 的还原氛同( 特别是f t 2 ) ，炉内的问接还原速度有望加快。阕而，强吸热的直接还原反 应将减少，最终将改善高炉的能量利用效率，降低还原剂的消耗。 3 ) 由于焦炉煤气中氢含量很高，喷吹后炉内h z 浓度增加，铁氧化物的氢还原比例 求北大学硕士学位论文 第一章绪论 增加，且氢还原的产物为水。故高炉喷吹焦炉煤气后，焦比将会有明显降低，高炉产生 的c o ：量也将大幅降低。 通过采用这项技术，可以实现能源的二次利用，提高高炉的操作效率，减少c 0 2 向大气中的排放，对改善高炉炼铁的操作性能以及解决环境问题具有重要意义。 1 2 2 研究方法和喷吹方案的提出 本研究将使用某钢厂技术条件，用二维、稳态、轴对称的多流体高炉数学模型来模 拟高炉喷吹各种还原煤气的操作。研究过程中将详细分析高炉喷吹各种还原性气体后的 操作状况，得到工艺变量的分布以及生产指标的变化。本论文第二章将给出多流体高炉 数学模型的详细介绍。 针对国内高炉的生产实践和我国的能源结构特点，本研究提出了个折中的高炉还 原气喷吹方案：仅将冷态的高炉煤气，转炉煤气和焦炉煤气替代一部分热风喷吹入风口， 热风炉照样保留但需要的热风减少。另外鼓风的富氧率和煤粉的喷吹量明显提高，以保 证炉缸的热状态。须强调的是，拟提出的还原期喷吹工艺巾各种煤气喷吹量拟不超过常 规操作总风量的2 0 ，且煤气中的c 0 ：未脱除。 提出的高炉炉顶煤气喷吹的t 艺如图卜8 所示。高炉炉顶煤气经净化除坐、脱湿、 然后常温下代替一部分热风喷吹入风口，参与炉内的反虑后从炉项排出。其中的一部分 再次循环利用于风口喷吹，其余将用于其它部门。 喷吹转炉煤气和焦炉煤气操作如图卜9 所示。转炉煤气和焦炉煤气经配管输送到炉 前再加压后，也在常温状态下从风口喷吹进炉内，参与炉内的还原反应后，作为炉顶煤 气的组成部分从炉顶排出，应用于钢铁厂的其它部门。 这里，必须说明制定该工艺路线的理由。 首先，本研究选择冷还原气热鼓风相结合的工艺，这是综合考虑了上述冷热还原气 喷吹的利弊和钢铁厂的能源结构。上面提到的热还原气喷吹工艺中，还原气的加热技术 以及加热效率是决定这个技术成败的关键。俄罗斯采用类似热风炉的设施进行预热的， 考虑到其能源丰富，燃料的供应不会成为问题。在德国和法国等有人提出用等离子加热 法，这是由于其核电资源充足，电能的供应过剩。这些在我们中国都是不可能的或者必 须慎重考虑的。日本的完全冷态喷吹技术不可能短期应用于实际的高炉，还有很多的技 术问题需要解决。 其次，由于考虑到c o z 脱除技术的不成熟和高成本，各种煤气中的c o 。未考虑脱除。 查j ! 查堂堡兰堂垡堡兰墨二2 邑j 生垒 图卜8 本研究推荐的高炉炉顶煤气循环再利用工艺 f i g i - 8 t h ep r o c e s so f b l a s t f u l m a c et o pg a si n j e c t i o np r o p o s e di nt h i ss t u d y 图1 - 9 焦炉煤气和转炉煤气的喷吹 f i g 1 - 9 t h ep r o c e s so f c o k eo v e n b o fg a si n j e c t i o np r o p o s e di nt h i ss t u d y 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 最后，冷还原气的喷吹量大致为总送风量的2 0 左右，是考虑到整个铁钢体系的煤 气平衡以及高炉的接受能力。数学模型的初步计算表明过多的还原气喷吹会导致c 、h 等元素的利用率下降，从而影响整个高炉的热效率和性能，达不到还原气喷吹的最佳效 果。 数学模拟计算过程中改变各种还原气的喷吹量和喷吹方式以及其他的商炉操作条 件，分析炉内出现的现象及高炉操作性能的变化。值得注意的是，在喷吹各种煤气的操 作下，本研究将适当改变鼓风参数( 包括鼓风量、富氧率等) ，以期维持稳定的回旋区 条件。最后，根据计算的结果定性分析炉内现象的变化，并精确预测相应的高炉生产操 作指标( 包括高炉生铁产量、还原剂消耗量、冶炼强度、热利用效率、气体利用效率、 c 0 2 排放量、热平衡等) 的变化，为高炉实际喷吹各种煤气提供技术参数和参考依据。 东北大学硕士学位论文 第二章多流体高炉数学模型 第二章多流体高炉数学模型 2 1 高炉冶炼过程的特点 如图2l 所示：在高炉冶炼过程中，存在两个物流：一方面由炉顶往炉内装入炉料， 从炉缸渣铁口排放渣铁；另一方面从风口鼓入热风、从炉顶排出煤气。整个过程决定于 风口前焦炭的燃烧。燃烧产生的高温煤气与下降的炉料之间进行一系列的传热抟质，以 及干燥、挥发、分解、铁氧化物还原、软熔、造渣、滴落、渗c 等物理化学变化。所以 可将高炉看作是炉料下降、煤气上升两个逆向运动的反应器，高炉内热交换和反应都发 生在炉料与煤气的相向运动中。 图2 - 1 高炉内的流动现象 r i g 2 - 1t r a n s p o r tp h e n o m e n ai nt h eb l a s tf u r n a c e 东北大学颁士学位论文 第二章多流体商炉数学模型 可知，高炉是一个巨大而复杂的向流反应器，其在化工领域被视为是最为复杂的化 学反应器之，主要原因是炉内有多种多相物质同时存在并且相互作用，多种复杂的物 理及化学反应同时发生。总体来说，高炉具有以下显著特点： i ) 能量利用率高，单座高炉的产量大； 2 ) 过程是连续的，有关的工序和设备很多； 3 ) 基建投资大； 4 ) 过程复杂，控制手段发生作用的拖延时间很长，许多现象难以准确地描述。 随着现代测试技术的发展和通过对实际运行高炉的炉体解剖，人们获得了大量的有 用数据，对高炉有了更深的理解，从而消除了“黑盒子”这一认识。但是，光凭这些人 们仍然很难详细掌握了炉内的现象，过程控制在很大程度上仍依赖于操作者自身的经 验。囡此开发并使用高炉数学模型将有助于更好地理解、控制和改进高炉操作过程， 尤其是在新技术的应用过程中，高炉数学模型的应用更是不可或缺的。 2 2 高炉数学模型的发展 根据对高炉内传输现象描述方法的不同，数学模型可分为平衡理论模型 ( e q u l li b r i u mm o d e l ) 、热化学模型( h e a ta n dm a s sb a l a n c em o d e l ) 以及反应动力 学( r e a c t i o n - k i n e t i cm o d e l ) 模型；按所考虑的空间坐标维数，可分为一维、二维和 三维模型；按考虑时间变量与否，可有静态模型和动态模型。” 高炉炼铁技术在过去几十年里获得了巨大的进步。为了提高产量，降低能耗和减少 环境负荷，一些新技术被广泛运用，高炉机能不断扩大。这体现在比如大量喷吹煤粉以 及有效利用含碳含铁废弃物等方面。随之而来，在这些操