高炉炼铁新技术的数学模拟研究.pdf

第2 8 卷第6 期 2 0 0 7 年6 月 东北大学学报 自然科学版 J o u r n a lo fN o r t h e a s t e r nU n i v e r S i t y N a t u r a lS c i e n c e V 0 1 2 8 N o 6 J u n 20 07 高炉炼铁新技术的数学模拟研究 储满生1 郭宪臻2 沈峰满1 八木顺一郎3 1 东北大学材料与冶金学院 辽宁沈阳1 1 0 0 0 4 2 安阳钢铁集团公司炼铁厂 河南安阳4 5 5 0 0 4 3 东北大学多元物质科学研究所 日本仙台9 8 0 8 5 7 7 摘要 利用多流体数学模型对革新高炉炼铁技术进行了数学模拟 分析评价了革新操作对炉内现象及 高炉生产指标的影响 这些革新炼铁技术包括高炉喷吹含氢物质实现富氢还原 高炉使用热压含碳球团实现 低温炼铁 以及高炉炉顶煤气喷吹加强C 和H 的利用 多流体模型的模拟解析表明 高炉超高效率操作 高 产 低能耗和低 X 排放 可通过这些革新技术的实际应用来实现 关键词 炼铁 高炉 多流体模型 含氢介质喷吹 热压含碳球团 还原气喷吹 中图分类号 T F5 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 3 0 2 6 2 0 0 7 0 6 0 8 2 9 0 5 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fI n n o v a t i v eI r o n m a k i n gT e c h n o l o g i e s A p p l i e di nB l a s tF u r n a c eP r o c e s s C H UM a n s h e n 9 1 G U OX i a n z h e n 2 S H E NF e n g m a n1 Y A G IJ u n i c h i r 0 3 1 S c h o o lo fM a t e r i a l s M e t a l l u r g y N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y S h e n y a n g1 1 0 0 0 4 C h i n a 2 I m n m a k i n gP l a n t A n y a n gS t e e lG r o u pC o m p a n y A n y a n g4 5 5 0 0 4 C h i n a 3 I n s t i t u t eo fM u l t i d i s c i p l i n a r yR e s e a r c hf o rA d v a n c e d M a t e r i a l s T o h o k uU n i v e r s i t y S e n d a i9 8 0 8 5 7 7 J a p a n C o r r e s p o n d e n t C H UM a n s h e n g E m a i l c h u m a n s h e n g 1 6 3 C O I T I A b s t r a c t Am u l t i f l u i db l a s tf u r n a c em o d e lw a su s e df o rt h en u m e r i e a ls i m u l a t i o no fs o m e i n n o v a t i v ei r o n m a k i n gt e c h n o l o g i e st oe v a l u a t eh o wt h er e l e v a n to p e r a t i o n sa f f e c tb l a s tf u r n a c e p r o c e s sa n dp r o d u c t i o ni n d i c e s T h o s en e wi m n m a k i n gt e c h n o l o g i e si n c l u d e di n j e c t i n gh y d r o g e n b e a r i n gm a t e r i a l sf o rh y d r o g e n e n r i c h e dr e d u c t i o n c h a r g i n gC C Bf o rl o w t e m p e r a t u r ei r o n m a k i n g a n dr e c y c l i n gt o pg a st oe n h a n c et h eu t i l i z a t i o no fc a r b o na n dh y d m g e n T h es i m u l a t i o nr e s u l t so f t h em o d e lr e v e a l e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no ft h o s en e wt e c h n o l o g i e sw i l lb r i n gt h eb l a s tf u r n a c e p r o c e s st os u p e r h i g h e f f i c i e n c yo p e r a t i o n i e h i g hp 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 d l o w e rc 0 2e m i s s i o n K e yw o r d s i r o r m m k i n g 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 h y d r o g e n b e a r i n gm a t e r i a l si n j e c t i o n C C Bc a r b o nc o m p o s i t ei r o no r eh o tb r i q u e t t e r e d u c i n gg a si n j e c t i o n 高炉是铁水的主要生产单元 在整个钢铁生 产流程中 高炉工序能耗最高 c c h 产生带来的环 境负荷最大 1 因此 高炉效率的提高对钢铁产 业乃至整个社会都具有重要意义 为了实现钢铁 产业的节能降耗和生态化 必须在强化高炉生产 的同时 进一步降低高炉能耗 有效减轻环境负 荷 在此背景下 一些高炉炼铁新技术被提出 包 括 高炉喷吹含氢物质 实现富氢还原 高炉 使用热压含碳球团炉料 实现低温炼铁 高炉炉 顶煤气喷吹 加强C 和H 的利用等 这些革新技 术旨在高炉常规操作的基础上实现高炉的超高效 率操作 通过高炉的高产 低耗和低污染来实现整 个钢铁生产体系的高效和低环境负荷怛J 本研究运用多流体高炉数学模型 3 7 J 对革 新高炉炼铁技术操作进行模拟解析 分析其对高 炉生产和效率的影响程度 预测炉内可能出现的 问题 并提出相应的应对措施和改进对策 从而促 收稿日期 2 0 0 6 0 1 0 9 基金项目 国家博士后基金资助项目 2 5 9 0 0 1 作者简介 储满生 1 9 7 3 男 安徽岳西人 东北大学和安钢集团公司联合培养博士后研究人员 东北大学副教授 沈峰满 1 9 5 8 一 男 黑龙江密山人 东北大学教授 博士生导师 八木顺一郎 1 9 4 1 一 男 爱嫒松山人 日本东北大学教授 万方数据 8 3 0东北大学学报 自然科学版 第2 8 卷 进这些革新技术的实际应用 1 高炉喷吹含氢介质 高炉喷吹含氢介质 水蒸气 天然气 废塑料 等 主要基于以下考虑 首先 无论从热力学还是 从动力学条件上 H 2 作铁氧化物的还原剂比C O 更具优势 其次 氢还原的气态产物是水蒸气而不 是c 0 2 故喷吹含氢介质有利于高炉减少c 0 2 产 生 因此 高炉喷吹含氢介质实现富氢还原已成为 当今研究的热点 2 8 1 应用多流体数学模型模拟了高炉喷吹含氢物 质操作 包括加湿鼓风 鼓风湿度增加到8 0g m 3 天然气喷吹 喷吹量为1 4 0k g t 废塑料喷 吹 喷吹量4 0k g t 为了更直观地比较高炉性能 的变化 本研究还模拟了同一高炉的全焦操作 鼓 风湿度1 7g m 3 并作为其他三种操作的参照对 象 在进行数学模拟时 适当改变鼓风条件而维持 回旋区供给的热量 主要是回旋区温度和炉腹煤 气量 和渣面处铁水温度基本一致 以保证统一的 评价标准 模拟的结果表明 随着喷吹含氢物质 炉内的 氢浓度增加 铁氧化物的氢还原在整个间接还原 中所占的比例明显增加 特别是F e 3 0 4 和F e O 的 还原过程更加明显 详见表1 表1 氢还原在整个间接还原中所占的比率 T a b l e1 P e r c e n t a g eo fh y d r o g e nr c 耐a c t i o n i nt h ee n t i r ei n d i r e c tr e c 址t i o n s 根据模型预测结果 高炉的操作指标总体上 随喷吹含氢介质而改善 为维持回旋区温度条件 一致 喷吹含氢介质时鼓风条件须适当调整 其中 鼓风富氧率增加 再加上后两种操作矿焦比随着 喷吹而加大 故高炉的产量明显提高 对应于加湿 鼓风到8 0g m 3 喷吹天然气1 4 0k g t 喷吹废塑 料4 0k g t 高炉生铁产量分别增加1 4 3 3 9 1 和7 7 其次 喷吹含氢物质后炉内氢氛 围和铁氧化物的氢还原加强 间接还原加速 从而 减少了直接还原 喷吹1 4 0k g t 天然气时预测的 直接还原度为0 另外 在天然气喷吹和塑料喷吹 时焦比分别降低1 8 1k g t 和7 0k g t 而加湿鼓风 操作时由于水蒸气没有燃烧热 焦炭消耗比全焦 操作时呈若干增加的趋势 但是 对应于三种革新 操作 模型预测高炉吨铁能耗明显降低 幅度分别 为1 2 9 2 6 6 和8 6 这主要是由于喷吹含 氢介质操作条件下炉内直接还原反应 焦炭气化 溶损反应和S i 迁移反应等所消耗的热量减少 2 高炉使用热压含碳球团 从工艺流程优化 节能 资源综合利用和环保 的角度出发 铁矿含碳球团作为新型炼铁原料 一 直是关注的焦点和热点 传统的冷固结含碳球团由 于强度低以及使用黏结剂等问题 从而限制了其使 用于高炉 热压含碳球团恻9 简写为C C B 是普通 煤粉和铁矿粉经热压处理后的产品 与其他含碳 球团和氧化球团相比 热压含碳球团充分利用煤 的热塑性 不使用任何黏结剂 且具有更好的还原 性 熔滴性能 高还原后强度和低成本等优点 适当改进多流体模型后模拟了高炉使用热压 含碳球团的四种操作 所用热压含碳球团由7 5 V e 2 0 3 2 0 C 和5 脉石组成 热压含碳球团代 替一部分烧结矿从炉顶装入炉内 其中含铁炉料 烧结矿和热压含碳球团 中 热压含碳球团的质 量分数逐步变化为0 1 0 2 0 以及3 0 分别 标记为B a s e 1 0 C C B 2 0 C C B 和3 0 C C B B a s e 为某高炉的现行常规操作 未使用热压含碳 球团 B a s e 被设定为评价其他操作的基准操作 如图1 所示 高炉使用热压含碳球团后炉内 温度降低 与常规操作相比 热压含碳球团使用量 达3 0 时高炉热空区温度降低了约2 0 01 2 该值 已经被相关实验证实引9 炉身部温度下降的原 因主要是 在所研究的各种操作中 从回旋区可获 得的总热量保持一致 然而随热压含碳球团比例 的增加 矿焦比增大 更多的炉料装入量将增加炉 身的热需求 以用于炉料的预热和还原 另外 在 炉身部位热压含碳球团的还原是强吸热反应 热 p 越 赠 蛙 匦 长 冬 距渣面高度 m 图1使用热压含碳球团对炉内温度分布的影响 F i g 1 E f f e c to fC O Bc h a r g i n ga ns o l i dt e r n p e r a t u r e i nt h ef u r n a c e 万方数据 第6 期储满生等 高炉炼铁新技术的数学模拟研究 8 3 1 压含碳球团的加入需要更多的热量消耗 以上两 个因素最终导致炉上部温度降低 模型计算给出了使用热压含碳球团对高炉铁 水产量 渣比和还原剂消耗的影响 随含铁炉料中 热压含碳球团的增加 高炉产量明显提高而渣比 趋于降低 热压含碳球团量由0 增加到3 0 铁 水产量提高了6 7 预测的渣量降低了7 7 还原剂消耗量的变化为 由热压含碳球团带入炉 内的C 随热压含碳球团的使用量成比例地增加 焦比明显地降低 最终 总的还原剂消耗量仍呈下 降趋势 在3 0 C C B 操作下 焦比降低2 8 4 而 总还原消耗量降低4 4 这清晰地表明 在一定 范围内高炉使用热压含碳球团后 有效提高热利 用效率 降低高炉的能耗 主要原因可通过炉内热 平衡分析得到解释 随热压含碳球团使用量的增 大 含碳球团还原的强吸热将增加炉内的热需求 但另一方面 随着炉内温度降低 炉体的热损失和 炉顶煤气 2 0 8 0 炉顶煤气带走的热量减少 用于焦炭气化溶损 烧 结矿还原和S i 迁移等诸多反应的热量消耗也明 显减少 这些减少的热消耗补偿甚至超过了增加 的热需求 最终贡献了更高的热利用效率 3 炉顶煤气循环利用 炉顶煤气循环利用工艺主要是将高炉炉顶煤 气合适处理后 将其中的还原成分 C O 和H 2 喷 吹入风口伊身适当位置 从而重新回到炉内参与 铁氧化物的还原 加强C 和H 元素的利用 该工 艺被认为是改善高炉性能 降低能耗以及减少 c 0 2 产生和排放量的有效措施之一 本文中研究 的炉顶煤气喷吹工艺是J F E 法 1 0J 主要流程示于 图2 高炉风口 J 炉身喷吹炉顶煤气的同时 全氧 鼓风 塑料喷吹和使用热压含碳球团也被考虑 用 于喷吹的炉顶煤气中的c 0 2 被脱除和固定 2 0 8 0 图2 高炉喷吹炉顶煤气操作的数学模拟条件 F i g 2 S i m u l a t i o nc o n d i t i o n so ft h eb l a s tf u r n a c eo p e r a t i o nw i t ht o pg a sr e c y l i n g a 一基准 B a s e b 一风口喷吹 T I c 一风口和炉身同时喷吹 S I T I 针对某实际运行的高炉 炉缸直径1 4 0m 高3 2 4m 有效容积42 8 8m 3 利用多流体模型 预测了J F E 法炉顶煤气喷吹工艺的效果 共模拟 了三种操作 主要模拟条件见图3 第一种为现行 基准常规操作B a s e 未使用热压含碳球团 也未 实施炉顶煤气喷吹 第二种操作是风口喷吹炉顶 煤气 标记为T I 在该操作下 使用热压含碳球 团 一部分炉顶煤气脱除c 0 2 后常温 2 5 下喷 吹入风口 同时热风被取消 取而代之为常温工艺 氧 另外 同时进行塑料喷吹 最后一种操作是在 炉身和风口同时喷吹脱除C 0 2 后的炉顶煤气 标 记为S I T I 风口仍喷吹常温还原气 工艺氧以及 废塑料 但对于炉身喷吹 把脱除c o z 后的炉顶 煤气预热到9 0 0 从炉身 距渣面高度1 2m 喷 人炉内 图3 给出了在基准操作 B a s e T I 和S I T I 操作时的炉内温度分布 与B a s e 相比 由于炉内 更大的热流比以及热压含碳球团还原强烈吸热 T I 条件下炉内温度从上部到中部大幅降低 软熔 带位置较低接近死料柱上方 在炉下部区域温度 梯度急剧加大 对于S I T I 操作 炉身喷吹热还原 气使得炉上部的低温现象有所改善 但总体的温 度分布与S I 操作近似 整个炉内呈低温化 T I 和S I T I 操作时 由于还原气循环利用 喷吹塑料以及无氮全氧鼓风 炉内还原氛围得到 极大增强 整个炉内H 2 和C O 浓度显著增加 根 据模拟结果 在基准常规操作时 炉内H 2 体积分 数处于4 9 C O 体积分数为2 0 4 5 在 万方数据 8 3 2 东北大学学报 自然科学版 第2 8 卷 T I 操作时 该值分别增加为1 8 2 2 和4 0 7 5 进而在S I T I 操作时 该趋势更加明显 图3 F i g 3 a b c 模型预测的炉内温度分布 图中单位 P r e d i c t e dd i s t r i b u t i o n so fs o l i dt e m p e r a t u r e i nt h ef u r n a c e a B a s e 装料量 1 7 6k g s b 一T I 装料量 2 0 1k g s c 一S I T I 装料量 2 1 5k g s 图4 给出了炉顶煤气喷吹对烧结矿还原过程 的影响 在T I 操作时 整个炉内趋于低温化 但 H 和C O 浓度增加 显著强化了炉内的还原氛 围 使烧结矿的间接还原加速 甚至在达到8 0 0 等温区之前已基本完成 最后 在S I T I 操作时 还原氛围的强化和炉身温度条件的改善使得烧结 矿还原速度进一步提高 在评价的四种操作中最 快 这时 从炉身中部直到炉下部的区域仅仅是固 相或液相的物理加热升温区间 如果适当采取某 些措施 如增加炉身热还原气喷吹量 改变喷吹位 置和装料制度等 完全可将炉身高度缩短 形成 紧凑型高炉 a b c 图4 炉顶煤气喷吹对烧结矿还原过程的影响 F i g 4 E f f e c to ft o pg a sr e c y c l i n g0 1 1t h er e d u c t i o n o fs i n t e r a 一B a s e b 一T I c 一S I T I 喷吹还原气后 高炉操作性能的变化主要有 1 与基准操作相比 模型预测T I 和S I T I 操作时产量将分别增加5 5 和1 4 0 增加幅 度的不同是由于不同的鼓风氧量和改变的矿焦比 而引起的 2 还原剂消耗量显示了不同的变化趋势 在T I 和S I T I 条件下 废塑料的喷吹量与基准操 作的喷煤量相比大幅度降低 故为了保持回旋区 热状态一致 焦炭消耗必须增加 因而焦比分别增 加了2 8 5 和1 8 9 但是在实际生产中可以降 低回旋区温度 增加塑料喷吹量或者塑料和煤粉 同时喷吹 焦比降到比基准操作更低的水平是可 行的 另外 由于喷吹条件不同 固体还原剂总消 耗量表现出不同的变化趋势 T I 操作增加了 3 8 而S I T I 操作降低了2 9 3 由于塑料和还原气喷吹加强了炉内的氢 还原 且部分0 0 2 被脱除固定 预测的C 0 2 产生 量在T I 和S I T I 操作分别减少了2 0 2 和 4 2 6 4 由于采用了一系列革新操作 高炉吨铁 能耗呈下降趋势 在T I 和S I T I 操作时 高炉吨 铁能耗分别降低了1 4 3 和1 2 6 如果考虑其 余未循环利用的炉顶煤气的高H 2 含量和高发热 值 实际吨铁能耗降低幅度更明显 4 讨论 多流体数学模型的模拟解析表明通过应用革 新技术可获得高炉的超高效率操作 同时或分别 采用喷吹含氢物质 使用热压含碳球团和炉顶煤 气循环利用等技术时 高炉的产量明显提高 能量 消耗显著减少 环境负荷降低 结合模拟结果可对超高效率高炉的概貌做如 下展望 高炉将紧凑化 炉身高度可适当缩短 图4 中S I T I 操作证实了这一点 高炉对原 燃料的适应性增强 劣质的原料可以通过热压块 制成热压含碳球团加以高效利用 而且由于高炉 的低温化和紧凑化 高炉操作对焦炭质量 如强度 和反应性等的要求将降低 现行高炉系统将得 到优化和简化 可适当减少热风炉和焦炉等附属 设施 在J F E 法炉顶煤气喷吹时甚至不需要热风 炉 风口喷吹物呈多样化 喷吹物可由炉顶煤 气 废塑料 煤粉和其他还原气体组成 5 结论 利用多流体模型对革新高炉炼铁技术进行了 详细的数学模拟研究 解析结果表明 革新技术的 应用将会促进高炉生产的高效 低耗和环保 1 高炉喷吹天然气和废塑料等含氢物质 后 氢还原明显加强 从而改善了高炉操作性能 对应于喷吹天然气1 4 0k g t 喷吹废塑料4 0 妇 t 笱 加 俗 m s o m 越恒喧瑚必 万方数据 第6 期储满生等 高炉炼铁新技术的数学模拟研究8 3 3 高炉的产量分别增加3 9 1 和7 7 焦比分别 降低1 8 1k g t 和5 5 妇 t 2 高炉使用热压含碳球团后 炉身温度水 平明显下降 使用3 0 热压含碳球团时热空区温 度降低约2 0 0 预测的高炉铁水产量将提高 6 7 渣比减少7 7 焦比降低1 0 6k g t 高炉 热效率将提高6 4 3 当炉顶煤气循环利用 塑料喷吹 全氧鼓 风和热压含碳球团等技术同时采用时 高炉炉内 呈低温化 但强化的还原氛围使炉内间接还原高 速进行 高炉c 0 2 产生量大幅减少 且吨铁能耗 明显降低 参考文献 1 2 3 4 M i n i s t r y0 lI n t e r o a t i o n a lT r a d ea n dI n d u s t r y Y e a r h o o ko f i r o na n ds t e e ls t a t i s t i c s2 0 0 2 M T o k y o M I T I 2 0 0 3 C h uMS S t u d yo ns u p e rh i g he f f i c i e n c yo p e r a t i o n so fb l a s t f u r n a c eb a s e do nm u l t i f l u i dm o d e l D S e n d a i T o h o k u U n i v e r s i t y 2 0 0 4 Y a g iJ M a t h e m a t i c a lm o d e l i n go ft h ef l o wo ff o u rf l u i d si na p a c k e db e d J 俗UI n t e r n a t i o n a l 1 9 9 3 3 3 6 6 1 9 6 3 9 A u s t i nPR N n g a m iH Y a g iJ Am a t h e m a t i c a lm o d e lf o r b l a s tf u r n a c er e a c t i o na n a l y s i sb a s e do nt h ef o u rf l u i dm o d e l J 俗工 I n t e r n a t i o n a l 1 9 9 7 3 7 8 7 4 8 7 5 5 5 C a s t r oJA N o g a m iH Y a g iJ T r a n s i e n tm a t h e m a t i c a l m o d e lo fb l a s tf u r n a c eb a s eo nm u l t i f l u i dc o n c e p t w i t h a p p l i c a t i o nt oh 讪P C Io p e r a t i o n J 1 S JI n t e r n a t i o n a l 2 0 0 0 4 0 7 6 3 7 6 4 6 6jS u n g g i n gP N n g a m iH iJ N u m e r i c a la n a l y s i so fs t a t i c h o l d u po ff i n ep a r t i c l e si nb l a s tf u r n a c e J 域 I n t e r n a t i o n a l 2 0 I D 4 4 4 2 3 0 4 3 0 9 7 储满生 郭宪臻 沈峰满 等 基于多流体理论的高炉数学 模型及其求解 J 东北大学学报 自然科学版 2 0 0 7 2 8 3 3 6 1 3 6 4 C h uM a n s h e n g G u oX i a n z h e n S h e nF e n g m a n 以a 1 M u l t i f l u i db l a s tf u r n a c em a t h e m a t i c a lm o d e la n di t ss o l u t i o n J 1 J o u r n a lo f N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y N a t u r a lS c i e n c e 2 0 0 7 2 8 3 3 6 1 3 6 4 8 C h uMS N n g a m iH Y a g iJ N u m e r i c a la n a l y s i sO i li n j e c t i o n o fh y d r o g e nb e a r i n gm a t e r i a l si n t ob l a s tf u r n a c e J J s U I n t e r n a t i o n a l 2 0 0 4 4 4 3 8 0 1 8 0 8 9 K a s a iA M a t s u iY M i y a g a w aK D e v e l o p m e n to fc a r b o n c o m p o s i t ei r o no r eh o tb r i q u e t t ea n db a s i ci n v e s t i g a t i o no ni t s s t r e n g t he n h a n c i n gm e c h a n i s ma n dr e d u c i b i l i t y C l S c i e n c e a n dT e c h n o l o g yo f I n n o v a t i v eI r o n m a k i n gf o rA i m i n ga t E n e r g yH a l fC o n s u m p t i o n T o k y o M E X T 2 0 0 3 1 1 9 1 2 6 1 0 M u r a iR S a t oM A r i y a m aT C o m b u s t i o nb e h a v i o ro fs o l i d f u e li ni n n o v a t i v eb l a s tf u r n a c ew i t he x t r ah i g he f f i c i e n c ya n d i t so o u t l i n e C S c i e n c ea n dk h n o l n g yo fI n n o v a t i v e I r o n m a k i n gf o rA i m i n ga tE n e r g yH 甜fC o n s u m p t i o n T o k y o 正 X T 2 0 0 3 2 0 5 2 0 8 万方数据 高炉炼铁新技术的数学模拟研究高炉炼铁新技术的数学模拟研究 作者 储满生 郭宪臻 沈峰满 八木顺一郎 CHU Man sheng GUO Xian zhen SHEN Feng man YAGI Jun ichiro 作者单位 储满生 沈峰满 CHU Man sheng SHEN Feng man 东北大学 材料与冶金学院 辽宁 沈阳 110004 郭宪臻 GUO Xian zhen 安阳钢铁集团公司 炼铁厂 河南 安阳 455004 八木 顺一郎 YAGI Jun ichiro 东北大学 多元