高炉喷吹焦炉煤气风口回旋区的数学模拟
郭同来;柳政根;储满生
【摘 要】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%,回旋区体积缩小1.98%.%A raceway mathematical model of blast furnace with coke oven gas （COG） injection was established bad on the theory of mass and heat balances. The effects of COG injection volume on the coke mass flow rate, theoretical flame temperature, bosh gas volume, bosh gas compositions and raceway shape were investigated systemically. The results showed that the theoretical flame temperature tends t
o decreasing and bosh gas volume tends to increasing, when COG injection volume increasing with the benchmark operation of blast furnace unchanged. The theoretical flame temperature and bosh gas volume can be constant by decreasing blast volume and increasing oxygen enrichment when blast furnace operating with coke oven gas injection. After thermal compensation, with increasing COG injection volume, the coke mass flow rate and reducing gas volume in bosh gas tend to increasing, and the raceway cubic capacity tends to narrowing. With 1 m3/s increasing of COG injection, the coke mass flow rate increas by 1.74 % , the reducing gas volume in bosh gas increas by 2.04 % and the raceway cubic capacity decreas by 1.98 %
【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2012(033)007
【总页数】5页(P987-991)
生蚝怎么选【关键词】高炉;焦炉煤气喷吹;风口;回旋区;数学模拟
【作 者】郭同来;柳政根;储满生
【作者单位】东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110819;东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110819;东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110819
【正文语种】中 文
【中图分类】TF531
作为以碳冶金为本质的钢铁行业,高炉炼铁的CO2排放量约占整个钢铁生产CO2排放量的70%[1]。2010年高炉-转炉流程产钢量约占世界产钢量的70%,而在中国,高炉-转炉流程产钢量占中国产钢量的90.2%[2]。可以预见,高炉-转炉流程是当前和今后相当一段时期最主要的钢铁生产工艺[3]。因此,高炉炼铁是钢铁工业CO2减排的核心,高炉炼铁的CO2减排是炼铁行业发展的主要方向。国外许多国家天然气资源丰富,进行了大量高炉喷吹天然气的研究,结果表明高炉喷吹天然气可以降低CO2排放。我国天然气资源紧缺,但煤炭资源丰富,所以高炉喷吹焦炉煤气是我国钢铁工业节能降耗,降低CO2排放行之有效的手段[4]。
国内外虽对高炉喷吹焦炉煤气操作进行了一定的研究,但缺乏对高炉喷吹焦炉煤气后风口回
旋区系统的研究[5-6]。目前风口回旋区的研究大多数是关于高炉喷吹煤粉条件下的风口回旋区状况的研究。所谓风口回旋区是指在高炉炼铁过程中,从风口喷入的高速气体会在风口前端形成一个气体空腔,称之为风口回旋区[7]。由于风口回旋区的形状、大小等决定了高炉煤气的一次分布,风口回旋区对高炉的顺行和平稳操作都具有重要意义,所以风口回旋区一直是高炉炼铁研究的重点和热点之一[8]。本文结合某钢铁企业实际情况,根据风口回旋区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,利用该模型对高炉喷吹焦炉煤气后的风口回旋区的变化情况进行了系统的研究。通过研究,分析了理论燃烧温度、炉腹煤气量、炉腹煤气组成、风口回旋区形状等与焦炉煤气喷吹量之间的关系,为高炉喷吹焦炉煤气的进一步研究提供理论依据,同时为综合评价高炉喷吹焦炉煤气新工艺的可行性提供依据。
1 风口回旋区数学模型的建立
1.1 风口回旋区数学模型考虑的主要反应
本模型假设鼓风中的水蒸气与焦炭在回旋区发生水煤气反应,并且焦炉煤气与鼓风充分混合,焦炉煤气中的CH4在风口鼻子区分解为CO和H2。在以上假设基础上,风口回旋区数学模型
考虑的主要反应如下。
煤粉的反应:豆芽怎么做好吃
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焦炉煤气的反应:焦炉煤气中,主要考虑鼻子区CH4的燃烧分解反应[9],
水煤气的反应:
CO2的反应:
焦炭的反应:
因此,风口回旋区以至炉缸内煤气的最终成分以CO,H2和N2为主。
1.2 风口回旋区数学模型
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风口回旋区数学模型是以回旋区质量平衡和热量平衡理论为基础,通过改变焦炉煤气的喷吹量,研究风口回旋区各项指标的变化情况以及应对变化采取的措施,其具体计算流程如图1所示。其中,分别是无焦炉煤气喷吹时的回旋区温度和炉腹煤气量;T rwy,V bosh分别是喷吹焦炉煤气后的回旋区温度和炉腹煤气量。
图1 高炉风口回旋区数学模型流程图Fig.1 Flow chart of mathematic model for blast furnace raceway
回旋区宽度W r:
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回旋区高度H r:
回旋区的体积 V r:苹果进水
穿透因子PF:
式中:D t为风口直径,m;PF为穿透因子;ρ0为炉腹煤气密度,kg/m3;ρs为焦炭真密度,kg/m3;qV为鼻子区体积流量,m3/s;T r为理论燃烧温度,K;p b为鼓风压力,kPa;D p为风口焦粒度,mm;S t为风口总面积,m2。
1.3 模拟计算条件
以国内某钢厂实际运行的高炉为研究对象,该高炉有效炉容为2580m3,炉缸直径为11.5m,有效高度为29.4 m,风口直径为125 mm,风口数目为30个,鼓风温度为1150℃,鼓风压力为334 k
Pa,鼓风流量为 4 119 m3/min,富氧率为3.0%,鼓风湿度为2.3 g/m3。焦炭的固定碳质量分数为85.83%,真密度为 650 kg/m3,风口焦粒度为0.0155 m。焦炉煤气中氢体积分数为60.70%,低位发热值为17.65 MJ/m3,焦炉煤气的喷吹温度为25℃。其具体条件列于表1。喷吹煤粉为无烟煤,成分列于表2,其碳质量分数为81.54%,低位发热值为32.5 MJ/kg,初始喷吹量为9.0kg/s,喷吹温度为25℃。
表1 焦炉煤气化学成分(体积分数)Table 1 Chemical compositions of COG(volume fraction)%＊:在COG中,由于含有的烃类物质很少,因此将其折算到CH4里。H 2 N2 CO CO2 CH4 60.70 3.77 6.67 2.23 26.63＊
表2 煤粉化学成分(质量分数)Table 2 Chemical compositions of coal fine(mass fraction) %C H N O 灰分81.54 4.22 1.61 3.72 8.91
2 热补偿前喷吹焦炉煤气对风口回旋区的影响
根据所建立的风口回旋区数学模型,在保持鼓风条件、煤粉条件以及焦炭条件不变的情况下,计算焦炉煤气喷吹量分别为0,3.96,7.93,11.89 m3/s(以下简称为基准,COI3.96,COI7.93,COI
11.89)4种操作下风口回旋区的变化。基准操作时的鼓风和喷吹条件为鼓风富氧率3.0%、风温1 150℃、鼓风流量4 119 m3/min,吨铁煤粉喷吹量144 kg,风口回旋区温度2171.83℃,炉腹煤气量5 409.95 m3/min。
表3为热补偿前焦炉煤气喷吹量对高炉风口回旋区状况的影响。由表可知,热补偿前,随着焦炉煤气喷吹量的增加,回旋区气相组成中CO的浓度呈降低趋势,而H2的浓度呈上升趋势,总的还原气浓度呈明显上升的趋势。与基准状态相比,当焦炉煤气喷吹量为11.89 m3/s时,炉腹煤气中总的还原气体积提高了7.96%。同时高炉风口回旋区深、宽、高和体积均随着焦炉煤气喷吹量的增加而增大。随着焦炉煤气喷吹量的增加,风口回旋区理论燃烧温度逐渐下降,这是因为焦炉煤气是以冷状态(25℃)喷入炉内,单位喷吹气体(鼓风加上喷入的焦炉煤气)带入的显热明显降低;此外,焦炉煤气中的CH 4的裂解也消耗了大量的热量。炉腹煤气量随着焦炉煤气喷吹量的增加而上升,这是由于热风喷吹条件不变,焦炉煤气喷吹量增加,导致炉腹煤气量增加。每增加1 m3/s的焦炉煤气喷吹量,理论燃烧温度降低约33.42℃,炉腹煤气量增加77.32 m3/min。因此维持风口回旋区理论燃烧温度和炉腹煤气量与基准操作一致,保持良好的炉缸热状态和维持稳定的风口回旋区条件,需要采取措施给予热补偿。
