D0I:10.13374/i.issn100103x.2011.0B.017 第33卷第3期 北京科技大学学报 Vo133N93 2011年3月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Mar 2011 氧气高炉多区域约束性数学模型 郭培民区 高建军赵沛 钢铁研究总院先进钢铁流程及材料国家重点实验室。北京100⑧1 区通信作者.Emai&om@以org cn 摘要将氧气高炉分为高温区，固体炉料区和煤气加热区三个区域并分析了各区域的物理约束和化学约束条件.在物料 平衡和能量平衡的基础上，建立了氧气高炉多区域约束性数学模型.理论分析和计算结果表明：多区域约束性数学模型可以 弥补全炉热平衡的不足，反映热量在不同区域的利用价值：固体炉料区受间接还原反应和热平衡的约束，随着金属化率的升 高。需要循环煤气量逐渐增大：当金属化率很高时在高温区和固体炉料区满足热平衡条件下，虽然计算得到的燃料比很低 但煤气加热区煤气量不能实现平衡. 关键词炼铁：高炉：热平衡：约束理论：数学模型 分类号TF512 Mu lti zone constrained m a them aticalmodel of oxygen blast furnaces GU Peimi GAO Jian jm ZHAO Pei Stte Key Labom ory fr Advanced In and Steel Processes and Products Central Iron and SeelResearch hstite Beijing 100081 China Comespanding author Email giomm@pky org cn ABSTRACT An oxygen b ast fumace was d ivided inp the hree zones of hot zone solid chargng zone and gas heating aone Physi cal constraints and chem ical constrants of each zoe were analyzed in detail Based onm aterial balances and energy balances am ulti zone constraned mathematicalmoelwas established for oxygen bast fmaces Theoretical ana lysis and calculaton resu lts show that the multi zone constrained matematicalmodel canmake up or deficiencies n thewhole fumace heat ba lance and eflect the heat vale in use ofd ifferent zones The sold chaging zone is constrained by ndirect reduction and heat balances W ih the ncrease ofmetalliza ton rate he need of cyce gas is increased in the solid chargng zone When the metallization rate is very hgb he hot zone and solid charging zone meet the themal equilibrim conditions alhough the calculated fel ratp is pw he gas volme n the gas heating zone can not ach ieve balance KEY WORDS jonmakng bast fumaces heat balance constrant theory mathematicalmodels 炼铁是一个高能耗工序，约占整个钢铁生产能 自从1972年Wnze等首次提出氧气高炉概念 耗的70%，所以降低炼铁工序能耗和减少C排 以来，Fk1和P0o等对氧气高炉进行了理论分 放是钢铁企业刻不容缓的责任.从风口喷吹煤粉、 析和实验研究，提出许多不同的工艺流程.秦民生 木炭、天然气或石油等富氢燃料可以大量降低焦炭 等于1985年提出了FOBF氧气高炉流程，通过理论 消耗有效减少CO排放2-.美国和欧洲部分国家 分析与计算，认为氧气高炉可以实现焦比160k婚 (如俄罗斯)天然气资源丰富，这些国家进行了高炉 t,煤比352kgT,燃料比512kg”.Yaaoka 风口喷吹天然气的实验，已经实现了工业化生产，吨 等的氧气高炉实验结果为焦比258k怒，煤比 铁喷吹天然气量为30-120m1.由于我国的能源 407k8,利用系数为7.35td。m;而数学模 结构是以煤为主，所以使用煤粉代替焦炭实现节能 型计算认为氧气高炉可以实现焦比180k8,煤比 减排更具有现实的意义，氧气高炉可以大量喷吹煤 375kgT,利用系数33td1.r.以往的氧气 粉，循环利用炉顶煤气，具有节能减排的巨大潜力. 高炉数学模型延用了传统高炉全炉热平衡的计算 收稿日期：2010-05-25 基金项目：“十一五"国家科技支撑课题资助项目(NQ2D09BAB45B5)
第 33卷 第 3期 2011年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.33 No.3 Mar.2011 氧气高炉多区域约束性数学模型 郭培民 高建军 赵 沛 钢铁研究总院先进钢铁流程及材料国家重点实验室, 北京 100081 通信作者, E-mail:guopm@pku.org.cn 摘 要 将氧气高炉分为高温区、固体炉料区和煤气加热区三个区域, 并分析了各区域的物理约束和化学约束条件.在物料 平衡和能量平衡的基础上, 建立了氧气高炉多区域约束性数学模型.理论分析和计算结果表明:多区域约束性数学模型可以 弥补全炉热平衡的不足, 反映热量在不同区域的利用价值;固体炉料区受间接还原反应和热平衡的约束, 随着金属化率的升 高, 需要循环煤气量逐渐增大;当金属化率很高时, 在高温区和固体炉料区满足热平衡条件下, 虽然计算得到的燃料比很低, 但煤气加热区煤气量不能实现平衡. 关键词 炼铁;高炉;热平衡 ;约束理论;数学模型 分类号 TF512 Multi-zoneconstrainedmathematicalmodelofoxygenblastfurnaces GUOPei-min , GAOJian-jun, ZHAOPei StateKeyLaboratoryforAdvancedIronandSteelProcessesandProducts, CentralIronandSteelResearchInstitute, Beijing100081, China Correspondingauthor, E-mail:guopm@pku.org.cn ABSTRACT Anoxygenblastfurnacewasdividedintothethreezonesofhotzone, solidchargingzoneandgasheatingzone.Physicalconstraintsandchemicalconstraintsofeachzonewereanalyzedindetail.Basedonmaterialbalancesandenergybalances, amultizoneconstrainedmathematicalmodelwasestablishedforoxygenblastfurnaces.Theoreticalanalysisandcalculationresultsshowthat themulti-zoneconstrainedmathematicalmodelcanmakeupfordeficienciesinthewholefurnaceheatbalanceandreflecttheheatvalue inuseofdifferentzones.Thesolidchargingzoneisconstrainedbyindirectreductionandheatbalances.Withtheincreaseofmetallizationrate, theneedofcyclegasisincreasedinthesolidchargingzone.Whenthemetallizationrateisveryhigh, thehotzoneandsolid chargingzonemeetthethermalequilibriumconditions;althoughthecalculatedfuelratioislow, thegasvolumeinthegasheatingzone cannotachievebalance. KEYWORDS ironmaking;blastfurnaces;heatbalance;constrainttheory;mathematicalmodels 收稿日期:2010--05--25 基金项目:“十一五”国家科技支撑课题资助项目(No.2009BAB45B05) 炼铁是一个高能耗工序 ,约占整个钢铁生产能 耗的 70% [ 1] ,所以降低炼铁工序能耗和减少 CO2排 放是钢铁企业刻不容缓的责任.从风口喷吹煤粉 、 木炭、天然气或石油等富氢燃料可以大量降低焦炭 消耗, 有效减少 CO2排放 [ 2--3] .美国和欧洲部分国家 (如俄罗斯)天然气资源丰富 ,这些国家进行了高炉 风口喷吹天然气的实验,已经实现了工业化生产,吨 铁喷吹天然气量为 30 ～ 120 m 3 [ 4] .由于我国的能源 结构是以煤为主 ,所以使用煤粉代替焦炭实现节能 减排更具有现实的意义.氧气高炉可以大量喷吹煤 粉 ,循环利用炉顶煤气 ,具有节能减排的巨大潜力. 自从 1972年 Wenzel等首次提出氧气高炉概念 以来 , Fink [ 5]和 Poos [ 6] 等对氧气高炉进行了理论分 析和实验研究 , 提出许多不同的工艺流程 .秦民生 等于 1985年提出了 FOBF氧气高炉流程, 通过理论 分析与计算, 认为氧气高炉可以实现焦比 160 kg· t -1 ,煤比 352 kg·t -1 ,燃料比 512 kg·t -1 [ 7] .Yamaoka 等的氧气高炉实验结果为焦比 258 kg·t -1 , 煤比 407 kg·t -1 , 利用系数为 7.35 t·d -1 ·m -3;而数学模 型计算认为氧气高炉可以实现焦比 180 kg·t -1 ,煤比 375 kg·t -1 ,利用系数 3.3t·d -1 ·m -3[ 8] .以往的氧气 高炉数学模型延用了传统高炉全炉热平衡的计算 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2011.03.017
第3期 郭培民等：氧气高炉多区域约束性数学模型 335 方法，没有考虑氧气高炉不同区域的热量消耗和 1000的等温线作为高温区与固体炉料区的分界 各区域的物理化学约束条件，所以计算得到的结 线1000C以上为高温区，1000℃以下为固体炉料 果往往不能满足区域热平衡.事实上，同样的热量 区.固体炉料区只进行炉料的加热和铁矿石的间 在不同的温度区域有着不同的价值，尽管全炉热 接还原，其余反应在高温区进行.煤气加热区主要 平衡满足，但由于各区域受物理化学约束条件的 是对循环煤气进行加热.各区域受物理约束和化学 限制，区域热平衡不一定满足，所以迫切需要一个 约束条件的限制.物理约束限制了各区域热量损失 能够反映氧气高炉不同区域物理化学约束条件的 和物质的输入与输出温度，决定了各区域物理热的 数学模型.本文提出了建立氧气高炉多区域约束 大小.化学约束包括热力学约束和动力学约束，热 性数学模型，将氧气高炉分为多个区域，分析了各 力学约束决定了化学反应的平衡条件，是反应有可 区域受到的物理化学约束条件，通过计算说明了 能达到的极限：动力学约束决定了反应的速率大小， 分区域和物理化学约束条件对建立氧气高炉数学 这与原燃料成分以及炉况工作状态有关，决定了矿 模型的重要性 石的预还原率和渣铁成分.将各区域的热收入项组 成一个数集各区域的热输出项组成一个数集M 1氧气高炉多区域约束性数学模型的建立 ={N,M={M,123 1.1氧气高炉流程设计 式中，N为第个区域的热收入，M为第个区域的 设计的氧气高炉流程如图1所示.在炉缸和炉 热支出. 身各设一排风口，用全氧代替热风。与煤粉一起从炉 满足生产实际的热平衡条件为=M由于建 缸风口鼓入.由于全氧鼓风炉缸煤气量少，为了弥 立的是静态数学模型，所以动力学约束暂且没有考 补炉身热量不足和加大炉料的预还原率，对炉顶煤 虑.各区域具体的约束条件见计算流程图2 气进行了循环利用.炉顶煤气除尘后，一部分煤气 13数学模型的建立 通过风机加压，脱除C后加热到1000℃左右，从 数学模型是以生产1铁水消耗的原燃料为计 炉身风口吹入，进行循环利用：一部分煤气作为燃料 算单位，在假定矿石的金属化率和氢气利用率 加热循环煤气：剩余部分向外输出.这样不仅可以 (H,=0.88°1co十0.1，H和1分别为H和CO的 节约焦炭资源，而且提高了燃料的一次利用率. 利用率)的前提下，根据物料平衡和能量平衡，确 定各物料的消耗量和热量的收入与支出.计算所用 原燃料成分如表1和表2预设铁水成分如表3 所示. 在给定的原燃料成分条件下，以物料平衡和能 量平衡为基础，根据氧气高炉数学模型计算流程图， 分别建立高温区、固体炉料区和煤气加热区的能量 平衡.计算步骤主要是根据生铁成分和炉渣碱度平 衡确立矿石消耗量，根据各区域的能量平衡确定燃 料消耗量，然后建立各区域物料与能量平衡.在各 一氧气高炉本体：2一上料系统3一喷煤系统：4氧气系统：一 区域物料与能量平衡计算过程中，必须满足物理约 除尘系统：6一换热系统：7一加压系统：&C0吸附系统：9一加热 束和化学约束条件，只有当各区域都满足物料与热 系统 量平衡时，计算结果才真实可信. 图1氧气高炉流程图 Fg 1 Flw chart of an oxygen blast fumace 2计算结果与讨论 1.2多区域约束性条件分析 21分区域对数学模型的影响 根据物料在炉内不同区域的物理化学反应，将 为了比较氧气高炉多区域约束性数学模型与传 氧气高炉分为高温区、固体炉料区和煤气加热区三 统全炉热平衡氧气高炉数学模型计算结果的差别， 个区域.理论上，分得区域越多，计算结果越精确； 假定循环煤气量为1000，煤气加热温度为 但分得区域过多，导致区域边界条件难以确定，计算 900℃炉顶煤气温度为250℃炉缸热损失为 无法进行.根据碳素溶解反应(C)+C=20和 05GJ炉身热损失为0.2G,分别得到金属化率为 水煤气反应(HO十C=CO+H)的特征，将 65%和90%时的计算结果如图3和图4所示
第 3期 郭培民等:氧气高炉多区域约束性数学模型 方法 ,没有考虑氧气高炉不同区域的热量消耗和 各区域的物理化学约束条件 , 所以计算得到的结 果往往不能满足区域热平衡 .事实上 ,同样的热量 在不同的温度区域有着不同的价值 , 尽管全炉热 平衡满足, 但由于各区域受物理化学约束条件的 限制 ,区域热平衡不一定满足, 所以迫切需要一个 能够反映氧气高炉不同区域物理化学约束条件的 数学模型.本文提出了建立氧气高炉多区域约束 性数学模型 , 将氧气高炉分为多个区域 , 分析了各 区域受到的物理化学约束条件, 通过计算说明了 分区域和物理化学约束条件对建立氧气高炉数学 模型的重要性 . 1 氧气高炉多区域约束性数学模型的建立 1.1 氧气高炉流程设计 设计的氧气高炉流程如图 1所示 .在炉缸和炉 身各设一排风口 ,用全氧代替热风,与煤粉一起从炉 缸风口鼓入 .由于全氧鼓风炉缸煤气量少 ,为了弥 补炉身热量不足和加大炉料的预还原率, 对炉顶煤 气进行了循环利用.炉顶煤气除尘后 , 一部分煤气 通过风机加压 ,脱除 CO2后加热到 1 000 ℃左右 ,从 炉身风口吹入,进行循环利用;一部分煤气作为燃料 加热循环煤气;剩余部分向外输出.这样不仅可以 节约焦炭资源,而且提高了燃料的一次利用率 . 1—氧气高炉本体;2—上料系统;3—喷煤系统;4—氧气系统;5— 除尘系统;6—换热系统;7—加压系统;8— CO2吸附系统;9—加热 系统 图 1 氧气高炉流程图 Fig.1 Flowchartofanoxygenblastfurnace 1.2 多区域约束性条件分析 根据物料在炉内不同区域的物理化学反应 ,将 氧气高炉分为高温区、固体炉料区和煤气加热区三 个区域.理论上 ,分得区域越多, 计算结果越精确 ; 但分得区域过多 ,导致区域边界条件难以确定 ,计算 无法进行.根据碳素溶解反应 (CO2 +C 2CO)和 水煤气反应 (H2 O+C CO+H2 )的特征 , 将 1 000 ℃的等温线作为高温区与固体炉料区的分界 线, 1000 ℃以上为高温区 , 1 000 ℃以下为固体炉料 区 [ 9] .固体炉料区只进行炉料的加热和铁矿石的间 接还原,其余反应在高温区进行 .煤气加热区主要 是对循环煤气进行加热 .各区域受物理约束和化学 约束条件的限制.物理约束限制了各区域热量损失 和物质的输入与输出温度, 决定了各区域物理热的 大小 .化学约束包括热力学约束和动力学约束, 热 力学约束决定了化学反应的平衡条件 ,是反应有可 能达到的极限 ;动力学约束决定了反应的速率大小, 这与原燃料成分以及炉况工作状态有关 ,决定了矿 石的预还原率和渣铁成分.将各区域的热收入项组 成一个数集 N,各区域的热输出项组成一个数集 M, N={Ni}, M={Mi}, i=1, 2, 3. 式中 , Ni为第 i个区域的热收入 , Mi为第 i个区域的 热支出. 满足生产实际的热平衡条件为 N=M.由于建 立的是静态数学模型 ,所以动力学约束暂且没有考 虑.各区域具体的约束条件见计算流程图 2. 1.3 数学模型的建立 数学模型是以生产 1 t铁水消耗的原燃料为计 算单位 , 在假定矿石的金属化率和氢气利用率 (ηH2 =0.88·ηCO +0.1, ηH2和 ηCO分别为 H2和 CO的 利用率) [ 10]的前提下, 根据物料平衡和能量平衡, 确 定各物料的消耗量和热量的收入与支出 .计算所用 原燃料成分如表 1 和表 2, 预设铁水成分如表 3 所示 . 在给定的原燃料成分条件下 ,以物料平衡和能 量平衡为基础 ,根据氧气高炉数学模型计算流程图, 分别建立高温区、固体炉料区和煤气加热区的能量 平衡 .计算步骤主要是根据生铁成分和炉渣碱度平 衡确立矿石消耗量 ,根据各区域的能量平衡确定燃 料消耗量 ,然后建立各区域物料与能量平衡 .在各 区域物料与能量平衡计算过程中 , 必须满足物理约 束和化学约束条件 ,只有当各区域都满足物料与热 量平衡时 ,计算结果才真实可信. 2 计算结果与讨论 2.1 分区域对数学模型的影响 为了比较氧气高炉多区域约束性数学模型与传 统全炉热平衡氧气高炉数学模型计算结果的差别, 假定循环煤气量为 1 000 m 3 , 煤气加热 温度为 900 ℃, 炉顶煤气 温度为 250 ℃, 炉缸热损 失为 0.5 GJ,炉身热损失为 0.2 GJ,分别得到金属化率为 65%和 90%时的计算结果如图 3和图 4所示 . · 335·
。336 北京科技大学学报 第33卷 (开始 (初始条件) 原燃料成分 燃料 (区域1) (区域2 (区域3) 高温区 固体炉料区 煤气加热区 (约束条件) (约束条件) (约束条件) 物理约束条件 物理约束条件 物理约東条件 温度：渣铁温度，炉缸煤气温度 温度：炉顶煤气温度，循环煤气温度 温度：煤气加热温度 热量：炉缸热损失 炉身炉料温度 热量：炉顶煤气热值，热量转换效率 碱度：炉查碱度 热量：炉身热损失 煤气量：炉顶煤气量，循环煤气量 化学约束条件 化学约束条件 加热耗用煤气量 热力学约束： 热方学约束： 化学约束条件 H,0+(C=H,+C0 Fe0+CO=Fe+CO g人=69517.39g g人=885-1.0s T T C0.+C=2C0 FeO+H,=Fe+H.O g人=8608.931 e人-%045 动力学约束： 动力学约束： V.=M. =W 结宋 图2氧气高炉数学模型计算流程图 Fg2 Fbw chan of calculatin for hema thematicalmolel of an cxygen blast fumace 表1原料成分（质量分数） Table 1 Chemical cmposition of raw ma eral % 名称 F303 FO FeO sQ Cao M A!9 MnO 烧结矿 50.50 2952 5.08 9.20 3.13 126 034 0055 球团矿 8839 1.04 7.45 1.12 1.10 一 0005 表2燃料成分（质量分数） Tab le2 Chemical compositon of fuel % 挥发分 灰分 名称 C C02 CO H Q y SQ Cao M8 A19 今有机 焦炭 857604340459 007400500223 6355 036 0508 5.084 0057 0009 058 煤粉 70825.1645125291039472012450004500360 3.6000041 0006 056 表3铁水成分质量分数) 小，炉缸产生煤气带入固体炉料区热量充沛，热收入 Table3 Chem ical oomposition ofmolten iron % 大于热支出.当金属化率为90%的时候，高温区热 Fe C Si Mn 负荷小，在满足全炉热平衡的时候，高温区热收入大 9421 440 1.00 032 005 002 于热支出：而固体炉料区热负荷大，炉缸产生煤气量 不足，导致炉身热收入小于热支出，不能实现平衡. 由图3和图4可知，两种金属化率条件下，根据 由此可见，采用全炉热平衡建立的数学模型，不能反 给定的假设条件，在全炉热平衡满足热量平衡时，区 映各区域热量的平衡情况即使全炉热平衡满足，但 域热平衡却不满足.当金属化率为65%的时候，高 区域热平衡不一定满足.实际生产中，区域热平衡 温区热负荷大，虽然全炉热平衡满足，但高温区热收 更有意义，因为它能够反映热量在不同区域的利用 入小于热支出，不能实现平衡：而固体炉料区热负荷 价值，弥补全炉热平衡的不足，如果任意一个区域热
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 图 2 氧气高炉数学模型计算流程图 Fig.2 Flowchartofcalculationforthemathematicalmodelofanoxygenblastfurnace 表 1 原料成分(质量分数) Table1 Chemicalcompositionofrawmaterial % 名称 Fe2O3 Fe3O4 FeO SiO2 CaO MgO Al2 O3 MnO S 烧结矿 50.50 29.52 — 5.08 9.20 3.13 1.26 0.34 0.055 球团矿 88.39 — 1.04 7.45 1.12 1.10 — — 0.005 表 2 燃料成分(质量分数) Table2 Chemicalcompositionoffuel % 名称 C 挥发分 灰分 CO2 CO H2 CH4 N2 SiO2 CaO MgO Al2 O3 S P S有机 焦炭 85.76 0.434 0.459 0.074 0.050 0.223 6.355 0.636 0.508 5.084 0.057 0.009 0.58 煤粉 70.82 5.164 5.125 2.910 3.947 2.012 4.500 0.450 0.360 3.600 0.041 0.006 0.56 表 3 铁水成分(质量分数) Table3 Chemicalcompositionofmolteniron % Fe C Si Mn P S 94.21 4.40 1.00 0.32 0.05 0.02 由图 3和图 4可知 ,两种金属化率条件下, 根据 给定的假设条件 ,在全炉热平衡满足热量平衡时,区 域热平衡却不满足.当金属化率为 65%的时候 ,高 温区热负荷大,虽然全炉热平衡满足 ,但高温区热收 入小于热支出,不能实现平衡;而固体炉料区热负荷 小, 炉缸产生煤气带入固体炉料区热量充沛 ,热收入 大于热支出.当金属化率为 90%的时候 ,高温区热 负荷小,在满足全炉热平衡的时候 ,高温区热收入大 于热支出 ;而固体炉料区热负荷大 ,炉缸产生煤气量 不足 ,导致炉身热收入小于热支出 ,不能实现平衡. 由此可见 ,采用全炉热平衡建立的数学模型 ,不能反 映各区域热量的平衡情况,即使全炉热平衡满足 ,但 区域热平衡不一定满足 .实际生产中, 区域热平衡 更有意义 ,因为它能够反映热量在不同区域的利用 价值 ,弥补全炉热平衡的不足 ,如果任意一个区域热 · 336·
第3期 郭培民等：氧气高炉多区域约束性数学模型 ·337 00 色12m 800 2000 一·一炉原煤气量 400 一一商温区产生煤气量 1000 ·满足间接还原反应需要煤气量 60 70 80 90 100 全炉热平衡 高温区 固体炉料区 金属化率停 区域 图5不同金属化率条件下煤气的平衡关系 图3金属化率为6%时计算结果 Fg 5 Gas balance at differentm eta llization mates Fg3 Ca lout知results at ame恤liat知购eof66 小煤气量，更不能满足炉身热平衡，需要喷吹的循环 4500 0x>0 4000 0=0 ☐热收人 煤气量逐渐增大.由于随着金属化率升高，高温区 ☑2☑热支出 3500 产生煤气量减少，循环煤气量增大，当金属化率很高 3000 三2500 0<0 时，高温区产生煤气量不一定能够维持各个区域的 200 热平衡. 1500 2.3煤气加热区的约束条件对数学模型的影响 1(000 500H 氧气高炉数学模型不仅要满足各区域热平衡， 0 全炉热平衡 高温区 固体炉料区 而且建立区域热平衡时要受到物理约束和化学约束 区域 条件的限制.物理约束主要是对各区域物质的输入 图4金属化率为9%时计算结果 与输出温度、热损失以及煤气量等参数的约束.假 Fg4 Ca lou t知resu lts at am eta lliza ti知meof9% 定高温区热损失为05GJ固体炉料区热损失为 0.2GJ循环煤气温度为900℃炉顶煤气温度 平衡不满足，全炉热平衡就没有意义.所以建立氧 250℃煤气加热区换热效率为75%，计算不同金属 气高炉数学模型时，需要对氧气高炉分区域建立能 化率条件下，高温区产生煤气量、吸附带出煤气量、 量平衡，模拟各区域热量的收支情况 加热耗用煤气量以及输出煤气量如表4所示. 2.2固体炉料区的约束条件对数学模型的影响 在高温区和固体炉料区都满足热平衡时，输出 根据CO和还原FO的热力学条件，1000℃ 煤气量需要满足如下关系式：输出煤气量=高温区 间接还原反应达到平衡时CO和H的利用率分别 产生煤气量吸附煤气量一加热耗用煤气量≥0. 为29.2%和37.5%.由于铁的高价氧化物还原比 由表4可以看出，随着金属化率的升高，高温 较容易，所以间接还原反应的限制性环节是FO的 区产生煤气量逐渐减少，炉身循环煤气量增大，加 还原.受CO和H还原FO的热力学平衡条件限 热循环煤气耗用煤气量也逐渐增大.金属化率升 制，不同金属化率对应不同的最小煤气量.图5给 高，炉身间接还原度增大，生成CQ增多，所以吸附 出了不同金属化率条件下，高温区产生煤气量、满足 煤气量增加.向外输出煤气量随着金属化率的升 炉身间接还原反应需要最小煤气量以及循环煤气量 高，逐渐减小，但当金属化率升高到一定值时，输 之间的关系. 出煤气量成为负值，这很明显不符合实际生产.所 根据图5可知，随着矿石金属化率升高，高温区 以在氧气高炉数学模拟过程中，当假定的金属化 产生煤气量逐渐减少，满足炉身间接还原反应需要 率很高时，如果不考虑煤气加热区的约束条件，虽 的最小煤气量逐渐增大.在金属化率低于A点前， 然很低的燃料比就可以满足高温区和固体炉料区 高温区产生煤气可以满足炉身间接还原反应，但不 的热平衡，但没有实际意义，因为煤气加热区不能 能满足炉身热平衡，炉身热量不足，需要向炉身喷吹 实现热平衡.由此可知，在建立氧气高炉数学模型 热循环煤气，为炉身提供热量，图中阴影部分就是需 时，要综合考虑各区域的物理约束条件，煤气量之 要喷吹的循环煤气量.当金属化率高于A点后，高 间要匹配，如果任一区域不满足热平衡，计算结果 温区产生的煤气量低于炉身间接还原反应需要的最 就没有意义
第 3期 郭培民等:氧气高炉多区域约束性数学模型 图 3 金属化率为 65%时计算结果 Fig.3 Calculationresultsatametallizationrateof65% 图 4 金属化率为 90%时计算结果 Fig.4 Calculationresultsatametallizationrateof90% 平衡不满足 ,全炉热平衡就没有意义.所以建立氧 气高炉数学模型时, 需要对氧气高炉分区域建立能 量平衡 ,模拟各区域热量的收支情况 . 2.2 固体炉料区的约束条件对数学模型的影响 根据 CO和 H2还原 FeO的热力学条件, 1000℃ 间接还原反应达到平衡时 CO和 H2的利用率分别 为 29.2%和 37.5%.由于铁的高价氧化物还原比 较容易 ,所以间接还原反应的限制性环节是 FeO的 还原.受 CO和 H2还原 FeO的热力学平衡条件限 制 ,不同金属化率对应不同的最小煤气量.图 5给 出了不同金属化率条件下 ,高温区产生煤气量 、满足 炉身间接还原反应需要最小煤气量以及循环煤气量 之间的关系 . 根据图 5可知 ,随着矿石金属化率升高,高温区 产生煤气量逐渐减少, 满足炉身间接还原反应需要 的最小煤气量逐渐增大.在金属化率低于 A点前 , 高温区产生煤气可以满足炉身间接还原反应 , 但不 能满足炉身热平衡,炉身热量不足,需要向炉身喷吹 热循环煤气 ,为炉身提供热量, 图中阴影部分就是需 要喷吹的循环煤气量.当金属化率高于 A点后 ,高 温区产生的煤气量低于炉身间接还原反应需要的最 图 5 不同金属化率条件下煤气的平衡关系 Fig.5 Gasbalanceatdifferentmetallizationrates 小煤气量 ,更不能满足炉身热平衡 ,需要喷吹的循环 煤气量逐渐增大 .由于随着金属化率升高, 高温区 产生煤气量减少,循环煤气量增大 ,当金属化率很高 时, 高温区产生煤气量不一定能够维持各个区域的 热平衡. 2.3 煤气加热区的约束条件对数学模型的影响 氧气高炉数学模型不仅要满足各区域热平衡, 而且建立区域热平衡时要受到物理约束和化学约束 条件的限制.物理约束主要是对各区域物质的输入 与输出温度、热损失以及煤气量等参数的约束 .假 定高温区热损失为 0.5 GJ, 固体炉料区热损失为 0.2 GJ,循 环煤气温度为 900 ℃, 炉顶煤气 温度 250 ℃, 煤气加热区换热效率为 75%, 计算不同金属 化率条件下,高温区产生煤气量 、吸附带出煤气量、 加热耗用煤气量以及输出煤气量如表 4所示 . 在高温区和固体炉料区都满足热平衡时, 输出 煤气量需要满足如下关系式:输出煤气量 =高温区 产生煤气量 -吸附煤气量 -加热耗用煤气量 ≥0. 由表 4可以看出 ,随着金属化率的升高 ,高温 区产生煤气量逐渐减少, 炉身循环煤气量增大 , 加 热循环煤气耗用煤气量也逐渐增大 .金属化率升 高 ,炉身间接还原度增大 , 生成 CO2增多 ,所以吸附 煤气量增加 .向外输出煤气量随着金属化率的升 高 ,逐渐减小 , 但当金属化率升高到一定值时, 输 出煤气量成为负值 , 这很明显不符合实际生产.所 以在氧气高炉数学模拟过程中 , 当假定的金属化 率很高时 ,如果不考虑煤气加热区的约束条件 , 虽 然很低的燃料比就可以满足高温区和固体炉料区 的热平衡 ,但没有实际意义 , 因为煤气加热区不能 实现热平衡 .由此可知 ,在建立氧气高炉数学模型 时 ,要综合考虑各区域的物理约束条件 , 煤气量之 间要匹配 ,如果任一区域不满足热平衡 , 计算结果 就没有意义 . · 337·
。338 北京科技大学学报 第33卷 表4不同金属化率条件下煤气量 Table4 Gas volme at differentme tallization rates 金属 焦炭/ 煤粉/ 高温区产生 循环煤 炉顶煤 吸附煤 加热耗用 输出煤气 化率% (kg 1) (kg 1) 煤气量/m 气量/ 气量m 气量m 煤气量/m 量/m3 55 400 367 1262 737 2002 404 136 722 60 376 346 1183 766 1952 424 145 614 65 352 325 1105 795 1902 444 152 509 70 328 304 1026 825 1853 464 161 401 尔 304 283 947 855 1804 484 171 292 80 280 263 870 883 1755 504 183 183 85 256 242 791 913 1706 524 195 72 % 232 22 714 943 1659 544 207 -37 95 208 201 636 973 1610 564 222 -150 tion into themodem blast fumace ISU Int 2010 50(1).81 3结论 【3到AbdelH K S Andronov VN NasrM】Blst fumace opemtin (1)全炉热平衡有时不能实现氧气高炉数学模 with naural gas injection and minmum theoretical flame tempera 拟，在全炉热平衡满足的条件下，区域热平衡不一定 ure Irommaking Steemaking 2009 36(1)12 [4 Castro JA NogmH Yagi J Numerical nvestigation ofsmul 满足，区域热平衡可以弥补全炉热平衡的不足，反应 neous injection of pu lverized coa and natural gas with oxgen en 了热量在不同区域的利用价值. ricment o he blast fumace ISIJ Int 2002 42(11 )1203 (2)随着金属化率升高，燃料比降低，高温区产 I5 Firk E Suspensin smelting reduction a new me thad of hot irn 生煤气量逐渐减少，但受间接还原反应和热平衡条 Production SteelTmes 1996 224(11)398 件的约束，固体炉料区需要循环煤气量逐渐增大. Poos A Posibilities and probkms of the njection of h puler i灰d coal rates n the ba st funace StahlEise1991111(8为 (3)在高温区和固体炉料区满足热平衡的条件 69 下，当金属化率很高时，虽然计算得到的燃料比很 [7 Qn M S Gao ZK WangG L.etal Blst funace operatian with 低，但炉顶煤气量不足，不能够实现煤气加热区各煤 和o0 gen blast Tommaking Stee血kng198815(6).287 气量的平衡. [8 Yamacka H KameiY Expermental study on an oxogen blast fur (4)本文提出的氧气高炉多区域约束性数学模 nace prooess using a mall test p叫mt1S199232(6片709 [ Cheng L B Irommaking Process and Ca koula tion Beijing Metal 型能够弥补传统物料与热量平衡的不足，可以适用 lurgical hdustry Press 1991 454 于氧气高炉的物料与热量平衡计算. (成兰伯.高炉炼铁工艺及计算.北京：治金工业出版社 1991:454) 参考文献 [10 W angX I,FerousMetallgy Iromaking Beijing Meta lut L刂XuC B CagDQ A brief overv w of kw C,ms知eclnol gical Industry Press 2006 85 agies for imn and steelmak ing J Iron SteelRes 2010 17(3):2 (王筱留.钢铁冶金学：炼铁部分.北京：治金工业出版社 [2 Babich A SenkD FemandezM Charcoal behav our by is njec. 200685)
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 表 4 不同金属化率条件下煤气量 Table4 Gasvolumeatdifferentmetallizationrates 金属 化率/% 焦炭 / (kg·t-1 ) 煤粉 / (kg·t-1) 高温区产生 煤气量 /m3 循环煤 气量 /m3 炉顶煤 气量 /m3 吸附煤 气量 /m3 加热耗用 煤气量 /m3 输出煤气 量 /m3 55 400 367 1 262 737 2 002 404 136 722 60 376 346 1 183 766 1 952 424 145 614 65 352 325 1 105 795 1 902 444 152 509 70 328 304 1 026 825 1 853 464 161 401 75 304 283 947 855 1 804 484 171 292 80 280 263 870 883 1 755 504 183 183 85 256 242 791 913 1 706 524 195 72 90 232 222 714 943 1 659 544 207 -37 95 208 201 636 973 1 610 564 222 -150 3 结论 (1)全炉热平衡有时不能实现氧气高炉数学模 拟 ,在全炉热平衡满足的条件下 ,区域热平衡不一定 满足, 区域热平衡可以弥补全炉热平衡的不足 ,反应 了热量在不同区域的利用价值 . (2)随着金属化率升高,燃料比降低 ,高温区产 生煤气量逐渐减少, 但受间接还原反应和热平衡条 件的约束,固体炉料区需要循环煤气量逐渐增大. (3)在高温区和固体炉料区满足热平衡的条件 下 ,当金属化率很高时 , 虽然计算得到的燃料比很 低 ,但炉顶煤气量不足 ,不能够实现煤气加热区各煤 气量的平衡 . (4)本文提出的氧气高炉多区域约束性数学模 型能够弥补传统物料与热量平衡的不足, 可以适用 于氧气高炉的物料与热量平衡计算. 参 考 文 献 [ 1] XuCB, CangDQ.AbriefoverviewoflowCO2 emissiontechnologiesforironandsteelmaking.JIronSteelRes, 2010, 17(3):2 [ 2] BabichA, SenkD, FernandezM.Charcoalbehaviourbyitsinjectionintothemodernblastfurnace.ISIJInt, 2010, 50(1):81 [ 3] AbdelHKS, AndronovVN, NasrMI.Blastfurnaceoperation withnaturalgasinjectionandminimumtheoreticalflametemperature.IronmakingSteelmaking, 2009, 36(1):12 [ 4] CastroJA, NogamiH, YagiJ.Numericalinvestigationofsimultaneousinjectionofpulverizedcoalandnaturalgaswithoxygenenrichmenttotheblastfurnace.ISIJInt, 2002, 42(11):1203 [ 5] FinkF.Suspensionsmeltingreduction:anewmethodofhotiron production.SteelTimes, 1996, 224(11):398 [ 6] PoosA.Possibilitiesandproblemsoftheinjectionofhighpulverizedcoalratesinthebalstfurnace.StahlEisen, 1991, 111(8): 69 [ 7] QinMS, GaoZK, WangGL, etal.Blastfurnaceoperationwith fulloxygenblast.IronmakingSteelmaking, 1988, 15(6):287. [ 8] YamaokaH, KameiY.Experimentalstudyonanoxygenblastfurnaceprocessusingasmalltestplant.ISIJInt, 1992, 32(6):709 [ 9] ChengLB.IronmakingProcessandCalculation.Beijing:MetallurgicalIndustryPress, 1991:454 (成兰伯.高炉炼铁工艺及计算.北京:冶金工业出版社, 1991:454) [ 10] WangXL.FerrousMetallurgy:Ironmaking.Beijing:MetallurgicalIndustryPress, 2006:85 (王筱留.钢铁冶金学:炼铁部分.北京:冶金工业出版社, 2006:85) · 338·
