氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 薛庆国杨帆张欣欣王静松左海滨姜泽毅佘雪峰王广 Development of an oxygen blast furnace and its research progress in University of Science and Technology Beijing XUE Qing-guo,YANG Fan,ZHANG Xin-xin,WANG Jing-song.ZUO Hai-bin,JIANG Ze-yi,SHE Xue-feng.WANG Guang 引用本文： 薛庆国，杨帆，张欣欣，王静松，左海滨，姜泽毅，佘雪峰，王广.氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展.工 程科学学报，2021,4312：1579-1591.doi10.13374.issn2095-9389.2021.09.22.004 XUE Qing-guo,YANG Fan,ZHANG Xin-xin,WANG Jing-song.ZUO Hai-bin,JIANG Ze-yi,SHE Xue-feng.WANG Guang. Development of an oxygen blast furnace and its research progress in University of Science and Technology BeijingJ].Chinese Journal of Engineering,2021,43(12:1579-1591.doi:10.13374fj.issn2095-9389.2021.09.22.004 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2021.09.22.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 卧式喷淋塔烟气脱硫的数值模拟 Numerical simulation of flue gas desulfurization by horizontal spray tower 工程科学学报.2018,40(1：17htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.01.003 电弧焊接数值模拟中热源模型的研究与发展 Research and development of a heat-source model in numerical simulations for the arc welding process 工程科学学报.2018.40(4：389 https:1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2018.04.001 热冷循环下外墙外保温系统耐候性能数值模拟 Numerical simulation of the weathering performance of an exterior wall external insulation system under heating-cooling cycles 工程科学学报.2018,40(6：754 https:ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2018.06.014 高炉休风时供氧管网压力对氧气调度的影响 Effects of oxygen pipe-network pressure on the oxygen scheduling during blast furnace blow-down 工程科学学报.2017,392：283 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.02.017 CO,作为RH提升气的冶金反应行为研究 Metallurgical reaction behavior of CO2 as RH lifting gas 工程科学学报.2020,42(2：203 https:/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.06.30.001 电弧炉内长电弧等离子体的数值模拟 Numerical simulation of a long arc plasma in an electric arc fumace 工程科学学报.2020,42(S:60 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2020.04.08.s04

氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 薛庆国 杨帆 张欣欣 王静松 左海滨 姜泽毅 佘雪峰 王广 Development of an oxygen blast furnace and its research progress in University of Science and Technology Beijing XUE Qing-guo, YANG Fan, ZHANG Xin-xin, WANG Jing-song, ZUO Hai-bin, JIANG Ze-yi, SHE Xue-feng, WANG Guang 引用本文: 薛庆国, 杨帆, 张欣欣, 王静松, 左海滨, 姜泽毅, 佘雪峰, 王广. 氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展[J]. 工 程科学学报, 2021, 43(12): 1579-1591. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.22.004 XUE Qing-guo, YANG Fan, ZHANG Xin-xin, WANG Jing-song, ZUO Hai-bin, JIANG Ze-yi, SHE Xue-feng, WANG Guang. Development of an oxygen blast furnace and its research progress in University of Science and Technology Beijing[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(12): 1579-1591. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.22.004 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.22.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 卧式喷淋塔烟气脱硫的数值模拟 Numerical simulation of flue gas desulfurization by horizontal spray tower 工程科学学报. 2018, 40(1): 17 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.01.003 电弧焊接数值模拟中热源模型的研究与发展 Research and development of a heat-source model in numerical simulations for the arc welding process 工程科学学报. 2018, 40(4): 389 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.001 热冷循环下外墙外保温系统耐候性能数值模拟 Numerical simulation of the weathering performance of an exterior wall external insulation system under heating-cooling cycles 工程科学学报. 2018, 40(6): 754 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.014 高炉休风时供氧管网压力对氧气调度的影响 Effects of oxygen pipe-network pressure on the oxygen scheduling during blast furnace blow-down 工程科学学报. 2017, 39(2): 283 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.017 CO2作为RH提升气的冶金反应行为研究 Metallurgical reaction behavior of CO2 as RH lifting gas 工程科学学报. 2020, 42(2): 203 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.30.001 电弧炉内长电弧等离子体的数值模拟 Numerical simulation of a long arc plasma in an electric arc furnace 工程科学学报. 2020, 42(S): 60 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.08.s04

工程科学学报.第43卷，第12期：1579-1591.2021年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.12:1579-1591,December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.22.004;http://cje.ustb.edu.cn 氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 薛庆国四，杨帆，张欣欣，王静松⑧，左海滨，姜泽毅，佘雪峰，王广 北京科技大学钢铁治金国家重点实验室，北京100083 区通信作者，薛庆国，E-mail:xueqingguo@ustb.edu.cn;王静松，E-mai:wangjingsong(@ustb.edu.cn 摘要首先介绍了氧气高炉的发展历程，早期的研究工作主要着眼于解决由于氧气代替空气鼓风而引起的“上冷下热”问 题，并总结了各国研究者提出的氧气高炉流程及其主要特点，随后系统阐述了北京科技大学科研人员在氧气高炉工艺基础 研究与工程技术开发方面所取得的主要进展.这些研究包括氧气高炉流程设计，含铁炉料还原与软熔，氧气鼓风及循环煤气 喷吹条件下的煤粉燃烧，循环煤气加热过程中的物理化学变化等炉内反应与变化，以及在此基础上开展的回旋区及全炉数值 模拟研究，为氧气高炉的工程化实施奠定理论基础.最后对氧气高炉的碳素流及节碳潜力进行了分析，并提出富氢碳氢循环 氧气高炉将成为炼铁低碳化的重要发展方向. 关键词CO,减排；氧气高炉：低碳炼铁：煤气循环：数值模拟：富氢碳氢循环 分类号TF538.1 Development of an oxygen blast furnace and its research progress in University of Science and Technology Beijing XUE Oing-guo,YANG Fan,ZHANG Xin-xin,WANG Jing-song,ZUO Hai-bin,JIANG Ze-yi,SHE Xue-feng,WANG Guang State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China Corresponding author,XUE Qing-guo,E-mail:xueqingguo@ustb.edu.cn,WANG Jing-song.E-mial:wangjingsong@ustb.edu.cn ABSTRACT An oxygen blast furnace (OBF)has the advantages of high productivity,high coal injection,low fuel ratio,high gas calorific value,and low carbon emissions,the OBF process is one of the most likely low-carbon ironmaking processes to achieve large- scale application.This paper first introduced the development history of an OBF.The early research work mainly focused on solving the problem of"upper cooling and lower overheating"caused by oxygen instead of air blasting and summarized the OBF process and its main characteristics proposed by researchers in various countries.Then,the progress made by the researchers of the University of Science and Technology Beijing in the research and development of the OBF process was systematically summarized.The studies include the process design of an OBF,the reduction and soft melting of iron-bearing furnace charge,pulverized coal combustion under the conditions of oxygen blast and circulating gas injection,the physical and chemical behavior of recirculating gas during the heating process,as well as the numerical simulation of the raceway and the whole furnace,which gives a theoretical foundation for the engineering implementation of the OBF.Finally,the carbon flow and carbon saving potential of the OBF were analyzed.It is proposed that a hydrogen rich carbon circulating oxygen blast furnace will be an important development in the direction of low-carbon ironmaking. KEY WORDS CO,reduction emission;oxygen blast furnace;low-carbon ironmaking;gas recycling;numerical simulation;hydrogen- rich and C-H recycling 收稿日期：2021-09-22 基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1960205)

氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 薛庆国苣，杨    帆，张欣欣，王静松苣，左海滨，姜泽毅，佘雪峰，王    广 北京科技大学钢铁冶金国家重点实验室, 北京 100083 苣通信作者， 薛庆国, E-mail：xueqingguo@ustb.edu.cn; 王静松, E-mail: wangjingsong@ustb.edu.cn 摘    要    首先介绍了氧气高炉的发展历程，早期的研究工作主要着眼于解决由于氧气代替空气鼓风而引起的“上冷下热”问 题，并总结了各国研究者提出的氧气高炉流程及其主要特点. 随后系统阐述了北京科技大学科研人员在氧气高炉工艺基础 研究与工程技术开发方面所取得的主要进展. 这些研究包括氧气高炉流程设计，含铁炉料还原与软熔，氧气鼓风及循环煤气 喷吹条件下的煤粉燃烧，循环煤气加热过程中的物理化学变化等炉内反应与变化，以及在此基础上开展的回旋区及全炉数值 模拟研究，为氧气高炉的工程化实施奠定理论基础. 最后对氧气高炉的碳素流及节碳潜力进行了分析，并提出富氢碳氢循环 氧气高炉将成为炼铁低碳化的重要发展方向. 关键词    CO2 减排；氧气高炉；低碳炼铁；煤气循环；数值模拟；富氢碳氢循环 分类号    TF538.1 Development  of  an  oxygen  blast  furnace  and  its  research  progress  in  University  of Science and Technology Beijing XUE Qing-guo苣 ，YANG Fan，ZHANG Xin-xin，WANG Jing-song苣 ，ZUO Hai-bin，JIANG Ze-yi，SHE Xue-feng，WANG Guang State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, XUE Qing-guo, E-mail: xueqingguo@ustb.edu.cn; WANG Jing-song, E-mial: wangjingsong@ustb.edu.cn ABSTRACT    An  oxygen  blast  furnace  (OBF)  has  the  advantages  of  high  productivity,  high  coal  injection,  low  fuel  ratio,  high  gas calorific value, and low carbon emissions; the OBF process is one of the most likely low-carbon ironmaking processes to achieve large￾scale application. This paper first introduced the development history of an OBF. The early research work mainly focused on solving the problem of “upper cooling and lower overheating” caused by oxygen instead of air blasting and summarized the OBF process and its main  characteristics  proposed  by  researchers  in  various  countries.  Then,  the  progress  made  by  the  researchers  of  the  University  of Science  and  Technology  Beijing  in  the  research  and  development  of  the  OBF  process  was  systematically  summarized.  The  studies include the process design of an OBF, the reduction and soft melting of iron-bearing furnace charge, pulverized coal combustion under the conditions of oxygen blast and circulating gas injection, the physical and chemical behavior of recirculating gas during the heating process,  as  well  as  the  numerical  simulation  of  the  raceway  and  the  whole  furnace,  which  gives  a  theoretical  foundation  for  the engineering implementation of the OBF. Finally, the carbon flow and carbon saving potential of the OBF were analyzed. It is proposed that  a  hydrogen  rich  carbon  circulating  oxygen  blast  furnace  will  be  an  important  development  in  the  direction  of  low-carbon ironmaking. KEY WORDS    CO2 reduction emission；oxygen blast furnace；low-carbon ironmaking；gas recycling；numerical simulation；hydrogen￾rich and C−H recycling 收稿日期: 2021−09−22 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（U1960205） 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期：1579−1591，2021 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 12: 1579−1591, December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.22.004; http://cje.ustb.edu.cn

1580 工程科学学报，第43卷，第12期 在应对全球气候变化和能源转型的背景下，作 提高：强化了高炉冶炼，生产率可提高1/3~1倍 为碳排放大户的钢铁行业一直面临着碳减排的巨 氧气高炉除了上述优势外，还有以下一些关键问题 大压力，因此低碳冶金技术的开发应用受到高度重 需要解决，主要集中在以下几个方面：(1)理论燃烧 视.钢铁行业是我国国民经济的支柱性产业，其 温度提高，炉缸煤气量减少，导致炉缸温度过高.(2) C0,排放约占我国排放总量的16%.在长流程钢铁 炉腹煤气量减少导致炉料不足.(3)低焦比冶炼对 生产中，约90%的能耗和CO2排放集中在炼铁工 焦炭质量提出新的要求.(4)如何提高有循环煤气 序（包括烧结、焦化、高炉），因此降低高炉炼铁过 条件下的煤粉燃烬率.（⑤）氧气鼓风与循环煤气喷 程的能源消耗和碳排放是实现钢铁工业低碳发展 吹条件下的回旋区调控.(6)氧气鼓风与循环煤气 的主要途径-为此，欧洲、日本等钢铁产业发达 喷吹条件下的炉内流场、温度场优化.(7)氧气高炉 地区和国家均实施了钢铁低碳发展研究计划，重点 对钢铁企业能源平衡及碳排放的影响. 开发低碳炼铁技术，其中ULCOS(Ultra low CO2 下面将从氧气高炉发展历程、流程解析、炉内 steelmaking)计划中的炉顶煤气循环-氧气高炉 反应变化、回旋区多相燃烧、炼铁系统碳素流变化 (TGR-OBF)炼铁技术受到了业界的普遍关注PIU 以及系统节能减排等儿个方面，对氧气高炉的发展 TGR-OBF是用氧气鼓风代替传统的预热空气鼓 历程以及北京科技大学在相关领域的研究工作进展 风，并将炉顶煤气脱除CO2后返回利用的高炉炼铁 进行总结，以期对今后的低碳炼铁研究提供参考. 工艺.在TGR-OBF中，由于炉顶煤气的循环利用 1 氧气高炉发展历程 使C0的分压提高，煤气还原势增强，强化了含铁炉 料的还原，直接还原度降低，使炼铁生产效率提高， 1.1氧气高炉工艺的提出与典型特征 燃料消耗降低，碳排放减少.该工艺具有以下特点2-刀 20世纪70年代，氧气高炉由德国Wenzel等 (1)发展间接还原，降低直接还原：脱除CO2后的炉 首先提出，理论分析与实验研究发现，氧气高炉存 顶煤气具有较高浓度的还原性组分(C0和H2),可 在两方面的问题：(1)由于采用纯氧鼓风，炉内煤 以提高炉内还原势，发展间接还原，降低燃料比.(2) 气量减少，造成炉身炉料加热不足，称之为“上 喷煤量增大，焦比降低：由于采用氧气鼓风，可以加 凉”；(2)由于理论燃烧温度提高、煤气量减少及 速煤粉燃烧，有利于提高喷煤量，降低焦比.(3) 直接还原度降低，导致炉缸温度过高，称之为 CO2分离成本降低：由于采用氧气鼓风，炉顶煤气 “下热”.随后国内外学者先后提出了全氧高炉 中含氮量大幅度降低，CO2浓度提高，CO2分离成 (FOBF)流程、氧-煤-助溶剂(OCF)流程、Fink流 本降低.(4)污染物排放减少：TGR-OBF工艺对焦 程、NKK流程等多种氧气高炉工艺流程，本文按 炭需求量降低，减少了焦化工序产生的H2S、SO2、 提出时间及工艺特点对氧气高炉工艺进行分类汇 NOx、HCN等对环境的污染.（⑤）煤气热值上升：炉顶 总（如表1）.表中所列出的典型氧气高炉流程主要 煤气中的C0和H2含量提高，其热值达到7000kJm3 区别在于采用不同的技术措施来解决氧气高炉存 以上，比传统高炉煤气热值大幅度提高.(6)生产率 在的“上凉”和“下热”等问题 表1不同氧气高炉流程工艺特点 Table 1 Process characteristics of various oxygen blast furnace processes Time Process name Blowing position Spray-blown objects Process features 1978 Finkli9] Hearth,bosh Oxygen,pulverized coal (1)Top gas removes CO,without preheating; top gas (2)Low fuel ratio and 1/2 increase in productivity Hearth:oxygen,pulverized 1985 FOBFPO Hearth,furnace shaft (1)Top gas removes COz,and preheating to 1200 K,Supplement heat; coal,top gas Furnace shaft:recycling gas (2)Part of the top gas does not remove CO2 and is used as carrier gas. Hearth:oxygen,pulverized (1)Preheating circulating gas is injected into the middle of the furnace shaft 1987 NKKI3I Hearth,furnace shaft coal,top gas to supplement the fumace shaft heat; Furnace shaft:recycling gas (2)Considerable coal injection and high productivity 1987 TulaF四 Hearth (1)Top gas removes CO2,and preheating Oxygen,top gas (2)Coke ratio decreases,and the output increases by 20%-30%. 1992 BOBF2四 (1)No circulating gas; Hearth Coal powder,oxygen (2)The oxygen content of the blast fluctuates between 40%and 90%. (1)No COz removal and no heating, 1994 OCFP3I Hearth Oxygen,pulverized coal,top gas,solvents (2)Inject a large amount of pulverized coal and an appropriate amount of flux

在应对全球气候变化和能源转型的背景下，作 为碳排放大户的钢铁行业一直面临着碳减排的巨 大压力，因此低碳冶金技术的开发应用受到高度重 视. 钢铁行业是我国国民经济的支柱性产业，其 CO2 排放约占我国排放总量的 16%. 在长流程钢铁 生产中，约 90% 的能耗和 CO2 排放集中在炼铁工 序（包括烧结、焦化、高炉），因此降低高炉炼铁过 程的能源消耗和碳排放是实现钢铁工业低碳发展 的主要途径[1−8] . 为此，欧洲、日本等钢铁产业发达 地区和国家均实施了钢铁低碳发展研究计划，重点 开发低碳炼铁技术 ，其中 ULCOS  (Ultra  low  CO2 steelmaking) 计划中的炉顶煤气循环 −氧气高炉 （TGR−OBF）炼铁技术受到了业界的普遍关注[9−11] . TGR−OBF 是用氧气鼓风代替传统的预热空气鼓 风，并将炉顶煤气脱除 CO2 后返回利用的高炉炼铁 工艺. 在 TGR−OBF 中，由于炉顶煤气的循环利用 使 CO 的分压提高，煤气还原势增强，强化了含铁炉 料的还原，直接还原度降低，使炼铁生产效率提高， 燃料消耗降低，碳排放减少. 该工艺具有以下特点[12−17] ： (1) 发展间接还原，降低直接还原：脱除 CO2 后的炉 顶煤气具有较高浓度的还原性组分（CO 和 H2），可 以提高炉内还原势，发展间接还原，降低燃料比. (2) 喷煤量增大，焦比降低：由于采用氧气鼓风，可以加 速煤粉燃烧，有利于提高喷煤量，降低焦比. (3) CO2 分离成本降低：由于采用氧气鼓风，炉顶煤气 中含氮量大幅度降低，CO2 浓度提高，CO2 分离成 本降低. (4) 污染物排放减少：TGR−OBF 工艺对焦 炭需求量降低，减少了焦化工序产生的 H2S、SO2、 NOx、HCN 等对环境的污染. (5) 煤气热值上升：炉顶 煤气中的 CO 和 H2 含量提高，其热值达到 7000 kJ·m−3 以上，比传统高炉煤气热值大幅度提高. (6) 生产率 提高：强化了高炉冶炼，生产率可提高 1/3～1 倍. 氧气高炉除了上述优势外，还有以下一些关键问题 需要解决，主要集中在以下几个方面：(1) 理论燃烧 温度提高，炉缸煤气量减少，导致炉缸温度过高. (2) 炉腹煤气量减少导致炉料不足. (3) 低焦比冶炼对 焦炭质量提出新的要求. (4) 如何提高有循环煤气 条件下的煤粉燃烬率. (5) 氧气鼓风与循环煤气喷 吹条件下的回旋区调控. (6) 氧气鼓风与循环煤气 喷吹条件下的炉内流场、温度场优化. (7) 氧气高炉 对钢铁企业能源平衡及碳排放的影响. 下面将从氧气高炉发展历程、流程解析、炉内 反应变化、回旋区多相燃烧、炼铁系统碳素流变化 以及系统节能减排等几个方面，对氧气高炉的发展 历程以及北京科技大学在相关领域的研究工作进展 进行总结，以期对今后的低碳炼铁研究提供参考. 1    氧气高炉发展历程 1.1    氧气高炉工艺的提出与典型特征 20 世纪 70 年代，氧气高炉由德国 Wenzel 等[18] 首先提出，理论分析与实验研究发现，氧气高炉存 在两方面的问题：(1) 由于采用纯氧鼓风，炉内煤 气量减少，造成炉身炉料加热不足，称之为“上 凉”；(2) 由于理论燃烧温度提高、煤气量减少及 直接还原度降低 ，导致炉缸温度过高 ，称之为 “下热”. 随后国内外学者先后提出了全氧高炉 （FOBF）流程、氧−煤−助溶剂（OCF）流程、Fink 流 程、NKK 流程等多种氧气高炉工艺流程，本文按 提出时间及工艺特点对氧气高炉工艺进行分类汇 总（如表 1）. 表中所列出的典型氧气高炉流程主要 区别在于采用不同的技术措施来解决氧气高炉存 在的“上凉”和“下热”等问题. 表 1 不同氧气高炉流程工艺特点 Table 1   Process characteristics of various oxygen blast furnace processes Time Process name Blowing position Spray-blown objects Process features 1978 Fink[19] Hearth, bosh Oxygen, pulverized coal, top gas (1) Top gas removes CO2 without preheating; (2) Low fuel ratio and 1/2 increase in productivity. 1985 FOBF[20] Hearth, furnace shaft Hearth: oxygen, pulverized coal, top gas Furnace shaft: recycling gas (1) Top gas removes CO2 , and preheating to 1200 K, Supplement heat; (2) Part of the top gas does not remove CO2 and is used as carrier gas. 1987 NKK[13] Hearth, furnace shaft Hearth: oxygen, pulverized coal, top gas Furnace shaft: recycling gas (1) Preheating circulating gas is injected into the middle of the furnace shaft to supplement the furnace shaft heat; (2) Considerable coal injection and high productivity. 1987 Tula[21] Hearth Oxygen, top gas (1) Top gas removes CO2 , and preheating; (2) Coke ratio decreases, and the output increases by 20%–30%. 1992 BOBF[22] Hearth Coal powder, oxygen (1) No circulating gas; (2) The oxygen content of the blast fluctuates between 40% and 90%. 1994 OCF[23] Hearth Oxygen, pulverized coal, top gas, solvents (1) No CO2 removal and no heating; (2) Inject a large amount of pulverized coal and an appropriate amount of flux. · 1580 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期

薛庆国等：氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 1581· 12实验性氧气高炉与氧气鼓风高炉炼铁工业实践 2氧气高炉在北京科技大学的主要研究进展 1.2.1日本NKK公司3.9m3实验性氧气高炉 日本NKK公司于1987年在3.9m3实验高炉上 北京科技大学早于1985年就已着手开展氧气 完成氧气高炉炼铁实验.结果表明：喷煤量最高可 高炉研究，研究范围涉及流程研究、炉内反应研 达每吨铁320kg(0.84kgm3O2(标况))，氧耗为每 究、全炉数值模拟研究、全流程碳素流变化及系 吨铁357m3(标况)，理论燃烧温度2839℃.生铁日 统节能减排研究，并开展了相应的工程技术开发. 产量由9.9t提高到20.0t,利用系数达到5.1tm3d, 2.1流程研究 每吨铁燃料比为647kg,高炉实现稳定生产，证明 流程确定与解析是氧气高炉研究最为重要的基 了氧气鼓风高炉炼铁工艺在技术上完全可行3，刘. 础工作，北京科技大学针对氧气高炉流程的研究工 1.2.2瑞典LKAB公司9m3实验性氧气高炉 作最早可以追溯到20世纪80年代.秦民生教授于 2004年，欧盟制定并实施了“超低CO2炼钢” 1985年提出了FOBF流程2,3)，如图1所示，该流程 项目(ULCOS计划)，该项目中高炉炉顶煤气循环- 通过炉缸及炉身同时喷吹炉顶煤气等技术措施解决 氧气高炉(TGR-OBF)是重点开发的工艺之一 “上凉”和“下热”问题.1994年，高征铠教授及其团 2007年，ULCOS项目组在瑞典LKAB的9m3实验 队提出OC℉氧气高炉工艺23,4-，如图2所示，采用 高炉进行了实验.在炉缸和炉身同时喷吹加热循 炉缸喷吹循环煤气解决“下热”问题.两种工艺为后 环煤气条件下，燃料比从基准期的每吨铁530kg 续科研工作者在氧气高炉工艺研究上指出了方向. 降低到400kg,碳输入从每吨铁470kg降低到 Top gas Output gas 350kg.实验结果显示每喷吹100m3C0+H2气体 Coke, iron ore 可以降低燃料比每吨铁17kg,炉顶煤气循环率达 03 D九Ist 到90%时，可以节碳24%，结合碳捕集与封存(CCS) 技术，C02排放最高可减少76%2s-2测 C02 1.2.3中国五矿营钢8m3实验性氧气高炉 2009年，北京钢铁研究总院与五矿营钢合作 Preheating gas 5 建立了一座8m3的氧气高炉，进行了国内第一次 氧气高炉工业实验.实验分三个阶段，在三个阶段 Circulating gas 中C0利用率分别为18.8%、22.3%和25.9%2四实 Slag, 02 Coal powder 验证明，氧气高炉可以实现大量喷煤，吨铁喷煤 molten iron 量最高可达到450kg.炉身喷吹预热的焦炉煤气 1-Blast furnace;2-Dust removal system;3-Pressurizing 以后，焦比和煤比大幅度下降，可以降低燃料消 device;4-Removal of CO,;5-Gas heating 耗.根据理论计算，炉身风口喷吹脱除CO2后的炉 图1FOBF氧气高炉工艺流程 顶煤气，可进一步提高间接还原度，燃料比大幅 Fig.1 FOBF oxygen blast furnace process flow 降低30-习 Top gas 2 Output gas 1.2.4前苏联RPA公司1033m3高炉氧气散风炼 Coke, iron ore 铁生产实践 0)3 h九Ist 前苏联RPA公司于1985~1990年间，在 Toulachermet工厂2号高炉（炉容1033m3)上开展 Circulating gas 了长时间的氧气鼓风喷吹热还原性气体的炼铁工 业实验.在1988年长达74d的实验期内，焦比降 低28.5%，最低可达每吨铁360~367kg,生产率提 高27.3%，日产铁最高达到1770吨.实验期鼓风氧 含量最高达到93%，氧耗为每吨铁251m3(标况)， 直接还原度由基准期的0.437降低到实验期的 Slag. O2 Coal Flux molten iron powder 0.08~0.19.在当时的生产条件下，实验无疑是取 1-Blast furnace;2-Dust removal system;3-Pressurizing device 得了成功，为氧气高炉操作提供了经验，也为今后 图2OCF氧气高炉工艺流程 氧气高炉技术的开发应用建立了信心 Fig.2 OCF oxygen blast fumace process flow

1.2    实验性氧气高炉与氧气鼓风高炉炼铁工业实践 1.2.1    日本 NKK 公司 3.9 m3 实验性氧气高炉 日本 NKK 公司于 1987 年在 3.9 m3 实验高炉上 完成氧气高炉炼铁实验. 结果表明：喷煤量最高可 达每吨铁 320 kg（0.84 kg·m−3 O2（标况）），氧耗为每 吨铁 357 m3 （标况），理论燃烧温度 2839 ℃. 生铁日 产量由 9.9 t 提高到 20.0 t，利用系数达到 5.1 t·m−3·d−1 ， 每吨铁燃料比为 647 kg，高炉实现稳定生产，证明 了氧气鼓风高炉炼铁工艺在技术上完全可行[13, 24] . 1.2.2    瑞典 LKAB 公司 9 m3 实验性氧气高炉 2004 年，欧盟制定并实施了“超低 CO2 炼钢” 项目（ULCOS 计划），该项目中高炉炉顶煤气循环− 氧气高炉 （ TGR−OBF）是重点开发的工艺之一 . 2007 年，ULCOS 项目组在瑞典 LKAB 的 9 m3 实验 高炉进行了实验. 在炉缸和炉身同时喷吹加热循 环煤气条件下，燃料比从基准期的每吨铁 530 kg 降 低 到 400  kg，碳输入从每吨 铁 470  kg 降低到 350 kg. 实验结果显示每喷吹 100 m3 CO+H2 气体 可以降低燃料比每吨铁 17 kg，炉顶煤气循环率达 到 90% 时，可以节碳 24%，结合碳捕集与封存（CCS） 技术，CO2 排放最高可减少 76% [25−28] . 1.2.3    中国五矿营钢 8 m3 实验性氧气高炉 2009 年，北京钢铁研究总院与五矿营钢合作 建立了一座 8 m3 的氧气高炉，进行了国内第一次 氧气高炉工业实验. 实验分三个阶段，在三个阶段 中 CO 利用率分别为 18.8%、22.3% 和 25.9% [29] . 实 验证明，氧气高炉可以实现大量喷煤，吨铁喷煤 量最高可达到 450 kg. 炉身喷吹预热的焦炉煤气 以后，焦比和煤比大幅度下降，可以降低燃料消 耗. 根据理论计算，炉身风口喷吹脱除 CO2 后的炉 顶煤气，可进一步提高间接还原度，燃料比大幅 降低[30−32] . 1.2.4    前苏联 RPA 公司 1033 m 3 高炉氧气鼓风炼 铁生产实践 前 苏 联 RPA 公 司 于 1985～ 1990 年 间 ， 在 Toulachermet 工厂 2 号高炉（炉容 1033 m 3 ）上开展 了长时间的氧气鼓风喷吹热还原性气体的炼铁工 业实验. 在 1988 年长达 74 d 的实验期内，焦比降 低 28.5%，最低可达每吨铁 360～367 kg，生产率提 高 27.3%，日产铁最高达到 1770 吨. 实验期鼓风氧 含量最高达到 93%，氧耗为每吨铁 251 m3 （标况）， 直接还原度由基准期 的 0.437 降低到实验期 的 0.08～0.19. 在当时的生产条件下，实验无疑是取 得了成功，为氧气高炉操作提供了经验，也为今后 氧气高炉技术的开发应用建立了信心[15] . 2    氧气高炉在北京科技大学的主要研究进展 北京科技大学早于 1985 年就已着手开展氧气 高炉研究，研究范围涉及流程研究、炉内反应研 究、全炉数值模拟研究、全流程碳素流变化及系 统节能减排研究，并开展了相应的工程技术开发. 2.1    流程研究 流程确定与解析是氧气高炉研究最为重要的基 础工作，北京科技大学针对氧气高炉流程的研究工 作最早可以追溯到 20 世纪 80 年代. 秦民生教授于 1985 年提出了 FOBF 流程[20,33] ，如图 1 所示，该流程 通过炉缸及炉身同时喷吹炉顶煤气等技术措施解决 “上凉”和“下热”问题. 1994 年，高征铠教授及其团 队提出 OCF 氧气高炉工艺[23, 34−35] ，如图 2 所示，采用 炉缸喷吹循环煤气解决“下热”问题. 两种工艺为后 续科研工作者在氧气高炉工艺研究上指出了方向. Top gas 2 Coke, iron ore Dust Preheating gas Circulating gas O2 Coal powder Slag, molten iron 3 4 5 3 Output gas CO2 1 1—Blast furnace; 2—Dust removal system; 3—Pressurizing device; 4—Removal of CO2 ; 5—Gas heating 图 1    FOBF 氧气高炉工艺流程 Fig.1    FOBF oxygen blast furnace process flow O2 Slag, molten iron Coal powder Flux 1—Blast furnace; 2—Dust removal system; 3—Pressurizing device 1 Dust 3 Circulating gas Top gas Output gas 2 Coke, iron ore 图 2    OCF 氧气高炉工艺流程 Fig.2    OCF oxygen blast furnace process flow 薛庆国等： 氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 · 1581 ·

1582 工程科学学报，第43卷，第12期 秦民生等I建立了FOBF工艺高炉炼铁过程 率和低的燃料消耗.但有一点需要特别注意，由于 综合数学模型，全面解析了FOBF工艺的运行状 含铁炉料的还原速度大幅度提高，容易导致炉料 态.文献[36)]建立了氧气高炉能量转化模型，对氧 低温还原粉化的加剧5，在今后的氧气高炉操作 气高炉炉顶煤气热值、外供煤气量、喷煤量的影 中需要采取相应措施以减轻还原粉化所造成的负 响因素进行了模拟计算.此后，Zhang等B叨、韩毅 面影响， 华等B8-判、陈永星【oI以FOBF、OCF工艺为基础， 2.2.2含铁炉料的软熔 根据炉顶煤气是否脱除CO2、是否预热、采用一排 炉料软熔行为因是影响高炉操作的重要因素 还是两排风口喷吹为研究变量，对氧气高炉流程 而备受关注.软熔带的位置、形状和厚度对高炉 进行了系统对比研究.结果发现，采用炉缸和炉身 运行有着显著影响，它决定了高炉内还原介质和 两排风口喷吹加热到900℃的脱除CO,的炉顶煤 热量的分布状况.而氧气高炉条件下软熔带可能 气是较为优化的工艺方案.相比传统高炉，单排风 会变薄甚至消失.An等s发现氧气高炉条件下矿 口和两排风口喷吹循环煤气工艺的CO,排放量分 石开始软熔温度显著增加，软熔温度区间减小及 别达到45.91%和49.02%，燃料比降低22.9%，并且 软熔带气流阻损系数减小，因此软熔带将变得越 明确了增加循环煤气量，提高循环煤气温度有利 来越低，越来越薄甚至消失，因而氧气高炉料柱的 于降低高炉燃料比，减少CO2排放.韩毅华还 透气性得到了明显提高.Zhang等s通过模拟传 对包括FOBF在内的几种典型氧气高炉工艺进行 统高炉和氧气高炉条件下的高温反应实验，研究 了总结，发现典型流程均采用从外部向炉身补充 了烧结矿、球团矿及混合炉料的软化和熔融行为. 煤气和热量的方式解决“上凉”，FOBF、OCF和 结果表明，与传统高炉相比，氧气高炉中烧结矿和 NKK流程则采用化学反应吸热的方式解决“下 球团的软化区变宽，而熔化区变窄.烧结矿和球团 热”的问题，而W-KLu和Fik流程采用物理吸热 的透气性均得到改善，混合炉料的软化区间温度 解决“下热”难题.几种工艺中FOBF工艺流程的 扩大了63K,而熔融区的温度收窄了76K,炉料的 间接还原度最高，焦比最低，燃料比最低.因此，包 透气性得到了显着提高 括TGR-OBF等后续进一步深入研究并进人工程 潘玉柱5网研究了氧气高炉气氛下的不同预还 技术开发的流程基本依据FOBF流程变化而来 原度含铁炉料的软熔行为，获得了软化开始温度 2.2炉内反应研究 T10%(样品收缩10%时的温度)、软化结束温度即 2.2.1高还原势条件下含铁炉料的还原 熔融开始温度Tm、滴落温度Ta、最大压差△Pmax 炉顶煤气循环氧气高炉工艺的明显特征是煤 和熔滴性能特征值S等指标，结果如图3所示.与 气中的CO、H2分压加大，煤气还原势提高.高还 传统高炉对比，氧气高炉气氛下炉料的软化区间 原势煤气条件下的含铁炉料的还原反应与交互作 变宽，熔融区间变窄，软熔带的厚度变窄且位置下 用及其对高炉操作过程影响始终是研究的重点. 移，有利于炉料透气性的提高.在此基础上建立了 以Zhang等、Lan等2和Han等1为代表 软熔带区域模型，对不同工况条件下的软熔带压 的研究者发现，与传统高炉相比，氧气高炉条件下 差及煤气流分布进行解析. 含铁炉料的开始还原温度降低，还原速度加快，间 22.3回旋区内煤粉燃烧 接还原度提高.Zhang等I进行了TGR-OBF条件 回旋区内的煤粉燃烧状态是影响燃烬率、炉 下的含铁炉料还原研究，结果表明氧气高炉炉腹 缸热状态及初渣流动的重要因素.为此，学者们针 煤气明显提高了炉身炉料的还原程度，铁矿石还 对不同燃烧条件下的煤粉燃烧及燃烬率提高措施 原度可达到90%以上，炉料在高炉中的停留时间 开展了大量研究 缩短，生产率提高.Lan等]和Han等1发现在 Chai等s阿通过自主搭建设备获得了氧气高炉 氧气高炉气氛下，烧结矿的还原度和还原速度显 条件下喷吹煤粉燃烧速率，并通过数学推导建立 著提高，在900℃下还原117min时还原度(RI)达 了喷吹煤比与氧碳比的关系（图4）.实验结果表 到98.2%，而传统高炉气氛中还原180min时， 明，随着氧碳比的增加，燃烧条件变好，煤粉的燃 RI仅为88.3%.多位研究者从不同角度对氧气高 烬率增加.在研究的四种煤粉中，C煤的可燃性最 炉条件下的炉料变化进行了系统研究“0，取得 好，当喷煤量为每吨铁350kg时，燃烬率达到79%. 的研究成果均表明氧气高炉含铁炉料还原速度加 Li等5使用微流化床动力学分析仪(MFBKA)研 快，还原度提高，有利于氧气高炉获得高的生产效 究了两相流中粉煤燃烧的动力学特性，发现表观

秦民生等[33] 建立了 FOBF 工艺高炉炼铁过程 综合数学模型，全面解析了 FOBF 工艺的运行状 态. 文献 [36] 建立了氧气高炉能量转化模型，对氧 气高炉炉顶煤气热值、外供煤气量、喷煤量的影 响因素进行了模拟计算. 此后，Zhang 等[37]、韩毅 华等[38−39]、陈永星[40] 以 FOBF、OCF 工艺为基础， 根据炉顶煤气是否脱除 CO2、是否预热、采用一排 还是两排风口喷吹为研究变量，对氧气高炉流程 进行了系统对比研究. 结果发现，采用炉缸和炉身 两排风口喷吹加热到 900 ℃ 的脱除 CO2 的炉顶煤 气是较为优化的工艺方案. 相比传统高炉，单排风 口和两排风口喷吹循环煤气工艺的 CO2 排放量分 别达到 45.91% 和 49.02%，燃料比降低 22.9%，并且 明确了增加循环煤气量，提高循环煤气温度有利 于降低高炉燃料比，减少 CO2 排放. 韩毅华[38] 还 对包括 FOBF 在内的几种典型氧气高炉工艺进行 了总结，发现典型流程均采用从外部向炉身补充 煤气和热量的方式解决“上凉” ， FOBF、 OCF 和 NKK 流程则采用化学反应吸热的方式解决“下 热”的问题，而 W-K Lu 和 Fink 流程采用物理吸热 解决“下热”难题. 几种工艺中 FOBF 工艺流程的 间接还原度最高，焦比最低，燃料比最低. 因此，包 括 TGR−OBF 等后续进一步深入研究并进入工程 技术开发的流程基本依据 FOBF 流程变化而来. 2.2    炉内反应研究 2.2.1    高还原势条件下含铁炉料的还原 炉顶煤气循环氧气高炉工艺的明显特征是煤 气中的 CO、H2 分压加大，煤气还原势提高. 高还 原势煤气条件下的含铁炉料的还原反应与交互作 用及其对高炉操作过程影响始终是研究的重点. 以 Zhang 等[41]、Lan 等[42] 和 Han 等 [43] 为代表 的研究者发现，与传统高炉相比，氧气高炉条件下 含铁炉料的开始还原温度降低，还原速度加快，间 接还原度提高. Zhang 等[41] 进行了 TGR−OBF 条件 下的含铁炉料还原研究，结果表明氧气高炉炉腹 煤气明显提高了炉身炉料的还原程度，铁矿石还 原度可达到 90% 以上，炉料在高炉中的停留时间 缩短，生产率提高. Lan 等[42] 和 Han 等 [43] 发现在 氧气高炉气氛下，烧结矿的还原度和还原速度显 著提高，在 900 ℃ 下还原 117 min 时还原度（RI）达 到 98.2%，而传统高炉气氛中还 原 180  min 时 ， RI 仅为 88.3%. 多位研究者从不同角度对氧气高 炉条件下的炉料变化进行了系统研究[44−50] ，取得 的研究成果均表明氧气高炉含铁炉料还原速度加 快，还原度提高，有利于氧气高炉获得高的生产效 率和低的燃料消耗. 但有一点需要特别注意，由于 含铁炉料的还原速度大幅度提高，容易导致炉料 低温还原粉化的加剧[51] ，在今后的氧气高炉操作 中需要采取相应措施以减轻还原粉化所造成的负 面影响. 2.2.2    含铁炉料的软熔 炉料软熔行为因是影响高炉操作的重要因素 而备受关注. 软熔带的位置、形状和厚度对高炉 运行有着显著影响，它决定了高炉内还原介质和 热量的分布状况. 而氧气高炉条件下软熔带可能 会变薄甚至消失. An 等[52] 发现氧气高炉条件下矿 石开始软熔温度显著增加，软熔温度区间减小及 软熔带气流阻损系数减小，因此软熔带将变得越 来越低，越来越薄甚至消失，因而氧气高炉料柱的 透气性得到了明显提高. Zhang 等[53] 通过模拟传 统高炉和氧气高炉条件下的高温反应实验，研究 了烧结矿、球团矿及混合炉料的软化和熔融行为. 结果表明，与传统高炉相比，氧气高炉中烧结矿和 球团的软化区变宽，而熔化区变窄. 烧结矿和球团 的透气性均得到改善，混合炉料的软化区间温度 扩大了 63 K，而熔融区的温度收窄了 76 K，炉料的 透气性得到了显着提高. 潘玉柱[54] 研究了氧气高炉气氛下的不同预还 原度含铁炉料的软熔行为，获得了软化开始温度 T10%（样品收缩 10% 时的温度）、软化结束温度即 熔融开始温度 Tm、滴落温度 Td、最大压差 ΔPmax 和熔滴性能特征值 S 等指标，结果如图 3 所示. 与 传统高炉对比，氧气高炉气氛下炉料的软化区间 变宽，熔融区间变窄，软熔带的厚度变窄且位置下 移，有利于炉料透气性的提高. 在此基础上建立了 软熔带区域模型，对不同工况条件下的软熔带压 差及煤气流分布进行解析. 2.2.3    回旋区内煤粉燃烧 回旋区内的煤粉燃烧状态是影响燃烬率、炉 缸热状态及初渣流动的重要因素. 为此，学者们针 对不同燃烧条件下的煤粉燃烧及燃烬率提高措施 开展了大量研究. Chai 等[55] 通过自主搭建设备获得了氧气高炉 条件下喷吹煤粉燃烧速率，并通过数学推导建立 了喷吹煤比与氧碳比的关系（图 4）. 实验结果表 明，随着氧碳比的增加，燃烧条件变好，煤粉的燃 烬率增加. 在研究的四种煤粉中，C 煤的可燃性最 好，当喷煤量为每吨铁 350 kg 时，燃烬率达到 79%. Li 等[56] 使用微流化床动力学分析仪 (MFBKA) 研 究了两相流中粉煤燃烧的动力学特性，发现表观 · 1582 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期

薛庆国等：氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 1583· 1000 6000 1800 Massive zone= (b 1113℃E E1096℃ 700 1100 1114℃ △Paa 5000 一一S 168- 600 1200 of th h 4000 500 1300 1309℃ 1327℃ 3000 1400 Melting zone of the 14119 cohesive zone 1449℃ 200 2000 1450℃ 1473℃ 100 1500 Dropping zone 1489℃ 1497℃ 1000 0 50 60 70 80 60 6570758085 Reduction degree/% Reduction degree/% 图3不同预还原度情况下含铁炉料的软熔行为.()软熔区间变化：(b)压差与特征值变化 Fig.3 Softening behavior of iron-bearing burden under various prereduction degreess (a)softening interval change;(b)pressure difference and characteristic value change 气速和氧气浓度的增加以及煤颗粒尺寸的减小对 和FezO3对烟煤和无烟煤的燃烧具有很好的催化 促进燃烧过程具有积极作用.如何提高煤粉的 作用，可以明显降低煤粉的着火温度，这对于提高 燃烬率也是人们关注的问题.Gong等s7-s发现CeO2 煤粉在回旋区内的燃烬率具有明显的促进作用 0.14 0.18 一700℃ 量-750℃★一900℃ ◆一800℃ ●-800℃◆-950℃ 0.10 ▲900℃ ▲-850℃ 0.06 一★一★ ￥0.06 0.02 0 0 0.02 0.04 0.060.080.100.120.140.16 20000 40000 60000 80000 100000 Apparent flow rate/(m's-) Oxygen partial pressure/Pa 0.14 量-750℃★-900℃ 。-800℃ ◆-950℃ 010 ▲一850℃ 0.08 0 0 50100150200250300350400 Apparent particle diameter/um 图4不同条件和温度下煤粉燃烧变化5 Fig.4 Changes in pulverized coal combustion under various conditions and temperatureslssl Wang等s网研究了氧气高炉条件下喷吹粉煤 条件下的煤粉完全燃烧提出了更高的要求 对初渣流动行为的影响，发现未燃煤粉量的增加 2.2.4焦炭溶损反应 导致炉渣滞留量显著增加.刘迎立60也发现未燃 氧气高炉条件下由于焦比降低以及煤气条件 煤粉会使炉渣流动性急剧恶化，这就对氧气高炉 发生改变，焦炭在炉内所起到的骨架作用就显得

气速和氧气浓度的增加以及煤颗粒尺寸的减小对 促进燃烧过程具有积极作用. 如何提高煤粉的 燃烬率也是人们关注的问题. Gong 等[57−58] 发现 CeO2 和 Fe2O3 对烟煤和无烟煤的燃烧具有很好的催化 作用，可以明显降低煤粉的着火温度，这对于提高 煤粉在回旋区内的燃烬率具有明显的促进作用. 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 Apparent flow rate/(m·s−1) Oxygen partial pressure/Pa 20000 40000 60000 80000 100000 Comprehensive rate constant Comprehensive rate constant Comprehensive rate constant 0.02 0.04 0.06 150 200 250 300 350 400 Apparent particle diameter/μm 0 50 100 0 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0.12 0.18 0.15 0.09 0.06 0.03 0 700 ℃ 800 ℃ 900 ℃ 750 ℃ 800 ℃ 900 ℃ 950 ℃ 850 ℃ 750 ℃ 800 ℃ 900 ℃ 950 ℃ 850 ℃ 图 4    不同条件和温度下煤粉燃烧变化[55] Fig.4    Changes in pulverized coal combustion under various conditions and temperatures[55] Wang 等[59] 研究了氧气高炉条件下喷吹粉煤 对初渣流动行为的影响，发现未燃煤粉量的增加 导致炉渣滞留量显著增加. 刘迎立[60] 也发现未燃 煤粉会使炉渣流动性急剧恶化，这就对氧气高炉 条件下的煤粉完全燃烧提出了更高的要求. 2.2.4    焦炭溶损反应 氧气高炉条件下由于焦比降低以及煤气条件 发生改变，焦炭在炉内所起到的骨架作用就显得 (a) (b) 1000 1100 1200 Temperature/ ℃ Δ Pmax/Pa ΔPmax S S/(kPa· ℃) 1300 1400 1500 Reduction degree/% Reduction degree/% 50 60 70 80 60 65 70 75 80 85 90 6000 5000 4000 3000 2000 800 700 600 500 100 200 300 400 1000 0 Massive zone 1113 ℃ 1096 ℃ 1114 ℃ 1168 ℃ 1327 ℃ 1411 ℃ Tm T10% Td 1449 ℃ 1489 ℃ 1497 ℃ 1473 ℃ 1450 ℃ Dropping zone 1309 ℃ Softening zone of the cohesive zone Melting zone of the cohesive zone 图 3    不同预还原度情况下含铁炉料的软熔行为[54] . （a）软熔区间变化；（b）压差与特征值变化 Fig.3     Softening  behavior  of  iron-bearing  burden  under  various  prereduction  degrees[54] :  (a)  softening  interval  change;  (b)  pressure  difference  and characteristic value change 薛庆国等： 氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 · 1583 ·

·1584 工程科学学报，第43卷，第12期 更为重要.Liu等6通过单因素实验研究了FeO 反应速率；（⑤）随CO2的增加，析碳反应速率逐渐 含量、温度和反应时间对焦炭在渣中溶解的影响， 降低，当循环煤气中CO2超过8%时析碳基本消 发现时间是影响焦炭溶解的最重要因素，其次是 失.这为氧气高炉循环煤气加热技术开发提供了 FeO含量，最后是温度.还发现在相同溶损率下， 重要基础数据 焦炭在含CO2气氛中的劣化程度比含水蒸气气氛 2.3氧气高炉模拟研究 中严重6@Zhu等6)、Sun等I6实验分析了传统高 2.3.1基于综合数学模型的节能减碳分析 炉焦炭孔隙结构的变化及高炉煤气对焦炭的影 秦民生等B利用所建立的氧气高炉综合数学 响.Guo等6s-681模拟了传统高炉、氧气高炉和喷吹 模型计算分析了不同工艺的节焦潜力，发现氧气 焦炉煤气高炉的煤气条件，研究了焦炭微观结构 高炉与传统高炉相比具有节约70%焦炭的可能， 演变及其与宏观性能关系，发现相对于传统高炉， 生产率可提高137%20,3划Jim等2-、Jiang等7建 氧气高炉条件和喷吹焦炉煤气条件下焦炭反应率 立了一维TGR-OBF综合模型，研究发现由于有效 增加、转鼓强度降低，煤气中H2O蒸汽的增加促 利用了循环煤气，不同工艺的TGR-OBF直接还原 进了焦炭中小孔的生成，能够起到保护焦炭气孔 度降低55.2%~79.2%，能耗可减少5%~30%.C02 壁结构的作用，一定程度上抑制焦炭的粉化69，此 净排放量可减少约35%，从而进一步证明氧气高 类研究为将来氧气高炉炼铁生产过程中制定焦炭 炉具有高还原效率、低能耗、低CO,排放等优势 的适用性条件提供了重要理论依据 2.3.2回旋区及氧-煤-煤气复合喷吹模拟 2.2.5循环煤气加热过程中的析碳 Jiang等、Zhou等s-、吴俊明等m研究人 脱除CO2后的循环煤气在加热或输送过程中， 员分别建立了氧气高炉条件下的氧煤枪、直吹管、 由于CO和H2的浓度较高会发生析碳反应，从而 风口、回旋区、焦炭床的三维数学模型，研究了氧 阻塞输送管道，损坏加热设备.因此，Lu等心川 气高炉下部的温度场、浓度场及煤粉的流动和燃 利用自主搭建的实验设备，研究了CO、COH2、CO/ 烧特性.Jiang等两发现在高氧气浓度下进行大量 COH2混合气在加热过程中的析碳行为，结果表 的粉煤喷吹和循环煤气喷吹是可行的，喷煤速率 明：(1)纯CO条件下析碳非常少；(2)CO和H2混 是影响煤粉燃烧效果的重要参数.Zhou等s-发 合气体加热过程中，随着温度的升高，析碳量增 现FOBF条件下煤粉燃烬率比传统高炉增加了 多，析碳反应速率加快；(3)CO和H2按照体积比 16.25%(如图5所示).氧煤双枪结构可以避免常 为1：1、1：2、2：1的比例混合加热过程中，析碳 温氧气对煤粉颗粒扩散的束缚作用，并减弱了常 最严重的情况发生在VCO):H=1:2时，随着 温氧气的冷却作用，使煤粉燃烬率大幅提高.在对 H2含量的增加，析出碳的质量增多，表明H2可以 侧型氧煤双枪结构下，氧气流可进入低燃烬率区 促进析碳反应：(4)在循环煤气加热过程中，当温 域，使煤粉燃烬率提高13.05%.吴俊明等m发现， 度低于500℃时，温度的升高可以加快析碳反应 与传统高炉相比氧气高炉回旋区温度显著升高， 速率，高于500℃时，温度的升高反而会降低析碳 高温区扩大，最高温度可以达到4170K,比传统高 90 90 400 ☑Bumout,.% ----Burnout of TBF Increment, 16.25 80 -Burnout of OBF 350 70 70 -·◆.ncrease rate of TBF -Increase rate of OBF 300 TBF71.78% 香海 200 40 40 。 30 30 150 20 20 100 10 10 50 (b) 0 8了 TBF OBF 0.1 0250片006o708098 Type of blast fumace Distance from the lance tip/m 图5传统高炉(TBF)与氧气高炉(OBF)煤粉燃烬率变化网(a)不同高炉种类煤粉燃尽率对比：(b)不同类型氧煤枪下煤粉燃尽变化 Fig.5 Changes in the pulverized coal burning rate for a traditional blast furnace (TBF)and an oxygen blast fumace(OBF)(a)comparison of pulverized coal bumnout rate between TBF and OBF;(b)changes of pulverized coal burnout under different types of oxygen coal lances

更为重要. Liu 等[61] 通过单因素实验研究了 FeO 含量、温度和反应时间对焦炭在渣中溶解的影响， 发现时间是影响焦炭溶解的最重要因素，其次是 FeO 含量，最后是温度. 还发现在相同溶损率下， 焦炭在含 CO2 气氛中的劣化程度比含水蒸气气氛 中严重[62] . Zhu 等[63]、Sun 等[64] 实验分析了传统高 炉焦炭孔隙结构的变化及高炉煤气对焦炭的影 响. Guo 等[65−68] 模拟了传统高炉、氧气高炉和喷吹 焦炉煤气高炉的煤气条件，研究了焦炭微观结构 演变及其与宏观性能关系，发现相对于传统高炉， 氧气高炉条件和喷吹焦炉煤气条件下焦炭反应率 增加、转鼓强度降低，煤气中 H2O 蒸汽的增加促 进了焦炭中小孔的生成，能够起到保护焦炭气孔 壁结构的作用，一定程度上抑制焦炭的粉化[69] . 此 类研究为将来氧气高炉炼铁生产过程中制定焦炭 的适用性条件提供了重要理论依据. 2.2.5    循环煤气加热过程中的析碳 脱除 CO2 后的循环煤气在加热或输送过程中， 由于 CO 和 H2 的浓度较高会发生析碳反应，从而 阻塞输送管道，损坏加热设备. 因此，Liu 等[70- 71] 利用自主搭建的实验设备，研究了 CO、CO/H2、CO/ CO2 /H2 混合气在加热过程中的析碳行为，结果表 明 ：(1) 纯 CO 条件下析碳非常少；(2) CO 和 H2 混 合气体加热过程中，随着温度的升高，析碳量增 多，析碳反应速率加快；(3) CO 和 H2 按照体积比 为 1∶1、1∶2、2∶1 的比例混合加热过程中，析碳 最严重的情况发生在 V(CO):V(H2 )=1∶2 时，随着 H2 含量的增加，析出碳的质量增多，表明 H2 可以 促进析碳反应；(4) 在循环煤气加热过程中，当温 度低于 500 ℃ 时，温度的升高可以加快析碳反应 速率，高于 500 ℃ 时，温度的升高反而会降低析碳 反应速率；(5) 随 CO2 的增加，析碳反应速率逐渐 降低，当循环煤气中 CO2 超过 8% 时析碳基本消 失. 这为氧气高炉循环煤气加热技术开发提供了 重要基础数据. 2.3    氧气高炉模拟研究 2.3.1    基于综合数学模型的节能减碳分析 秦民生等[33] 利用所建立的氧气高炉综合数学 模型计算分析了不同工艺的节焦潜力，发现氧气 高炉与传统高炉相比具有节约 70% 焦炭的可能， 生产率可提高 137% [20,33] . Jin 等[72−73]、Jiang 等[74] 建 立了一维 TGR−OBF 综合模型，研究发现由于有效 利用了循环煤气，不同工艺的 TGR−OBF 直接还原 度降低 55.2%～79.2%，能耗可减少 5%～30%，CO2 净排放量可减少约 35%，从而进一步证明氧气高 炉具有高还原效率、低能耗、低 CO2 排放等优势. 2.3.2    回旋区及氧−煤−煤气复合喷吹模拟 Jiang 等[74]、Zhou 等[75−76]、吴俊明等[77] 研究人 员分别建立了氧气高炉条件下的氧煤枪、直吹管、 风口、回旋区、焦炭床的三维数学模型，研究了氧 气高炉下部的温度场、浓度场及煤粉的流动和燃 烧特性. Jiang 等[74] 发现在高氧气浓度下进行大量 的粉煤喷吹和循环煤气喷吹是可行的，喷煤速率 是影响煤粉燃烧效果的重要参数. Zhou 等[75−76] 发 现 FOBF 条件下煤粉燃烬率比传统高炉增加了 16.25%（如图 5 所示）. 氧煤双枪结构可以避免常 温氧气对煤粉颗粒扩散的束缚作用，并减弱了常 温氧气的冷却作用，使煤粉燃烬率大幅提高. 在对 侧型氧煤双枪结构下，氧气流可进入低燃烬率区 域，使煤粉燃烬率提高 13.05%. 吴俊明等[77] 发现， 与传统高炉相比氧气高炉回旋区温度显著升高， 高温区扩大，最高温度可以达到 4170 K，比传统高 90 80 70 60 50 Burnout/ % Burnout/ % Increase rate of burnout/( %·m−1 ) 40 30 20 10 0 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Type of blast furnace Distance from the lance tip/m TBF OBF 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 400 350 300 250 200 150 100 50 0 TBF 71.78% 16.25 (a) (b) Burnout of TBF Burnout of OBF Increase rate of OBF Increase rate of TBF Burnout, % Increment, % 图 5    传统高炉（TBF）与氧气高炉（OBF）煤粉燃烬率变化[75] . （a）不同高炉种类煤粉燃尽率对比；（b）不同类型氧煤枪下煤粉燃尽变化 Fig.5     Changes  in  the  pulverized  coal  burning  rate  for  a  traditional  blast  furnace  (TBF)  and  an  oxygen  blast  furnace  (OBF) [75] :  (a)  comparison  of pulverized coal burnout rate between TBF and OBF; (b) changes of pulverized coal burnout under different types of oxygen coal lances · 1584 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期

薛庆国等：氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 1585· 炉高出1500K,煤粉燃烬率提高10%以上，回旋区 (RGI-2),与富氧热风快速发生燃烧反应，有效地 中的CO2含量和焦炭床中的C0含量也显著增加. 提高了回旋区内的气相温度，同时避免了RGI- Peng等还研究了超高富氧鼓风条件下， 1情况下循环煤气中心气流对煤粉的冷却作用 不同循环煤气喷吹结构对回旋区内温度分布及 RGI-2循环煤气量越大，回旋区内的气相温度就 煤粉燃烬率的影响.研究设置两种喷吹结构，分 越高.在RGI-2条件下煤粉的早期加热过程与传 别是煤气喷吹入直吹管(RG1-I)和喷吹进入回旋 统高炉中观察到的相似，煤粉流外部颗粒的温度 区内(RGI-2).图6显示的是鼓风中氧体积分数 明显高于中心的温度，这对提高煤粉燃烬率非常 为30%~50%条件下循环煤气直接喷入回旋区 有利 (a) Temperature/K (b) Temperature/K 不38 光 TBE 0000 00000 Coal lance exit 30%MOBF-RGI-2 0000 40%MOBF-RGI-2 0000 50%MOBF-RGI-2 0000 图6不同鼓风氧含量条件下循环煤气喷人回旋区的温度分布(MOBF-RGI-2)网()回旋区内的气体温度分布：(b)煤粉颗粒温度变化轨迹 Fig.6 Temperature distribution in a raceway with recycling gas injection under various blast oxygen content conditions(MOBF-RGI-2):(a)gas temperature distribution from the coal lance exit to the raceway outlet,(b)trajectory of pulverized coal particles 2.3.3全炉模拟 气鼓风动能不足可以起到很好的修正作用，并且， Zhang等，90、Liu等通过建立一维到三 仅在炉身风口出口附近观察到炉身喷吹的循环煤 维数学模型对氧气高炉进行全炉模拟研究.通过 气对炉缸上升煤气的影响.刘锦周四的研究同样 模拟研究可以系统分析氧气高炉炉内的温度场、 证实了这一观点，并且证明了炉身煤气是通过占 煤气流分布等无法直接获得的重要特征，从而对 位作用影响炉内煤气流场的分布.同时，还利用三 深刻理解氧气高炉运行规律发挥了重要作用.Zhang 维冷态物理模型研究了焦炭与含铁炉料交替层之 等通过模拟研究发现，较高的循环煤气温度以 间的界面阻力及其对总压降的影响，并且引入了 及较高的炉缸与炉身之间的循环煤气分配比可以 一个新的孔喉方程来预测高炉透气性.结果发现 显著促进铁矿石的还原，缩小热储备区的范围，有 炉身总压降和界面压降随着流速和界面数的增 利于高炉的高效运行（图7）.Zhang等9s0发现降 加而增加，透气性变差.此外，金鹏建立了基于 低炉身风口位置，提高循环煤气温度，提高炉缸炉 Navier-Stokes方程的黏性流模型，以研究高炉煤气 身循环煤气分配比，可提高炉内给定位置的还原度 中固相流的运动规律，并构造了三维实验装置以 Dong等I2-采用物理模型实验和DEM-CFD 观察炉料下降行为.研究发现如果上部风口高于 耦合数学模型相结合的方法，对氧气高炉内气-固 炉腹顶部，则其位置将影响固体料流的运动与分 两相流以及影响炉身喷吹煤气分布特征的因素进 布，须将气体速度限制在适当的范围以保持固体 行了研究.图8所示为不同风口配置形式以及煤 料流平稳下降 气流量与分配等因素对炉内固体炉料运动以及炉 3氧气高炉节碳潜力与碳素流分析 身喷吹循环煤气渗透(SG)的影响.研究发现在氧 气高炉条件下，采用中心加焦的装料制度，边缘固 与传统高炉相比，氧气高炉具有生产率高、喷 相体积分数大于炉身中心的固相体积分数，有利 煤量大、焦比低，煤气热值较高等优点，但其不同 于炉缸煤气向中心发展，这对于氧气高炉炉缸煤 工艺条件的节能减排效果如何，需要进一步分析

炉高出 1500 K，煤粉燃烬率提高 10% 以上，回旋区 中的 CO2 含量和焦炭床中的 CO 含量也显著增加. Peng 等 [78] 还研究了超高富氧鼓风条件下 ， 不同循环煤气喷吹结构对回旋区内温度分布及 煤粉燃烬率的影响. 研究设置两种喷吹结构，分 别是煤气喷吹入直吹管（RGI-1）和喷吹进入回旋 区内（RGI-2）. 图 6 显示的是鼓风中氧体积分数 为 30%～50% 条件下循环煤气直接喷入回旋区 （RGI-2），与富氧热风快速发生燃烧反应，有效地 提高了回旋区内的气相温度，同时避免了 RGI- 1 情况下循环煤气中心气流对煤粉的冷却作用. RGI-2 循环煤气量越大，回旋区内的气相温度就 越高. 在 RGI-2 条件下煤粉的早期加热过程与传 统高炉中观察到的相似，煤粉流外部颗粒的温度 明显高于中心的温度，这对提高煤粉燃烬率非常 有利. (a) Temperature/K (b) Temperature/K TBF 30% MOBF-RGI-2 Coal lance exit 40% MOBF-RGI-2 50% MOBF-RGI-2 298 533 767 1002 1237 1471 1706 1941 2175 2410 2645 2879 3114 3349 3584 3818 360 555 750 946 1141 1336 1531 1726 1922 2117 2312 2507 2702 2898 3093 3288 图 6    不同鼓风氧含量条件下循环煤气喷入回旋区的温度分布（MOBF-RGI-2） [78] . （a）回旋区内的气体温度分布；（b）煤粉颗粒温度变化轨迹 Fig.6     Temperature  distribution  in  a  raceway  with  recycling  gas  injection  under  various  blast  oxygen  content  conditions  (MOBF-RGI-2) [78] :  (a)  gas temperature distribution from the coal lance exit to the raceway outlet; (b) trajectory of pulverized coal particles 2.3.3    全炉模拟 Zhang 等[41, 79−80]、Liu 等[81] 通过建立一维到三 维数学模型对氧气高炉进行全炉模拟研究. 通过 模拟研究可以系统分析氧气高炉炉内的温度场、 煤气流分布等无法直接获得的重要特征，从而对 深刻理解氧气高炉运行规律发挥了重要作用. Zhang 等[41] 通过模拟研究发现，较高的循环煤气温度以 及较高的炉缸与炉身之间的循环煤气分配比可以 显著促进铁矿石的还原，缩小热储备区的范围，有 利于高炉的高效运行（图 7）. Zhang 等[79−80] 发现降 低炉身风口位置，提高循环煤气温度，提高炉缸炉 身循环煤气分配比，可提高炉内给定位置的还原度. Dong 等[82−84] 采用物理模型实验和 DEM−CFD 耦合数学模型相结合的方法，对氧气高炉内气−固 两相流以及影响炉身喷吹煤气分布特征的因素进 行了研究. 图 8 所示为不同风口配置形式以及煤 气流量与分配等因素对炉内固体炉料运动以及炉 身喷吹循环煤气渗透（SIG）的影响. 研究发现在氧 气高炉条件下，采用中心加焦的装料制度，边缘固 相体积分数大于炉身中心的固相体积分数，有利 于炉缸煤气向中心发展，这对于氧气高炉炉缸煤 气鼓风动能不足可以起到很好的修正作用. 并且， 仅在炉身风口出口附近观察到炉身喷吹的循环煤 气对炉缸上升煤气的影响. 刘锦周[71] 的研究同样 证实了这一观点，并且证明了炉身煤气是通过占 位作用影响炉内煤气流场的分布. 同时，还利用三 维冷态物理模型研究了焦炭与含铁炉料交替层之 间的界面阻力及其对总压降的影响，并且引入了 一个新的孔喉方程来预测高炉透气性. 结果发现 炉身总压降和界面压降随着流速和界面数的增 加而增加，透气性变差. 此外，金鹏[85] 建立了基于 Navier-Stokes 方程的黏性流模型，以研究高炉煤气 中固相流的运动规律，并构造了三维实验装置以 观察炉料下降行为. 研究发现如果上部风口高于 炉腹顶部，则其位置将影响固体料流的运动与分 布，须将气体速度限制在适当的范围以保持固体 料流平稳下降. 3    氧气高炉节碳潜力与碳素流分析 与传统高炉相比，氧气高炉具有生产率高、喷 煤量大、焦比低，煤气热值较高等优点，但其不同 工艺条件的节能减排效果如何，需要进一步分析. 薛庆国等： 氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 · 1585 ·

.1586 工程科学学报.第43卷，第12期 Reduction degree of iron ore 0 0.2 0.4 0.60.8 1.0 (a) (b) (c) 18 Burde surface 18 16 Solid temperature 16 Reduction degree of iron ore 0.1、 14 12 All is Fe;O 0) 6 All is Fe,O 40060080010001200140016001800 0 0.050.100.150.200.25 Solid temperature/K Reduction rate/m- 图7氧气高炉的热储备区与还原度分布.()还原度等值线图：(b)沿炉膛中心高度方向的还原度和炉料温度：(c)沿炉膛中心高度方向的还原 速率 Fig.7 Distributions of the thermal reserve zone and reduction degree of the oxygen blast furnacel (a)contour map of the reduction degree;(b)solid temperature and reduction degree of iron ore;(c)reduction rate along the furace center a 可上升17.7%.如果采用C02捕集封存技术，则可 实现CO2减排55%的良好效果.She等]做了传 统高炉和氧气高炉采用富氢气体喷吹的节碳潜力 对比研究.结果表明，传统高炉的减碳潜力仅为每 Case 2 吨铁38~56kg,而氧气高炉的减碳潜力为每吨铁 (b) Gas velocity/(m's-) 138kg.富氢碳循环氧气高炉理论最低碳消耗量为 每吨铁257kg.此外，李长乐等刚采用㶲分析方法 对氧气高炉喷吹气化炉重整煤气和传统高炉炼铁 主要㶲指数进行对比分析，发现传统高炉㶲效率 为83%，而氧气高炉的㶲效率可达91%. Song等o、Jin等、张欣欣等和金鹏基 于氧气高炉系统动力学模型和实际钢厂整体流程 Case 1 Case 2 Case 3 的生产运行数据，建立了钢铁制造流程的物质流 图8炉缸上升煤气与炉身喷吹煤气的交互作用网()不同工况下 和能量流模型，重点研究氧气高炉的应用对钢铁 风口配置方式的垂直视图(1,2一炉缸风口：3,4,5一炉身风口)：(b)上 流程物质流和能量流的影响，并对氧气高炉钢铁 升气流对SIG的影响 Fig.8 Interaction between rising gas from the hearth and gas injected 流程的能耗和碳排放情况进行综合评估.通过碳 from the furnace shaf (a)vertical view of shaft tuyere configuration 素流分析，绘制出不同类型企业的能流图（图9，图 mode in different conditions (1,2-hearth tuyere;3,4,5-shaft tuyere); 中COG为焦炉煤气、BFG为高炉煤气、LDG为转 (b)impact of rising flow on SIG 炉煤气)，在此基础上计算了两种类型企业的能耗 赵艺伟等[8%基于全生命周期方法提出了一套符合 及碳排放.与传统钢铁联合企业相比，配备TGR-OBF 中国钢铁企业现状的CO2排放计算方法，并计算 的钢铁联合企业综合能耗减少了17.7%，焦炭消耗 了钢铁企业的CO2排放量.薛庆国等7基于 量减少了39.6%，直接排放的C02减少了26.2%和 FOBF工艺分别计算氧气高炉和传统高炉的炼铁 56.5%(实施CO2捕集和封存).这进一步说明TGR- 工序能耗及CO2排放量，发现氧气高炉较传统高 OBF具有节能并降低碳排放的优势，综合来看氧 炉炼铁工序能耗降低10.4%，焦比下降16%，煤比 气高炉炼铁结合CO,捕集封存技术是一种可实现

赵艺伟等[86] 基于全生命周期方法提出了一套符合 中国钢铁企业现状的 CO2 排放计算方法，并计算 了钢铁企业 的 CO2 排放量 . 薛庆国等 [87] 基 于 FOBF 工艺分别计算氧气高炉和传统高炉的炼铁 工序能耗及 CO2 排放量，发现氧气高炉较传统高 炉炼铁工序能耗降低 10.4%，焦比下降 16%，煤比 可上升 17.7%. 如果采用 CO2 捕集封存技术，则可 实现 CO2 减排 55% 的良好效果. She 等[88] 做了传 统高炉和氧气高炉采用富氢气体喷吹的节碳潜力 对比研究. 结果表明，传统高炉的减碳潜力仅为每 吨铁 38～56 kg，而氧气高炉的减碳潜力为每吨铁 138 kg. 富氢碳循环氧气高炉理论最低碳消耗量为 每吨铁 257 kg. 此外，李长乐等[89] 采用㶲分析方法 对氧气高炉喷吹气化炉重整煤气和传统高炉炼铁 主要㶲指数进行对比分析，发现传统高炉㶲效率 为 83%，而氧气高炉的㶲效率可达 91%. Song 等[90]、Jin 等[91]、张欣欣等[92] 和金鹏[85] 基 于氧气高炉系统动力学模型和实际钢厂整体流程 的生产运行数据，建立了钢铁制造流程的物质流 和能量流模型，重点研究氧气高炉的应用对钢铁 流程物质流和能量流的影响，并对氧气高炉钢铁 流程的能耗和碳排放情况进行综合评估. 通过碳 素流分析，绘制出不同类型企业的能流图（图 9，图 中 COG 为焦炉煤气、BFG 为高炉煤气、LDG 为转 炉煤气），在此基础上计算了两种类型企业的能耗 及碳排放. 与传统钢铁联合企业相比，配备 TGR−OBF 的钢铁联合企业综合能耗减少了 17.7%，焦炭消耗 量减少了 39.6%，直接排放的 CO2 减少了 26.2% 和 56.5%（实施 CO2 捕集和封存）. 这进一步说明 TGR− OBF 具有节能并降低碳排放的优势，综合来看氧 气高炉炼铁结合 CO2 捕集封存技术是一种可实现 18 16 14 12 10 Height/m 8 6 4 2 0 18 16 14 12 10 Height/m 8 6 4 2 0 Solid temperature/K Reduction rate/m−1 (a) (b) (c) 400 600 800 1000 1200 1400 0 0.2 0.4 Reduction degree of iron ore Burde surface Solid temperature Reduction degree of iron ore All is Fe3O4 All is FewO 0.6 0.8 1.0 1600 1800 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.8 0.7 0.6 0.9 图 7    氧气高炉的热储备区与还原度分布[41] . （a）还原度等值线图；（b）沿炉膛中心高度方向的还原度和炉料温度；（c）沿炉膛中心高度方向的还原 速率 Fig.7    Distributions of the thermal reserve zone and reduction degree of the oxygen blast furnace[41] : (a) contour map of the reduction degree; (b) solid temperature and reduction degree of iron ore; (c) reduction rate along the furnace center Case 1 Case 2 Case 3 Case 1 1 2 3 1 2 3 4 1 2 3 5 4 Case 2 Case 3 Gas velocity/(m·s−1) 0 1 2 3 4 5 6 7 (a) (b) 图 8    炉缸上升煤气与炉身喷吹煤气的交互作用[82] . （a）不同工况下 风口配置方式的垂直视图（1,2—炉缸风口；3,4,5—炉身风口）；（b）上 升气流对 SIG 的影响 Fig.8    Interaction between rising gas from the hearth and gas injected from the furnace shaft[82] : (a) vertical view of shaft tuyere configuration mode  in  different  conditions  (1,2—hearth  tuyere;  3,4,5—shaft  tuyere); (b) impact of rising flow on SIG · 1586 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期

薛庆国等：氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 1587 (a) Outsourced Coke:14.48 GJ Coal injection:2.75 GJ power:0.67 GJ Steam:0.39 GJ 0.G 0.94GJ 1.05GJ Electric power 0.10d 0.42GJ 0.21G0.13G 0,46G 0.32GJ 0.09G1 0.10G 0.25 GJ 0.26G 0.30G Oxygen station Coking 1.08Gd Power 1.72 GJ station 0.09GJ 0.38GU Lime Coke:9.4 GJ ealcination 020GJ 0.17G 027G Coke:1.26G 0.75G Iron:1.00 GJ 0.31Gd Sintering Iron making Steel making Steel rolling 0.25G 0.13G 035G 0.20GJ 0G257 HFG:4.42 G LDG:0.S7GJ (b) Outsourced Coke:8.74 GJ Coal injection:3.41 GJ power:2.52 GJ Stram:0.26 GJ 0.12G 0.01G 0.06 Electric power 0.23G 0.87G 0.32G A(Ctrl) 0.06GJ 0.13G 0.13Gd 0.09GJ 0.10GJ 025GH 0.82Gd Oxygn 0.49G station Coking Power 0.03Gd station 0.37G Lime Coke:5.18 GJ ealcination .61 0.20Gd Coke:1.26GJ 027G 0.75 om:1.00G 031GU Steelma Steel Sintering ronmaking rng 0.15G 013GJ 0.35GJ 0.20GJ C0G:1.55Gd 图9传统钢铁联合企业和配备TGR-OBF的钢铁联合企业的能流图.(a)传统钢铁流程的能流图：(b)配置氧气高炉钢铁流程的能流图 Fig Energy flow diagram of traditional steel complexes and steel complexes with TGR-OBFS:(a)energy flow diagram of the traditional steel process;(b)energy flow diagram of the steel process in an oxygen blast fumace CO2大量减排的高炉炼铁工艺 实验性氧气高炉点火9，这标志着我国工业规模 氧气高炉工程技术开发与应用的开始，2021年 4展望 7月已成功实现鼓风氧含量达到50%的第二阶段 基于氧气鼓风的富氢碳氢循环高炉将成为炼 目标啊.未来这座实验高炉按照富氢气体及炉顶 铁低碳化的重要发展方向.根据Tang等1分析发 煤气循环喷吹和超高富氧乃至全氧鼓风的富氢碳 现氢气在我国高炉和竖炉中的应用将会进一步增 氢循环高炉模式运行，将建设成为全球首个工业 规模全要素氧气高炉低碳炼铁技术研究开发平 加.通过富氢气体喷吹代替一部分喷煤和焦炭，将 台.氧气高炉炼铁技术的工程化与应用必将对钢 高炉煤气脱除CO2和H20后，将富C0和H2煤气 铁行业实现大规模减少CO2排放做出重要贡献. 重新喷吹进高炉实现碳和氢质能源的循环利用以 减少高炉碳素消耗，从而实现高炉炼铁低碳化 参考文献 2020年7月15日在宝武集团新疆八一钢铁，430m3 [1]Bookhart D.Strategies for carbon neutrality.Sustain:J Rec,2008

CO2 大量减排的高炉炼铁工艺. 4    展望 基于氧气鼓风的富氢碳氢循环高炉将成为炼 铁低碳化的重要发展方向. 根据 Tang 等[93] 分析发 现氢气在我国高炉和竖炉中的应用将会进一步增 加. 通过富氢气体喷吹代替一部分喷煤和焦炭，将 高炉煤气脱除 CO2 和 H2O 后，将富 CO 和 H2 煤气 重新喷吹进高炉实现碳和氢质能源的循环利用以 减少高炉碳素消耗，从而实现高炉炼铁低碳化. 2020 年 7 月 15 日在宝武集团新疆八一钢铁，430 m3 实验性氧气高炉点火[94] ，这标志着我国工业规模 氧气高炉工程技术开发与应用的开始 ， 2021 年 7 月已成功实现鼓风氧含量达到 50% 的第二阶段 目标[95] . 未来这座实验高炉按照富氢气体及炉顶 煤气循环喷吹和超高富氧乃至全氧鼓风的富氢碳 氢循环高炉模式运行，将建设成为全球首个工业 规模全要素氧气高炉低碳炼铁技术研究开发平 台. 氧气高炉炼铁技术的工程化与应用必将对钢 铁行业实现大规模减少 CO2 排放做出重要贡献. 参    考    文    献 [1] Bookhart D. Strategies for carbon neutrality. Sustain: J Rec, 2008, (a) (b) Coke: 14.48 GJ 1.05 GJ 0.10 GJ 0.21 GJ 0.13 GJ 0.09 GJ 0.46 GJ 0.10 GJ 0.32 GJ 0.25 GJ 0.42 GJ Electric power 0.30 GJ 0.14 GJ 0.94 GJ 1.08 GJ 1.72 GJ 0.09 GJ 0.38 GJ 0.20 GJ 0.75 GJ 0.31 GJ 0.03 GJ 0.25 GJ 0.82 GJ 0.32 GJ 0.10 GJ 0.87 GJ 0.37 GJ 0.20 GJ 0.75 GJ 0.31 GJ 0.26 GJ Coking Coke: 9.4 GJ Coke: 1.26 GJ Sintering Iron making Steel making Steel rolling Steam 0.13 GJ 0.35 GJ 0.27 GJ Iron: 1.00 GJ Iron: 1.00 GJ 0.25 GJ 0.20 GJ 0.17 GJ 1.49 GJ Coal injection: 2.75 GJ Coal injection: 3.41 GJ Outsourced power: 0.67 GJ Outsourced power: 2.52 GJ Stram: 0.26 GJ Steam: 0.39 GJ COG BFG LDG COG: 2.57 GJ LDG: 0.57 GJ 0.13 GJ 0.86 GJ 0.49 GJ 0.09 GJ 0.13 GJ 0.06 GJ 0.23 GJ 0.06 GJ 0.13 GJ 0.27 GJ 0.35 GJ 0.20 GJ Steam Steel rolling Steelma king Ironmaking Coke: 8.74 GJ Coke: 5.18 GJ Coke: 1.26 GJ 0.15 GJ COG BFG LDG COG: 1.55 GJ BFG: 1.29 GJ LDG: 0.69 GJ Sintering Coking BFG: 4.42 GJ Oxygen station Power station Lime ealcination Oxygen station Power station Lime ealcination 0.12 GJ 0.01 GJ Electric power 图 9    传统钢铁联合企业和配备 TGR-OBF 的钢铁联合企业的能流图[85] . （a）传统钢铁流程的能流图；（b）配置氧气高炉钢铁流程的能流图 Fig.9     Energy  flow  diagram  of  traditional  steel  complexes  and  steel  complexes  with  TGR-OBF[85] :  (a)  energy  flow  diagram  of  the  traditional  steel process; (b) energy flow diagram of the steel process in an oxygen blast furnace 薛庆国等： 氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 · 1587 ·