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 ·