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.Physi￾calconstraintsandchemicalconstraintsofeachzonewereanalyzedindetail.Basedonmaterialbalancesandenergybalances, amulti￾zoneconstrainedmathematicalmodelwasestablishedforoxygenblastfurnaces.Theoreticalanalysisandcalculationresultsshowthat themulti-zoneconstrainedmathematicalmodelcanmakeupfordeficienciesinthewholefurnaceheatbalanceandreflecttheheatvalue inuseofdifferentzones.Thesolidchargingzoneisconstrainedbyindirectreductionandheatbalances.Withtheincreaseofmetalliza￾tionrate, 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