金鹏等：炉项煤气循环氧气高炉一维气固换热与反应动力学模型 ·503· 内外还没有用于实际生产，只有小型实验高炉，如瑞典 向分布为中心气流型，煤气成分沿径向分布不均.表4 的8m3实验高炉.本文工作是为莱钢3号高炉(125m 中对三个测点成分进行算术平均，模拟所得炉顶煤气 高炉)探讨炉顶煤气循环氧气高炉改造的可能性，并 成分与实测算术平均结果吻合很好.通过模拟结果与 根据停炉前解剖所获得的炉内数据来验证分析模型结 高炉解剖和实测数据的对比分析可知，本模型计算结 果.莱钢3号高炉的结构尺寸、运行条件和原料性质 果合理，趋势正确，能够较好地反映炉内的换热及还原 如表3所示 反应规律 表3传统高炉的运行条件 10 Table 3 Operating conditions of the conventional blast furnace 运行条件 数值 高炉有效容积/m3 124.87 6 T(计算值) 高炉有效高度/m 14.15 773K(观测值) 5 973K(观测值) 炉喉直径/m 2.7 1073K(观测值) 炉腰直径/m 3 1273K(观测值) 3.9 a1373k(观测值) 炉缸直径/m 3.2 P1573K(观值) 生产率/(td) 450 200 4006008001000.12001400160018002000 煤比/(kgt) 天 炉料温度K 焦比/(kgt1) 446 图3炉料温度的模拟结果与解剂数据的对比 Fig.3 Comparison of solid temperature between calculated results 矿比/(kgt1) 1450 and tested data 渣比/(kgt) 361 鼓风流量/(m3minl) 412 表4炉顶煤气成分模拟结果与实测数据（摩尔分数）的对比 Table 4 Comparison of top gas composition between calculated results 鼓风温度/℃ 920 and tested data % 鼓风压力/kPa 137 实测值 鼓风内富氧率/% 0.5 成分 计算值 1(中心)2（径向中部）3（壁面）平均值 鼓风湿度/% 2.0 25.67 21.28 23.49 23.4823.25 矿石粒径/mm 19.5 CO, 15.89 24.31 20.16 20.1220.06 焦炭粒径/mm 53.0 矿石孔隙率/% 25 2 分析与讨论 焦炭孔隙率/% 45 矿石形状系数 0.6 2.1氧气高炉工艺的还原效果分析 焦炭形状系数 0.72 在传统高炉(125m)结构尺寸的基础上进行了炉 顶煤气循环氧气高炉的工艺设计和数值模拟.相对于 在停炉解剖之前，高炉运行中投放大量的石墨盒， 传统高炉，炉顶煤气循环氧气高炉采用常温氧气代替 停炉后，通过分析石墨盒信息来获取炉料温度分布情 热空气，大幅增加喷煤量，减少焦炭消耗（本文选定焦 况.由于该高炉采用打水急冷方式进行停炉冷却，停 比190kgt,煤比170kgt):脱除水分后的炉顶煤 炉过程中炉料位置会下降，因此炉料所测试的等温线 气在真空变压吸附(VPSA)装置中脱除大部分(90% 根据炉料下降情况进行了相应的修正.炉料温度 左右)的C02,再利用炉顶煤气（或其他燃料）燃烧将 模拟结果与解剖实测温度的对比如图3所示.从图3 其预热到1173K,然后在上下双排风口处喷入炉内循 中可见，由于高炉本身是二维轴对称结构，因此与炉料 环利用.这样，鼓风氧气含量和鼓风量以及上、下循环 实测温度相比，一维模型的模拟结果只能表示炉料等 煤气喷吹流量成为氧气高炉工艺的主要技术参数 温线的平均高度：但结果对比显示模拟计算所得的炉 本文根据鼓风氧气含量和工艺总需氧量确定鼓风 料温度在合理范围内，并与实测温度的趋势一致.为 流量，并将下排风口处喷入的循环煤气流量设定为 了验证炉顶煤气成分，在高炉运行期间，对炉顶煤气成 300m3t以保证回旋区合适的燃烧温度，将鼓风氧气 分进行了检测.在炉顶处设置了三个测点，分别为炉 含量和上部循环煤气流量作为关键参数，来分析氧气 喉中心处、炉喉内壁、中心与内壁的中间位置.炉顶煤 高炉的铁矿石还原效果.铁元素在炉渣中的分配率为 气成分模拟结果与检测结果的对比情况见表4.该高 0.003~0.01,因此合理的铁矿石还原度应该大于 炉的解剖结果显示其软融带为倒V型，因此煤气流径 99%.氧气含量和上部循环煤气流量对风口处铁矿石金 鹏等: 炉顶煤气循环氧气高炉一维气固换热与反应动力学模型 内外还没有用于实际生产，只有小型实验高炉，如瑞典 的 8 m3 实验高炉． 本文工作是为莱钢 3 号高炉( 125 m3 高炉) 探讨炉顶煤气循环氧气高炉改造的可能性，并 根据停炉前解剖所获得的炉内数据来验证分析模型结 果． 莱钢 3 号高炉的结构尺寸、运行条件和原料性质 如表 3 所示． 表 3 传统高炉的运行条件 Table 3 Operating conditions of the conventional blast furnace 运行条件 数值 高炉有效容积/m3 124. 87 高炉有效高度/m 14. 15 炉喉直径/m 2. 7 炉腰直径/m 3. 9 炉缸直径/m 3. 2 生产率/( t·d － 1 ) 450 煤比/( kg·t － 1 ) 64 焦比/( kg·t － 1 ) 446 矿比/( kg·t － 1 ) 1450 渣比/( kg·t － 1 ) 361 鼓风流量/( m3 ·min － 1 ) 412 鼓风温度/℃ 920 鼓风压力/ kPa 137 鼓风内富氧率/% 0. 5 鼓风湿度/% 2. 0 矿石粒径/mm 19. 5 焦炭粒径/mm 53. 0 矿石孔隙率/% 25 焦炭孔隙率/% 45 矿石形状系数 0. 6 焦炭形状系数 0. 72 在停炉解剖之前，高炉运行中投放大量的石墨盒， 停炉后，通过分析石墨盒信息来获取炉料温度分布情 况． 由于该高炉采用打水急冷方式进行停炉冷却，停 炉过程中炉料位置会下降，因此炉料所测试的等温线 根据炉料下降情况进行了相应的修正［25］． 炉料温度 模拟结果与解剖实测温度的对比如图 3 所示． 从图 3 中可见，由于高炉本身是二维轴对称结构，因此与炉料 实测温度相比，一维模型的模拟结果只能表示炉料等 温线的平均高度; 但结果对比显示模拟计算所得的炉 料温度在合理范围内，并与实测温度的趋势一致． 为 了验证炉顶煤气成分，在高炉运行期间，对炉顶煤气成 分进行了检测． 在炉顶处设置了三个测点，分别为炉 喉中心处、炉喉内壁、中心与内壁的中间位置． 炉顶煤 气成分模拟结果与检测结果的对比情况见表 4． 该高 炉的解剖结果显示其软融带为倒 V 型，因此煤气流径 向分布为中心气流型，煤气成分沿径向分布不均． 表 4 中对三个测点成分进行算术平均，模拟所得炉顶煤气 成分与实测算术平均结果吻合很好． 通过模拟结果与 高炉解剖和实测数据的对比分析可知，本模型计算结 果合理，趋势正确，能够较好地反映炉内的换热及还原 反应规律． 图 3 炉料温度的模拟结果与解剖数据的对比 Fig． 3 Comparison of solid temperature between calculated results and tested data 表 4 炉顶煤气成分模拟结果与实测数据( 摩尔分数) 的对比 Table 4 Comparison of top gas composition between calculated results and tested data % 成分 实测值 1( 中心) 2( 径向中部) 3( 壁面) 平均值 计算值 CO 25. 67 21. 28 23. 49 23. 48 23. 25 CO2 15. 89 24. 31 20. 16 20. 12 20. 06 2 分析与讨论 2. 1 氧气高炉工艺的还原效果分析 在传统高炉( 125 m3 ) 结构尺寸的基础上进行了炉 顶煤气循环氧气高炉的工艺设计和数值模拟． 相对于 传统高炉，炉顶煤气循环氧气高炉采用常温氧气代替 热空气，大幅增加喷煤量，减少焦炭消耗( 本文选定焦 比 190 kg·t － 1，煤比 170 kg·t － 1 ) ; 脱除水分后的炉顶煤 气在真空变压吸附( VPSA) 装置中脱除大部分( 90% 左右) 的 CO2，再利用炉顶煤气( 或其他燃料) 燃烧将 其预热到 1173 K，然后在上下双排风口处喷入炉内循 环利用． 这样，鼓风氧气含量和鼓风量以及上、下循环 煤气喷吹流量成为氧气高炉工艺的主要技术参数． 本文根据鼓风氧气含量和工艺总需氧量确定鼓风 流量，并将下排风口处喷入的循环煤气流量设定为 300 m3 ·t － 1以保证回旋区合适的燃烧温度，将鼓风氧气 含量和上部循环煤气流量作为关键参数，来分析氧气 高炉的铁矿石还原效果． 铁元素在炉渣中的分配率为 0. 003 ～ 0. 01［26］，因此合理的铁矿石还原度应该大于 99% ． 氧气含量和上部循环煤气流量对风口处铁矿石 · 305 ·