·500* 工程科学学报，第37卷，第4期 CO,排放被广泛认为是影响全球变暖的主要原 艺.在二维多相流模型研究方面，Austin等通过二 因，降低碳耗、减少碳排放成为全球研究的主题.钢铁 维数学模型研究了多种炉顶煤气循环策略对高炉运行 工业消耗的能源以碳质资源为主，中国钢铁工业能耗 特性的影响，但没有考虑到氧气喷吹的影响.由于炉 占全国总能耗的17%0，其中炼铁工序的能耗占钢铁 顶煤气循环氧气高炉炼铁工艺在风口处采用氧气代替 流程总能耗的60%以上☒，因此降低炼铁工序的碳耗 空气，并在下部风口和炉身区分别喷入脱除部分C02 对于减少我国的C0,排放是非常重要的.经过近60多 后的循环煤气，因此氧气和循环煤气的影响是其工艺 年的技术发展，高炉炼铁系统通过提高焦炭和烧结矿 模型应该重点考虑的因素.之前的一维、二维动力学 质量，采用富氧鼓风、粉煤和天然气喷吹等方法，已经 模型在分析氧气高炉工艺时，仅把循环煤气性质作为 大大提高了运行效率，并使得碳耗由之前的1000kg· 边界条件给定，没有考虑炉外煤气分离、预热以及外供 降到486kg11园.要想进一步降低高炉炼铁的碳 的平衡计算，这样的模拟结果无法真实描述氧气高炉 耗，减少C0,排放，需要突破传统高炉工艺的束缚，发 本体运行与炉外循环煤气性质之间的相互影响， 展新的炼铁工艺 本文旨在建立高炉一维气固换热和反应动力学模 炉顶煤气循环氧气高炉是用氧气取代预热空气鼓 型，并结合氧气鼓风条件下的煤粉燃烧和炉顶煤气的 风操作，并将高炉煤气脱除C0,后返回高炉利用的炼 C0,脱除及加热过程能质平衡计算，分别研究氧气鼓 铁工艺，目前已发展出了多种工艺流程4-.2004年 风和煤气循环对炉内运行特性的影响，为进一步优化 欧盟制订并实施“超低C0,排放的钢铁生产技术”计划 炉顶煤气循环氧气高炉的关键参数提供理论依据 (ULCOS),其中炉顶煤气循环氧气高炉炼铁是其重点 开发的核心技术之一，已完成8m实验高炉原理示范， 1 数学模型 取得碳排放减少24%的效果.炉项煤气循环氧气高 1.1物理模型及基本假设 炉技术相对于传统高炉可以减少能耗15%~30%[0， 炉顶煤气循环氧气高炉炉体结构如图1所示，包 降低C0,排放25%~60%四，提高生产率1/3~2 括炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸.矿石和焦炭由炉顶 倍切，其中炉顶煤气经脱除C0,后的循环利用对该技 加入，矿石经过还原和软融最终转化为铁水和炉渣：氧 术作用显著，可以提高生产率25%，降低燃料比 气鼓风、煤粉和循环煤气由下排风口喷入，经风口回旋 209%☒ 区燃烧反应后形成一次煤气进入炉内，在炉内与固/熔 数学模型实验方法是研究高炉工艺的重要手段. 体物料发生反应后形成炉顶煤气排出.炉顶煤气循环 高炉数学模型主要有零维热化学平衡模型，一维反应 氧气高炉炼铁的主要操作特征有：(1)氧气代替传统 动力学模型和二维、三维多相流模型.在热化学平衡 的热风；(2)大量喷吹煤粉：(3)炉顶煤气经脱除C0, 模型方面，秦民生等四通过热化学模型与动力学模型 处理后喷入高炉循环利用.氧气高炉模型计算区域为 的联合求解，全面解析了全氧高炉炼铁新工艺(FBOF) 炉缸风口处至炉身料线处如图1所示.针对氧气高炉 的工作状态；高征铠和Sommerville同通过传统热化学 矿石 平衡模型对煤粉熔剂复合喷吹氧气高炉工艺(OCF)进 焦炭 炉项煤气 炉顶煤气外供 行理论研究：韩毅华等通过综合考虑高炉上部空区 热平衡、化学平衡和炉身效率，建立炉顶煤气循环氧气 料线处 炉顶煤气炉顶煤气 HO 鼓风高炉综合数学模型，研究重要工艺参数的变化规 (加热) (循环 固相 律；Danloy等u对欧盟的ULCOS高炉，设计了不同的 氧气高炉流程，并通过热平衡计算分析了不同流程的 CO脱除 1C0 工艺特点和节碳情况.零维热化学平衡模型忽略了高 1身 系统 气相 炉轴向流量、含量、压力和温度分布变化对炉内传热与 上循环 上循环 反应的影响，无法分析炉身处喷入循环煤气对全炉运 煤气处 煤气 行工况的作用 加热炉 在一维反应动力学模型研究方面，Matsuura等时 风口气相 针对NKK公司的实验氧气高炉建立了一维动力学模 燃烧区 下循环 ,烟气N 型，并对氧气高炉运行条件进行预测分析，但该模型没 煤气 有实现循环煤气系统的耦合计算，循环煤气只作为入 风口处煤粉 氧气鼓风 口条件；Yamaoka和Kamei建立了氧气高炉的一维 固相 模型，并搭建了小型实验高炉来验证模型，但该模型没 图1炉顶煤气循环氧气高炉结构示意图 有循环煤气的喷入，只研究了纯氧喷吹的氧气高炉工 Fig.I Schematie profile of the oxygen blast furnace with top gas re- eyeling工程科学学报，第 37 卷，第 4 期 CO2 排放被广泛认为是影响全球变暖的主要原 因，降低碳耗、减少碳排放成为全球研究的主题． 钢铁 工业消耗的能源以碳质资源为主，中国钢铁工业能耗 占全国总能耗的 17%［1］，其中炼铁工序的能耗占钢铁 流程总能耗的 60% 以上［2］，因此降低炼铁工序的碳耗 对于减少我国的 CO2排放是非常重要的． 经过近60 多 年的技术发展，高炉炼铁系统通过提高焦炭和烧结矿 质量，采用富氧鼓风、粉煤和天然气喷吹等方法，已经 大大提高了运行效率，并使得碳耗由之前的 1000 kg· t － 1降到 486 kg·t － 1［3］． 要想进一步降低高炉炼铁的碳 耗，减少 CO2排放，需要突破传统高炉工艺的束缚，发 展新的炼铁工艺． 炉顶煤气循环氧气高炉是用氧气取代预热空气鼓 风操作，并将高炉煤气脱除 CO2后返回高炉利用的炼 铁工艺，目前已发展出了多种工艺流程［4 － 8］． 2004 年 欧盟制订并实施“超低 CO2排放的钢铁生产技术”计划 ( ULCOS) ，其中炉顶煤气循环氧气高炉炼铁是其重点 开发的核心技术之一，已完成 8 m3 实验高炉原理示范， 取得碳排放减少 24% 的效果［9］． 炉顶煤气循环氧气高 炉技术相对于传统高炉可以减少能耗 15% ～ 30%［10］， 降低 CO2 排放 25% ～ 60%［11］，提 高 生 产 率 1 /3 ～ 2 倍［7］，其中炉顶煤气经脱除 CO2后的循环利用对该技 术作用 显 著，可 以 提 高 生 产 率 25% ，降 低 燃 料 比 20%［12］． 数学模型实验方法是研究高炉工艺的重要手段． 高炉数学模型主要有零维热化学平衡模型，一维反应 动力学模型和二维、三维多相流模型． 在热化学平衡 模型方面，秦民生等［13］通过热化学模型与动力学模型 的联合求解，全面解析了全氧高炉炼铁新工艺( FBOF) 的工作状态; 高征铠和 Sommerville［5］通过传统热化学 平衡模型对煤粉熔剂复合喷吹氧气高炉工艺( OCF) 进 行理论研究; 韩毅华等［14］通过综合考虑高炉上部空区 热平衡、化学平衡和炉身效率，建立炉顶煤气循环氧气 鼓风高炉综合数学模型，研究重要工艺参数的变化规 律; Danloy 等［11］对欧盟的 ULCOS 高炉，设计了不同的 氧气高炉流程，并通过热平衡计算分析了不同流程的 工艺特点和节碳情况． 零维热化学平衡模型忽略了高 炉轴向流量、含量、压力和温度分布变化对炉内传热与 反应的影响，无法分析炉身处喷入循环煤气对全炉运 行工况的作用． 在一维反应动力学模型研究方面，Matsuura 等［15］ 针对 NKK 公司的实验氧气高炉建立了一维动力学模 型，并对氧气高炉运行条件进行预测分析，但该模型没 有实现循环煤气系统的耦合计算，循环煤气只作为入 口条件; Yamaoka 和 Kamei［16］建立了氧气高炉的一维 模型，并搭建了小型实验高炉来验证模型，但该模型没 有循环煤气的喷入，只研究了纯氧喷吹的氧气高炉工 艺． 在二维多相流模型研究方面，Austin 等［11］通过二 维数学模型研究了多种炉顶煤气循环策略对高炉运行 特性的影响，但没有考虑到氧气喷吹的影响． 由于炉 顶煤气循环氧气高炉炼铁工艺在风口处采用氧气代替 空气，并在下部风口和炉身区分别喷入脱除部分 CO2 后的循环煤气，因此氧气和循环煤气的影响是其工艺 模型应该重点考虑的因素． 之前的一维、二维动力学 模型在分析氧气高炉工艺时，仅把循环煤气性质作为 边界条件给定，没有考虑炉外煤气分离、预热以及外供 的平衡计算，这样的模拟结果无法真实描述氧气高炉 本体运行与炉外循环煤气性质之间的相互影响． 本文旨在建立高炉一维气固换热和反应动力学模 型，并结合氧气鼓风条件下的煤粉燃烧和炉顶煤气的 CO2脱除及加热过程能质平衡计算，分别研究氧气鼓 风和煤气循环对炉内运行特性的影响，为进一步优化 炉顶煤气循环氧气高炉的关键参数提供理论依据． 1 数学模型 图 1 炉顶煤气循环氧气高炉结构示意图 Fig． 1 Schematic profile of the oxygen blast furnace with top gas re￾cycling 1. 1 物理模型及基本假设 炉顶煤气循环氧气高炉炉体结构如图 1 所示，包 括炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸． 矿石和焦炭由炉顶 加入，矿石经过还原和软融最终转化为铁水和炉渣; 氧 气鼓风、煤粉和循环煤气由下排风口喷入，经风口回旋 区燃烧反应后形成一次煤气进入炉内，在炉内与固/熔 体物料发生反应后形成炉顶煤气排出． 炉顶煤气循环 氧气高炉炼铁的主要操作特征有: ( 1) 氧气代替传统 的热风; ( 2) 大量喷吹煤粉; ( 3) 炉顶煤气经脱除 CO2 处理后喷入高炉循环利用． 氧气高炉模型计算区域为 炉缸风口处至炉身料线处如图 1 所示． 针对氧气高炉 · 005 ·