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 501 运行的特点，作如下简化假设：整个系统处于稳态运行 相和固相的质量、组分和能量守恒，并采用Egun方程 状态：气体和炉料运动假定为活塞流，其中炉料的体积 和气体状态方程来补充气相动量方程的功能，描述气 流量保持恒定；气体和炉料在径向具有均匀的温度和 相的压力损失，控制方程见表1. 含量分布：反应热只作用于固体，炉体散热只作用于气 1.3化学反应及熔融相变动力学 体：气体压力和速度分布由Ergun方程和气体状态方 氧气高炉一维模型考虑的主要化学反应有铁氧化 程来共同确定 物的C0间接还原、铁氧化物的H,间接还原、C的溶损 1.2控制方程 反应、C的水煤气反应、直接还原和水气变换反应，如 氧气高炉一维数学模型考虑了稳态运行下炉内气 表2所示. 表1氧气高炉一维模型的控制方程 Table 1 Control equations for the one-dimensional model of oxygen blast furnaces 固相 气相 质量方程 a(p,u,)_ 房R(-aw] 质量方程 ap,“) 2.乞R,AwD d: 台 组分方程 ap.u2.(gR） 组分方程 ap2.元R,M) 引 能量方程 a(p.u,cT.） =,a,-)+AR(-a0] 能量方程 a(pauscT) =-hsa(T.-T）-Q Ergun方程 业_150421-8月24+L75ps0-8E d 36e 6e3 理想状态方程 p=eR.Ta Ms 注：i=1~6分别代表铁氧化物的C0和H2间接还原，溶损反应、水煤气反应、直接还原和水气变换反应：j=1~5分别代表Fe203、F304、 F0、Fe和C:k=1~5分别代表C0、C02、H2、H20和N2. 表2炉内考虑的主要化学反应 r1=(rdge.N)· Table 2 Chemical reactions in the blast furnace P 序号 化学反应 反应式 (so-o)'RI 1 3Fc203+C0=2Fe304+C02 1 1000° 1 铁氧化物的C0间接还原Fe,04+C0一-3Fe0+CO2 〖1-)÷-1]2D+1-)*k1+1/K) d。 Fe0+CO=Fe+CO (1) 3fe03+H2=2fe304+H20 (2)铁氧化物的H2间接还原.Fe,0,的H,还原类 2铁氧化物的H2间接还原Fe304+H2一3F0+H20 似于Fe,0,的C0还原，其还原速度叨计算如下： Fe0+H2 =Fe+H2O R2=(mdp。V)· 3C的溶损反应 C+C02=2C0 P 4C的水煤气反应 C+H20=C0+H2 (x-x）R7 1 5直接还原 Fe0+C=Fe+CO 1-f)+-1] 1000 6水气变换反应 C0+H20-=C02+H2 ke 2D。(1-f)k(1+1/K) (2) (1)铁氧化物的C0间接还原.铁氧化物的C0 (3)C的溶损反应.C的溶损反应忽略了气膜外 还原采用单界面未反应收缩核模型，单界面模型假定 扩散的影响，其反应速度网的计算如下： 铁矿石颗粒的未反应核仅有Fe/Fe,0,一个界面，并假 ks Pco. 定反应按照矿石颗粒周围气膜内的扩散、颗粒内的扩 R-1+koPo kPcop.6. (3) 散以及界面化学反应三个步骤稳定地进行.依据铁矿 (4)C的水煤气反应.C的水煤气反应忽略了气 石的还原程度()，采用分段形式表达铁矿石还原反 膜外扩散的影响，其反应速度网的计算如下： 应进程，即∫≤0.111时还原反应阶段为Fe,0,→fe kaPuo 04,0.111≤f.<0.333时还原反应阶段为Fe0,→fe0, R:=Es M.1+kpPoo +kaPoo +hupuo (4) f≥0.333时还原反应阶段为Fe0→Fe.Fe,0,的C0还 (5)直接还原.熔融Fe0滴落到焦炭区内，会被 原速度的计算叨如下： 固态C还原，其反应速度叨计算如下：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 运行的特点，作如下简化假设: 整个系统处于稳态运行 状态; 气体和炉料运动假定为活塞流，其中炉料的体积 流量保持恒定; 气体和炉料在径向具有均匀的温度和 含量分布; 反应热只作用于固体，炉体散热只作用于气 体; 气体压力和速度分布由 Ergun 方程和气体状态方 程来共同确定． 1. 2 控制方程 氧气高炉一维数学模型考虑了稳态运行下炉内气 相和固相的质量、组分和能量守恒，并采用 Ergun 方程 和气体状态方程来补充气相动量方程的功能，描述气 相的压力损失，控制方程见表 1． 1. 3 化学反应及熔融相变动力学 氧气高炉一维模型考虑的主要化学反应有铁氧化 物的 CO 间接还原、铁氧化物的 H2间接还原、C 的溶损 反应、C 的水煤气反应、直接还原和水气变换反应，如 表 2 所示． 表 1 氧气高炉一维模型的控制方程 Table 1 Control equations for the one-dimensional model of oxygen blast furnaces 固相 气相 质量方程 ( ρsus) z = ∑ 6 i = 1 ［Ｒi ( － ΔMi ) ］ 质量方程 ( ρgug ) z = ∑ 6 i = 1 ( ＲiΔMi ) 组分方程 ( ρsus ysj) z = ∑ 6 i = 1 ( νjＲiMj) 组分方程 ( ρgug ygk ) z = ∑ 6 i = 1 ( νkＲiMk ) 能量方程 ( ρsuscsTs) z = hgsa( Tg － Ts) + ∑ 6 i = 1 ［Ｒi ( － ΔHi ) ］ 能量方程 ( ρgug cgTg ) z = － hgsa( Tg － Ts) － Qloss Ergun 方程 dP dz = 150μgS2 ( 1 － ε) 2 ug 36ε3 + 1. 75ρgS( 1 － ε) u2 g 6ε3 理想状态方程 P = ρgＲgTg Mg 注: i = 1 ～ 6 分别代表铁氧化物的 CO 和 H2间接还原、溶损反应、水煤气反应、直接还原和水气变换反应; j = 1 ～ 5 分别代表 Fe2O3、Fe3O4、 FeO、Fe 和 C; k = 1 ～ 5 分别代表 CO、CO2、H2、H2O 和 N2 ． 表 2 炉内考虑的主要化学反应 Table 2 Chemical reactions in the blast furnace 序号 化学反应 反应式 1 铁氧化物的 CO 间接还原 3Fe2O3 + CO 2Fe  3O4 + CO2 Fe3O4 + CO 3FeO + CO  2 FeO + CO Fe + CO  2 2 铁氧化物的 H2 间接还原 3Fe2O3 + H2 2Fe3O4 + H2O Fe3O4 + H2 3FeO + H2O FeO + H2 Fe + H2O 3 C 的溶损反应 C + CO2 2CO 4 C 的水煤气反应 C + H2O CO + H  2 5 直接还原 FeO + C Fe + CO  6 水气变换反应 CO + H2O CO  2 + H2 ( 1) 铁氧化物的 CO 间接还原． 铁氧化物的 CO 还原采用单界面未反应收缩核模型，单界面模型假定 铁矿石颗粒的未反应核仅有 Fe / Fe2O3一个界面，并假 定反应按照矿石颗粒周围气膜内的扩散、颗粒内的扩 散以及界面化学反应三个步骤稳定地进行． 依据铁矿 石的还原程度( fs ) ，采用分段形式表达铁矿石还原反 应进程，即 fs≤0. 111 时还原反应阶段为 Fe2 O3 →Fe3 O4，0. 111≤fs ＜ 0. 333 时还原反应阶段为 Fe3O4→FeO， fs≥0. 333 时还原反应阶段为 FeO→Fe． Fe2O3的 CO 还 原速度的计算［17］如下: Ｒ1 = ( πd2 oφ － 1 o No )· ( xCO － xCO，e )· P ＲgTg 1 kf1 + ［( 1 － fs) － 1 3 － 1］·do 2Ds1 + 1 ( 1 － fs) 2 3 k1 ( 1 + 1/K1 ) · 1 1000． ( 1) ( 2) 铁氧化物的 H2间接还原． Fe2O3的 H2还原类 似于 Fe2O3的 CO 还原，其还原速度［17］计算如下: Ｒ2 = ( πd2 oφ － 1 o No )· ( xH2 － xH2，e )· P ＲgTg 1 kf2 + ［( 1 － fs) － 1 3 － 1］·do 2Ds2 + 1 ( 1 － fs) 2 3 k2 ( 1 + 1/K2 ) · 1 1000． ( 2) ( 3) C 的溶损反应． C 的溶损反应忽略了气膜外 扩散的影响，其反应速度［18］的计算如下: Ｒ3 = k31PCO2 1 + k32PCO + k33PCO2 ρsεsωc ． ( 3) ( 4) C 的水煤气反应． C 的水煤气反应忽略了气 膜外扩散的影响，其反应速度［19］的计算如下: Ｒ4 = Ef ( m0 cNc M ) c k41PH2O 1 + k42PCO2 + k43PCO + k44PH2O ． ( 4) ( 5) 直接还原． 熔融 FeO 滴落到焦炭区内，会被 固态 C 还原，其反应速度［17］计算如下: · 105 ·