·644 工程科学学报，第37卷，第5期 图7为基本工况条件下三种入口排布方式下02 0.1 质量分数分布.由图可知，方式a下，回旋区下部中心 02质量分数高于两侧，方式b则恰好相反，方式c相 -0.1上 对均匀.这是由0，的不同鼓入位置造成的 0.2 0.4 0.6 0.8 10 X/m 0.1 图8C0质量分数 Fig.8 Mass fraction of CO 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 X/m 0.1 10000- -0.1 0.2 04 0.6 0.8 1.0 0.2 04 0.6 0.8 1.0 1.2 X/m X/m 图9H,质量分数 Fig.9 Mass fraction of H, 0.2 14 0.60.8 1.0 1.2 50 X/m 45 。一C0 图702的质量分数 0 -C0 Fig.7 Mass fraction of 02 ★一HO 35 30 方式a下，氧气与煤粉紧密接触，由边缘鼓入的循 25 环煤气带入的物理热以及C0和H,燃烧放出的化学 热是促使常温下纯氧、载气和煤粉温度升高的热量来 15 源。但是，由于循环煤气与煤粉被纯氧隔开，传热受 阻，中心区域的煤粉温度升高缓慢，热解滞后，燃烧极 不充分.方式b下，虽有高温煤气的直接传热，但由于 -0.2 0.20.40.60.81.0 纯氧和煤粉被循环煤气隔开，边缘区域的氧气向中心 风口轴线位置m 扩散受到阻碍，燃尽率依然较低.因此，方式a下限制 图10120m氧气高炉风口轴线上的气体成分变化 煤粉燃烧的因素为煤粉喷入区域内的温度，而导致方 Fig.10 Gas composition along the tuyere axis of the 120 m'oxygen 式b下煤粉燃尽率较低的原因是煤粉燃烧区域内氧气 blast fumace 供应不足.方式℃中将循环煤气和氧气先均匀混合再 风量为3045m3h,鼓风中氧气体积分数为30%，其 鼓入回旋区，弥补了二者的不足，煤粉的燃尽率显著提 他条件均与氧气高炉相同)，相应的风口轴线上气体 高.这是一种理想化的设置，实际生产中900℃的循 成分变化如图11所示.图10和图11相比，轴线上 环煤气和氧气直接混合会产生爆燃.但是，这并不妨 C02和H,0含量较高，02含量较低.这是由循环煤气 碍其从提高煤粉燃尽率的角度阐明氧气高炉条件下通 中的C0和H,燃烧大量消耗O,生成CO,和H,O造 过合理的气体入口设计和喷枪设计以加强循环煤气、 成的.氧气高炉以纯氧代替热风，但是由于初始阶段 氧气和煤粉之间的混合是非常必要的，故后续分析中 循环煤气燃烧消耗了大量的02，轴线上供给煤粉燃烧 采用方式c. 的02并不是过量的，而最终煤粉燃尽率却很高，达到 4.2煤气成分变化规律 93.402%,同时图10显示C02和H0的含量在达到 图8和图9分别为方式c下各模拟参数都取其基 最大值后都有一定幅度的降低，故氧气高炉条件下循 值时C0和H2的质量分数分布.由图8和图9可知， 环煤气的燃烧产物C0,和H,0与固定碳的反应对提 循环煤气中C0和H2在直吹管和风口内即大量燃烧， 高煤粉燃尽率的贡献不可忽略，其产物C0的含量也 在离开风口较短时间内燃烧完毕，物料平衡计算表明 明显高于普通高炉.需要指出的是本文未考虑回旋运 这一阶段消耗02含量的53.5%，生成大量C02和 动的焦炭燃烧以及焦炭填充床的影响，故风口轴线上 H,0. 的煤气成分并不能代表氧气高炉的炉腹煤气成分 图10为氧气高炉基本工况条件下风口轴线上气 4.3氧气体积分数的影响 体成分的变化.为了进行比较，本文也模拟了120m 直观上分析，提高氧气体积分数将促进煤粉的燃 传统高炉（风温为1523K,风压为0.24MPa,单风口鼓 烧.为了深入探究氧气体积分数对煤粉燃尽率的影工程科学学报，第 37 卷，第 5 期 图 7 为基本工况条件下三种入口排布方式下 O2 质量分数分布． 由图可知，方式 a 下，回旋区下部中心 O2 质量分数高于两侧，方式 b 则恰好相反，方式 c 相 对均匀． 这是由 O2 的不同鼓入位置造成的． 图 7 O2 的质量分数 Fig． 7 Mass fraction of O2 方式 a 下，氧气与煤粉紧密接触，由边缘鼓入的循 环煤气带入的物理热以及 CO 和 H2 燃烧放出的化学 热是促使常温下纯氧、载气和煤粉温度升高的热量来 源． 但是，由于循环煤气与煤粉被纯氧隔开，传热受 阻，中心区域的煤粉温度升高缓慢，热解滞后，燃烧极 不充分． 方式 b 下，虽有高温煤气的直接传热，但由于 纯氧和煤粉被循环煤气隔开，边缘区域的氧气向中心 扩散受到阻碍，燃尽率依然较低． 因此，方式 a 下限制 煤粉燃烧的因素为煤粉喷入区域内的温度，而导致方 式 b 下煤粉燃尽率较低的原因是煤粉燃烧区域内氧气 供应不足． 方式 c 中将循环煤气和氧气先均匀混合再 鼓入回旋区，弥补了二者的不足，煤粉的燃尽率显著提 高． 这是一种理想化的设置，实际生产中 900 ℃ 的循 环煤气和氧气直接混合会产生爆燃． 但是，这并不妨 碍其从提高煤粉燃尽率的角度阐明氧气高炉条件下通 过合理的气体入口设计和喷枪设计以加强循环煤气、 氧气和煤粉之间的混合是非常必要的，故后续分析中 采用方式 c． 4. 2 煤气成分变化规律 图 8 和图 9 分别为方式 c 下各模拟参数都取其基 值时 CO 和 H2 的质量分数分布． 由图 8 和图 9 可知， 循环煤气中 CO 和 H2 在直吹管和风口内即大量燃烧， 在离开风口较短时间内燃烧完毕，物料平衡计算表明 这一阶段 消 耗 O2 含量 的 53. 5% ，生 成 大 量 CO2 和 H2O． 图 10 为氧气高炉基本工况条件下风口轴线上气 体成分的变化． 为了进行比较，本文也模拟了 120 m3 传统高炉( 风温为 1523 K，风压为 0. 24 MPa，单风口鼓 图 8 CO 质量分数 Fig． 8 Mass fraction of CO 图 9 H2 质量分数 Fig． 9 Mass fraction of H2 图 10 120 m3氧气高炉风口轴线上的气体成分变化 Fig． 10 Gas composition along the tuyere axis of the 120 m3 oxygen blast furnace 风量为 3045 m3 ·h － 1，鼓风中氧气体积分数为 30% ，其 他条件均与氧气高炉相同) ，相应的风口轴线上气体 成分变化如图 11 所示． 图 10 和图 11 相比，轴线上 CO2 和 H2O 含量较高，O2 含量较低． 这是由循环煤气 中的 CO 和 H2 燃烧大量消耗 O2，生成 CO2 和 H2O 造 成的． 氧气高炉以纯氧代替热风，但是由于初始阶段 循环煤气燃烧消耗了大量的 O2，轴线上供给煤粉燃烧 的 O2 并不是过量的，而最终煤粉燃尽率却很高，达到 93. 402% ，同时图 10 显示 CO2 和 H2O 的含量在达到 最大值后都有一定幅度的降低，故氧气高炉条件下循 环煤气的燃烧产物 CO2 和 H2O 与固定碳的反应对提 高煤粉燃尽率的贡献不可忽略，其产物 CO 的含量也 明显高于普通高炉． 需要指出的是本文未考虑回旋运 动的焦炭燃烧以及焦炭填充床的影响，故风口轴线上 的煤气成分并不能代表氧气高炉的炉腹煤气成分． 4. 3 氧气体积分数的影响 直观上分析，提高氧气体积分数将促进煤粉的燃 烧． 为了深入探究氧气体积分数对煤粉燃尽率的影 · 446 ·