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 507 围都要高于传统高炉，在风口处和炉顶处分别高出 csc. 气体和固体比热容，Jkg1K: 1.5倍和1.0倍，因此氧气高炉内的气体还原性更强 d。,de,d 铁矿石、焦炭和石灰石颗粒的粒径，m; 氧气高炉内气体流量不足使得炉内整体温度偏低且下 颗粒平均粒径，m: 部区域的气体温度下降较快，炉内温度偏低导致炉料 高炉气体中组分i的扩散系数，m2s: 软融开始位置要比传统高炉低1.41m(L,）,即炉料在 D.,De C0和H2在还原铁内扩散系数，m2s: 较晚时刻开始软融相变：在炉身处喷入预热煤气会有 D3,D4Ds C02在焦炭内、H20在焦炭内以及C02在 效补充炉内热量，使得上升气流温度的快速下降趋势 Ca0内扩散系数，m2sl: 减缓.氧气高炉工况条件下的直接还原度远低于传统 E 水气转化反应的有效因子： 高炉，因此氧气高炉内铁矿石直接还原反应较少，即炉 f.h 铁矿石还原度和石灰石分解度： 内中下部区域的直接还原反应耗热大大降低，这导致 G.C. 气体和固体质量流量，kg·s: 氧气高炉软融区域的厚度会更薄，比传统高炉薄 气固换热系数，Wm2K: 1.11m(1,-1),同时氧气高炉下部区域的固体升温速 △H 第i个化学反应的反应热，J小kmol': 度大于传统高炉.传统高炉的铁矿石在风口处全部还 气体热导率，小msl…K: 原，而氧气高炉的强还原气氛把铁矿石还原完成位置 第i个化学反应的气膜传质系数，m·s: 提高了1.49m(1,),与传统高炉相比，在相同的有效容 h1,,h5,h6 反应速度常数，单位分别为ms1、ms、 积利用系数和铁水生产率的条件下，氧气高炉内铁矿 kmol+m2s和m3.kg1sl; 石全部还原更早完成，还原反应速度更快 长分 溶损反应的反应速度常数，kmol·kg1· 3结论 Pa-l.s-1; k32,kas 溶损反应的吸附平衡常数，Pa: (1)建立了考虑炉顶煤气循环和氧气鼓风的高炉 kat 水煤气反应的反应速度常数，Pas: 一维气固换热和反应动力学模型，并采用传统高炉生 ka,kas,k 水煤气反应的吸附平衡常数，Pa: 产和解剖数据对模型进行了验证，模型计算不需要假 第i个化学反应的平衡常数： 定炉身效率、直接还原度等宏观参数. 下 me 焦炭内碳的质量分数： (2)氧气高炉底部的铁矿石还原度随氧气含量和 上部循环煤气流量的降低而减小.在给定焦比和煤比 M 组分i的摩尔质量，kg*kmol'; △M: 第i个化学反应的摩尔质量变化量，kg· 条件下，氧气含量和上部循环煤气流量需维持在一定 范围，才能保证氧气高炉有足够高的铁矿石还原效果 kmol-1 N。,N,N 单位体积床层内铁矿石、焦炭和石灰石颗 (3)提高氧气含量对提高炉内温度、C0含量和还 粒数量，m3: 原速度有显著贡献，氧气摩尔分数每提高10%，铁矿 u Nusselt数： 石还原完成位置提高0.50m,而风口燃烧温度也会提 P 气体总压力，Pa: 高55K.为避免高氧气含量引起的炉内下部区域过 分 组分i的分压力，Pa: 热，可考虑采取增大下部循环煤气流量等技术措施 哈 Prandtl数； (4)提高上部循环煤气流量会提高炉身区域的温 Ra 气体常数，Jmol-.Kl: 度和C0含量并加速全炉还原，上部循环煤气流量每 及 第i个化学反应的反应速度，kmol·m3. 提高100m3t,铁矿石还原完成的量纲一的高度提 s-1: 高0.028，炉顶煤气温度提高46K.从减少炉顶煤气热 R 铁矿石和炉渣的软融速度，kmol·m3s; 量损失方面考虑，上部循环煤气流量不宜过大 Rep 颗粒Reynolds数； (5)与传统高炉相比，氧气高炉整体温度偏低，下 u。u 气体表观速度和固体下降速度，ms: 部区域气体温降和固体温升速度更快：全炉范围内的 V,Vm,Vp,鼓风量、上部循环煤气量、炉顶煤气量和炉 C0含量高出1~1.5倍，炉内气体还原性更强：铁矿石 顶煤气外供量，mt: 还原完成位置高出1.49m,还原反应速度更快：直接还 ToT. 气体和固体温度，K: 原度降低55.2%~79.2%，炉内直接还原耗碳更少. T 风口处气体理论燃烧温度，K: 符号表 Xi 组分i的摩尔分数： 比表面积，m: yi 组分i的质量分数： 焦炭反应的有效比表面积，m: 距风口处高度，m: U 组分i的摩尔浓度，kmol.m3: 料床平均空隙度：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 围都要高于传统高炉，在风口处和炉顶处分别高出 1. 5 倍和 1. 0 倍，因此氧气高炉内的气体还原性更强． 氧气高炉内气体流量不足使得炉内整体温度偏低且下 部区域的气体温度下降较快，炉内温度偏低导致炉料 软融开始位置要比传统高炉低 1. 41 m( l7 ) ，即炉料在 较晚时刻开始软融相变; 在炉身处喷入预热煤气会有 效补充炉内热量，使得上升气流温度的快速下降趋势 减缓． 氧气高炉工况条件下的直接还原度远低于传统 高炉，因此氧气高炉内铁矿石直接还原反应较少，即炉 内中下部区域的直接还原反应耗热大大降低，这导致 氧气高 炉 软 融 区 域 的 厚 度 会 更 薄，比 传 统 高 炉 薄 1. 11 m( l7 － l8 ) ，同时氧气高炉下部区域的固体升温速 度大于传统高炉． 传统高炉的铁矿石在风口处全部还 原，而氧气高炉的强还原气氛把铁矿石还原完成位置 提高了 1. 49 m( l9 ) ，与传统高炉相比，在相同的有效容 积利用系数和铁水生产率的条件下，氧气高炉内铁矿 石全部还原更早完成，还原反应速度更快． 3 结论 ( 1) 建立了考虑炉顶煤气循环和氧气鼓风的高炉 一维气固换热和反应动力学模型，并采用传统高炉生 产和解剖数据对模型进行了验证，模型计算不需要假 定炉身效率、直接还原度等宏观参数． ( 2) 氧气高炉底部的铁矿石还原度随氧气含量和 上部循环煤气流量的降低而减小． 在给定焦比和煤比 条件下，氧气含量和上部循环煤气流量需维持在一定 范围，才能保证氧气高炉有足够高的铁矿石还原效果． ( 3) 提高氧气含量对提高炉内温度、CO 含量和还 原速度有显著贡献，氧气摩尔分数每提高 10% ，铁矿 石还原完成位置提高 0. 50 m，而风口燃烧温度也会提 高 55 K． 为避免高氧气含量引起的炉内下部区域过 热，可考虑采取增大下部循环煤气流量等技术措施． ( 4) 提高上部循环煤气流量会提高炉身区域的温 度和 CO 含量并加速全炉还原，上部循环煤气流量每 提高 100 m3 ·t － 1，铁矿石还原完成的量纲一的高度提 高 0. 028，炉顶煤气温度提高 46 K． 从减少炉顶煤气热 量损失方面考虑，上部循环煤气流量不宜过大． ( 5) 与传统高炉相比，氧气高炉整体温度偏低，下 部区域气体温降和固体温升速度更快; 全炉范围内的 CO 含量高出 1 ～ 1. 5 倍，炉内气体还原性更强; 铁矿石 还原完成位置高出 1. 49 m，还原反应速度更快; 直接还 原度降低 55. 2% ～ 79. 2% ，炉内直接还原耗碳更少． 符号表 a 比表面积，m － 1 ; ac 焦炭反应的有效比表面积，m － 1 ; Ci 组分 i 的摩尔浓度，kmol·m － 3 ; cg，cs 气体和固体比热容，J·kg － 1·K － 1 ; do，dc，dL 铁矿石、焦炭和石灰石颗粒的粒径，m; dp 颗粒平均粒径，m; Di 高炉气体中组分 i 的扩散系数，m2 ·s － 1 ; Ds1，Ds2 CO 和 H2在还原铁内扩散系数，m2 ·s － 1 ; Ds3，Ds4，Ds5 CO2在焦炭内、H2 O 在焦炭内以及 CO2 在 CaO 内扩散系数，m2 ·s － 1 ; Ef 水气转化反应的有效因子; fs，fL 铁矿石还原度和石灰石分解度; Gg，Gs 气体和固体质量流量，kg·s － 1 ; hgs 气固换热系数，W·m － 2·K － 1 ; ΔHi 第 i 个化学反应的反应热，J·kmol － 1 ; kg 气体热导率，J·m － 1·s － 1·K － 1 ; kfi 第 i 个化学反应的气膜传质系数，m·s － 1 ; k1，k2，k5，k6 反应速度常数，单位分别为 m·s － 1、m·s － 1、 kmol·m － 2·s － 1和 m3 ·kg － 1·s － 1 ; k31 溶损反应的反应速度常数，kmol·kg － 1· Pa － 1·s － 1 ; k32，k33 溶损反应的吸附平衡常数，Pa － 1 ; k41 水煤气反应的反应速度常数，Pa － 1·s － 1 ; k42，k43，k44 水煤气反应的吸附平衡常数，Pa － 1 ; Ki 第 i 个化学反应的平衡常数; mc 焦炭内碳的质量分数; Mi 组分 i 的摩尔质量，kg·kmol － 1 ; ΔMi 第 i 个化学反应的摩尔质量变化量，kg· kmol － 1 ; No，Nc，NL 单位体积床层内铁矿石、焦炭和石灰石颗 粒数量，m － 3 ; Nu Nusselt 数; P 气体总压力，Pa; Pi 组分 i 的分压力，Pa; Pr Prandtl 数; Ｒg 气体常数，J·mol － 1·K － 1 ; Ｒi 第 i 个化学反应的反应速度，kmol·m － 3· s － 1 ; Ｒm 铁矿石和炉渣的软融速度，kmol·m － 3·s － 1 ; ＲeP 颗粒 Ｒeynolds 数; ug，us 气体表观速度和固体下降速度，m·s － 1 ; Vb，Vup，Vtop， Vout 鼓风量、上部循环煤气量、炉顶煤气量和炉 顶煤气外供量，m3 ·t － 1 ; Tg，Ts 气体和固体温度，K; Tf 风口处气体理论燃烧温度，K; xi 组分 i 的摩尔分数; yi 组分 i 的质量分数; z 距风口处高度，m; ε 料床平均空隙度; · 705 ·