·1584 工程科学学报，第43卷，第12期 更为重要.Liu等6通过单因素实验研究了FeO 反应速率；（⑤）随CO2的增加，析碳反应速率逐渐 含量、温度和反应时间对焦炭在渣中溶解的影响， 降低，当循环煤气中CO2超过8%时析碳基本消 发现时间是影响焦炭溶解的最重要因素，其次是 失.这为氧气高炉循环煤气加热技术开发提供了 FeO含量，最后是温度.还发现在相同溶损率下， 重要基础数据 焦炭在含CO2气氛中的劣化程度比含水蒸气气氛 2.3氧气高炉模拟研究 中严重6@Zhu等6)、Sun等I6实验分析了传统高 2.3.1基于综合数学模型的节能减碳分析 炉焦炭孔隙结构的变化及高炉煤气对焦炭的影 秦民生等B利用所建立的氧气高炉综合数学 响.Guo等6s-681模拟了传统高炉、氧气高炉和喷吹 模型计算分析了不同工艺的节焦潜力，发现氧气 焦炉煤气高炉的煤气条件，研究了焦炭微观结构 高炉与传统高炉相比具有节约70%焦炭的可能， 演变及其与宏观性能关系，发现相对于传统高炉， 生产率可提高137%20,3划Jim等2-、Jiang等7建 氧气高炉条件和喷吹焦炉煤气条件下焦炭反应率 立了一维TGR-OBF综合模型，研究发现由于有效 增加、转鼓强度降低，煤气中H2O蒸汽的增加促 利用了循环煤气，不同工艺的TGR-OBF直接还原 进了焦炭中小孔的生成，能够起到保护焦炭气孔 度降低55.2%~79.2%，能耗可减少5%~30%.C02 壁结构的作用，一定程度上抑制焦炭的粉化69，此 净排放量可减少约35%，从而进一步证明氧气高 类研究为将来氧气高炉炼铁生产过程中制定焦炭 炉具有高还原效率、低能耗、低CO,排放等优势 的适用性条件提供了重要理论依据 2.3.2回旋区及氧-煤-煤气复合喷吹模拟 2.2.5循环煤气加热过程中的析碳 Jiang等、Zhou等s-、吴俊明等m研究人 脱除CO2后的循环煤气在加热或输送过程中， 员分别建立了氧气高炉条件下的氧煤枪、直吹管、 由于CO和H2的浓度较高会发生析碳反应，从而 风口、回旋区、焦炭床的三维数学模型，研究了氧 阻塞输送管道，损坏加热设备.因此，Lu等心川 气高炉下部的温度场、浓度场及煤粉的流动和燃 利用自主搭建的实验设备，研究了CO、COH2、CO/ 烧特性.Jiang等两发现在高氧气浓度下进行大量 COH2混合气在加热过程中的析碳行为，结果表 的粉煤喷吹和循环煤气喷吹是可行的，喷煤速率 明：(1)纯CO条件下析碳非常少；(2)CO和H2混 是影响煤粉燃烧效果的重要参数.Zhou等s-发 合气体加热过程中，随着温度的升高，析碳量增 现FOBF条件下煤粉燃烬率比传统高炉增加了 多，析碳反应速率加快；(3)CO和H2按照体积比 16.25%(如图5所示).氧煤双枪结构可以避免常 为1：1、1：2、2：1的比例混合加热过程中，析碳 温氧气对煤粉颗粒扩散的束缚作用，并减弱了常 最严重的情况发生在VCO):H=1:2时，随着 温氧气的冷却作用，使煤粉燃烬率大幅提高.在对 H2含量的增加，析出碳的质量增多，表明H2可以 侧型氧煤双枪结构下，氧气流可进入低燃烬率区 促进析碳反应：(4)在循环煤气加热过程中，当温 域，使煤粉燃烬率提高13.05%.吴俊明等m发现， 度低于500℃时，温度的升高可以加快析碳反应 与传统高炉相比氧气高炉回旋区温度显著升高， 速率，高于500℃时，温度的升高反而会降低析碳 高温区扩大，最高温度可以达到4170K,比传统高 90 90 400 ☑Bumout,.% ----Burnout of TBF Increment, 16.25 80 -Burnout of OBF 350 70 70 -·◆.ncrease rate of TBF -Increase rate of OBF 300 TBF71.78% 香海 200 40 40 。 30 30 150 20 20 100 10 10 50 (b) 0 8了 TBF OBF 0.1 0250片006o708098 Type of blast fumace Distance from the lance tip/m 图5传统高炉(TBF)与氧气高炉(OBF)煤粉燃烬率变化网(a)不同高炉种类煤粉燃尽率对比：(b)不同类型氧煤枪下煤粉燃尽变化 Fig.5 Changes in the pulverized coal burning rate for a traditional blast furnace (TBF)and an oxygen blast fumace(OBF)(a)comparison of pulverized coal bumnout rate between TBF and OBF;(b)changes of pulverized coal burnout under different types of oxygen coal lances更为重要. Liu 等[61] 通过单因素实验研究了 FeO 含量、温度和反应时间对焦炭在渣中溶解的影响， 发现时间是影响焦炭溶解的最重要因素，其次是 FeO 含量，最后是温度. 还发现在相同溶损率下， 焦炭在含 CO2 气氛中的劣化程度比含水蒸气气氛 中严重[62] . Zhu 等[63]、Sun 等[64] 实验分析了传统高 炉焦炭孔隙结构的变化及高炉煤气对焦炭的影 响. Guo 等[65−68] 模拟了传统高炉、氧气高炉和喷吹 焦炉煤气高炉的煤气条件，研究了焦炭微观结构 演变及其与宏观性能关系，发现相对于传统高炉， 氧气高炉条件和喷吹焦炉煤气条件下焦炭反应率 增加、转鼓强度降低，煤气中 H2O 蒸汽的增加促 进了焦炭中小孔的生成，能够起到保护焦炭气孔 壁结构的作用，一定程度上抑制焦炭的粉化[69] . 此 类研究为将来氧气高炉炼铁生产过程中制定焦炭 的适用性条件提供了重要理论依据. 2.2.5    循环煤气加热过程中的析碳 脱除 CO2 后的循环煤气在加热或输送过程中， 由于 CO 和 H2 的浓度较高会发生析碳反应，从而 阻塞输送管道，损坏加热设备. 因此，Liu 等[70- 71] 利用自主搭建的实验设备，研究了 CO、CO/H2、CO/ CO2 /H2 混合气在加热过程中的析碳行为，结果表 明 ：(1) 纯 CO 条件下析碳非常少；(2) CO 和 H2 混 合气体加热过程中，随着温度的升高，析碳量增 多，析碳反应速率加快；(3) CO 和 H2 按照体积比 为 1∶1、1∶2、2∶1 的比例混合加热过程中，析碳 最严重的情况发生在 V(CO):V(H2 )=1∶2 时，随着 H2 含量的增加，析出碳的质量增多，表明 H2 可以 促进析碳反应；(4) 在循环煤气加热过程中，当温 度低于 500 ℃ 时，温度的升高可以加快析碳反应 速率，高于 500 ℃ 时，温度的升高反而会降低析碳 反应速率；(5) 随 CO2 的增加，析碳反应速率逐渐 降低，当循环煤气中 CO2 超过 8% 时析碳基本消 失. 这为氧气高炉循环煤气加热技术开发提供了 重要基础数据. 2.3    氧气高炉模拟研究 2.3.1    基于综合数学模型的节能减碳分析 秦民生等[33] 利用所建立的氧气高炉综合数学 模型计算分析了不同工艺的节焦潜力，发现氧气 高炉与传统高炉相比具有节约 70% 焦炭的可能， 生产率可提高 137% [20,33] . Jin 等[72−73]、Jiang 等[74] 建 立了一维 TGR−OBF 综合模型，研究发现由于有效 利用了循环煤气，不同工艺的 TGR−OBF 直接还原 度降低 55.2%～79.2%，能耗可减少 5%～30%，CO2 净排放量可减少约 35%，从而进一步证明氧气高 炉具有高还原效率、低能耗、低 CO2 排放等优势. 2.3.2    回旋区及氧−煤−煤气复合喷吹模拟 Jiang 等[74]、Zhou 等[75−76]、吴俊明等[77] 研究人 员分别建立了氧气高炉条件下的氧煤枪、直吹管、 风口、回旋区、焦炭床的三维数学模型，研究了氧 气高炉下部的温度场、浓度场及煤粉的流动和燃 烧特性. Jiang 等[74] 发现在高氧气浓度下进行大量 的粉煤喷吹和循环煤气喷吹是可行的，喷煤速率 是影响煤粉燃烧效果的重要参数. Zhou 等[75−76] 发 现 FOBF 条件下煤粉燃烬率比传统高炉增加了 16.25%（如图 5 所示）. 氧煤双枪结构可以避免常 温氧气对煤粉颗粒扩散的束缚作用，并减弱了常 温氧气的冷却作用，使煤粉燃烬率大幅提高. 在对 侧型氧煤双枪结构下，氧气流可进入低燃烬率区 域，使煤粉燃烬率提高 13.05%. 吴俊明等[77] 发现， 与传统高炉相比氧气高炉回旋区温度显著升高， 高温区扩大，最高温度可以达到 4170 K，比传统高 90 80 70 60 50 Burnout/ % Burnout/ % Increase rate of burnout/( %·m−1 ) 40 30 20 10 0 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Type of blast furnace Distance from the lance tip/m TBF OBF 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 400 350 300 250 200 150 100 50 0 TBF 71.78% 16.25 (a) (b) Burnout of TBF Burnout of OBF Increase rate of OBF Increase rate of TBF Burnout, % Increment, % 图 5    传统高炉（TBF）与氧气高炉（OBF）煤粉燃烬率变化[75] . （a）不同高炉种类煤粉燃尽率对比；（b）不同类型氧煤枪下煤粉燃尽变化 Fig.5     Changes  in  the  pulverized  coal  burning  rate  for  a  traditional  blast  furnace  (TBF)  and  an  oxygen  blast  furnace  (OBF) [75] :  (a)  comparison  of pulverized coal burnout rate between TBF and OBF; (b) changes of pulverized coal burnout under different types of oxygen coal lances · 1584 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期