钢铁行业作为传统的碳排放大户,碳排放量约占全国碳排放总量的 15%。在我国“双碳”发展的战略背景下,“绿色低碳”成为钢铁行业发展的必然要求。而炼铁工序作为“龙头”能耗占整个钢铁行业总能耗的 70%左右!-。开发低碳炼铁技术,既

可立足于高炉炼铁工艺,也可基于非高炉炼铁新工艺。在当前技术条件下,非高炉炼铁无论是生产规模,还是技术成熟度,都无法取代高炉炼铁,因此发展低碳高炉炼铁技术十分必要。

顶煤气循环氧气高炉技术被认为是最有前途的

低碳高炉炼铁技术之一,已经在新疆八钢 400m'级富氢碳循环氧气高炉(HyCROF)进行了工业试验，结果表明 HyCROF 燃料比降低 30%[3-4]。但是,氧气高炉存在“上冷下热”问题,需要合理调整炉缸喷吹煤气方案 、控制风口回旋区理论燃烧温度及炉腹煤气量5]。然而,在顶煤气循环氧气高炉工艺中,炉顶煤气脱除 CO,后,经过预热被重新喷入高炉,煤气中的 CO,浓度可能由于 CO,脱除工艺不稳定而波动,从而影响高炉运行状态。

目前,国际上高炉炼铁过程模型的发展较为成熟[],已经被广泛用于研究不同操作参数!、原料属性[8-9及几何变量!0的影响。为此,本文在 400m’级全氧高炉操作条件下,采用数值模拟的方法研究炉缸喷吹煤气 CO,浓度对全氧高炉的影响。

1 高炉炼铁过程模型

1.1 模型框架及特征

本研究所用多流体高炉炼铁过程模型!-121是基于计算流体力学开发的三维稳态模型,计算区域包含整个炉身,从炉缸渣面延伸至炉喉料面。模型完整地考虑了炉身内部气-固-液三相耦合流动、传热、传质及化学反应,为了兼顾计算效率,气-固-液三相均按连续相处理,主要控制方程见表1。气相固相都有其各自的组分及浓度,通过独立的守恒方程分别进行描述、求解。在液相的处理上,渣铁被当作混合相处理,且混合相的物性参数根据渣铁的质量分数来确定。

模型考虑了矿石间接还原、矿石直接还原、焦炭

溶损、水煤气变换等化学反应及矿石熔化。除了与其他研究者所开发的模型在原理上相似外!3-151,还考虑了诸多高炉才有的特征,包括矿焦层状结构、三维层状软熔带、三维死料堆形状预测、三维滴落状液体流动、利用系数预测及炉料颗粒粉化模拟等。1.2 模型求解步骤

模型求解基于Fortran F90 源代码,采用 MPI异构并行技术实现加速计算。一方面,可以预测高炉综合性能指标,包括利用系数、燃料比、炉顶煤气温度、煤气利用率、床层压降和铁水温度等;另一方面,可以预测高炉内部复杂状态,包括速度分布、温度分布、软熔带位置、反应速率分布和压力分布等。模型详细求解步骤如图1所示,具体包括:

(1)第1步,在给定的高炉操作及原燃料条件下,假定燃料比、利用系数;

(2)第2步,设置固体及气体入口边界条件,其中固体入口边界条件由上一步假定的利用系数、燃

料比来确定,气体人口边界条件则是在给定的喷吹条件下,根据风口回旋区燃烧的热质平衡子模型来确定;

(3)第3步,根据风口喷吹条件及经验关系式确定风口回旋区形状、固体出口的位置及大小61:(4)第4步,计算初始固体流场、死料堆形状,同时根据矿批、焦比和矿焦比分布,计算矿石、焦炭的层状结构:

(5)第5步,在不考虑液相和软熔带的前提下根据化学反应计算气-固两相速度、温度及组分浓度的分布情况,获得初步收敛结果,同时得到初始软熔带位置:

(6)第6步,在考虑液相和软熔带的前提下,重新计算气-固-液三相的速度分布、温度分布和组分浓度分布,以软熔带位置收敛作为模型收敛标准,软熔带位置以块状带与滴落带的体积比来量化表征，软熔带位置收敛标准为前后两次迭代误差的百分比<0.1% :

(7)第7步,调整第一步假定的高炉利用系数!,使流人风口的焦炭量等于风口前燃烧消耗的焦炭量,收敛标准为前后两个焦炭量的误差<0.1kg/t;

(8)第8步,调整第一步假定的燃料比,使得渣面温度达到恒定铁水温度,由此确定燃料比。

2 模拟条件

400m级全氧高炉模型的几何尺寸如图2(a)所示,炉缸直径5.2m,14 个风口均匀分布,渣面到料面的总高度为16.9m。为了提高计算效率,仅计算2 个风口的扇形区域,同时将计算区域[如图2(b)所示]的侧剖面设为对称边界条件。全氧高炉的作参数及炉料性能等模拟条件见表2.其中省略了煤粉、矿石、焦炭及熔剂的化学成分,鼓风含氧量、鼓风温度、风量、煤比、炉料性能等参数保持恒定不变煤气经风口喷入炉缸,煤气流量、煤气温度保持恒定不变,煤气成分中C0,浓度由1%逐渐提高到9%.C0浓度相应从88.4%逐渐降低到80.4%,以确保 C0 和 C0,浓度之和恒等于89.4%,计算间隔点为 1%,其余气体成分浓度(H为8.48%、N,为0.79%H,0为1.33%)保持不变。矿焦比分布采用传统的中心加焦模式,且矿焦比径向分布保持恒定不变。

与先前诸多高炉模拟研究[5.17-18]一样,本研究的每个计算案例均假设煤粉、焦炭、鼓风及煤气中的载氧充分燃烧,完全形成还原性炉腹煤气,化学成分包括CO、H,和N,。炉腹煤气的气体体积分数、温度和流量由特定的鼓风条件、喷吹条件、焦炭及煤粉的性能参数确定,并根据风口回旋区燃烧的热质平衡子模型计算获得。该炉腹煤气参数将作为全氧高炉模型的气体入口边界条件。

在每个计算案例中,以固定下部喷吹条件为前提,先将利用系数反复迭代,以满足风口处碳平衡的收敛标准,由此确定高炉利用系数(对应模型求解第7步):再将燃料比反复迭代,使炉缸渣面处的平均铁水温度维持在1813K,此温度是高炉可以正常冶炼的临界温度(对应模型求解第8步)。由此可见,在每个计算案例中,燃料比和利用系数均是模型

的输出结果,另外还包括炉顶煤气温度、煤气利用率、床层压降和铁水温度等。需要说明的是,模型计算得到的铁水温度是渣面处的铁水温度,其与铁口的温差约为 50K(经验值)。

结果与讨论3

3.1 模型验证

本研究所用高炉炼铁过程模型的可靠性,已经在不同容积、不同操作条件的实验高炉或工业高炉上,从不同角度得到验证。

(1)预测LKAB的9m'实验高炉综合性能指标还原度分布及温度分布均与测量值吻合良好!:

(2)预测5000m工业高炉综合性能指标与生产数据吻合良好!;

(3)预测高炉关键操作参数(包括焦比、鼓风量和富氧率等)的影响趋势,体现出与生产经验的一致性[1;

(4)预测八钢HyCROF高炉综合性能指标与生产数据吻合良好[51;

(5)在冷态实验高炉条件下,利用模型中的固体流动子模型,预测不同风口关闭个数条件下的非对称死料堆形状,与实验数据吻合良好!8]3.2 高炉综合性能指标

在400m级全氧高炉操作条件下,高炉综合性能指标与炉缸喷吹煤气C0,浓度的关系如图3所示。由图3(a)可见,随着喷吹煤气C0,浓度的升高,炉腹煤气量略有升高,理论燃烧温度显著下降,这主要是因为CO,在回旋区与焦炭/煤粉发生强吸热的溶损反应。由图3(b)可见,随着C0,浓度由1%上升至 9% ,燃料比由 473 kg/t上升至 655 kg/t.并且,当CO,浓度较高时,燃料比上升的趋势更明显:平均来看.CO,浓度每升高1%,燃料比上升约20kg/t。因此,在全氧高炉喷吹循环煤气生产实践中,要特别注意喷吹煤气中CO,的浓度。随着燃料比的升高,利用系数随着CO,浓度的升高而显著降低。由图3(c)可见,随着 CO,浓度的升高,炉顶煤气温度显著升高,煤气利用率则显著下降,且都是CO,浓度越高,变化越明显。

3.3 炉内状态

不同于物理实验或生产实践,高炉炼铁过程型可以预测炉内热状态,炉缸喷吹煤气 CO,浓度对炉内温度场的影响如图4所示。由图4(a)可见,随着CO,浓度的升高,软熔带位置逐渐升高。由图4(b)可见,随着C0,浓度的升高,高炉下部逐渐变凉,上部却逐渐变热。说明全氧高炉的炉内温度由“上冷下热”逐渐向“上热下冷”转变。全氧高炉下部变凉的主要原因,在于炉缸喷吹煤气中的CO,与焦炭/煤粉发生强吸热的溶损反应,造成风口前理论燃烧温度显著降低。再者,由于高炉下部固体温度降低,在软熔带处生成的液态渣铁需要更长的距离才能被加热至正常铁水温度(1813K)。因此,随着

CO,浓度的升高,软熔带位置逐渐抬升。全氧高炉上部变热的主要原因是利用系数减小,在炉腹煤气量略有增加的前提下,利用系数减小造成高炉上部热流比显著降低,这也是软熔带位置显著抬升及炉顶煤气温度显著升高的原因。

炉缸喷吹煤气 CO,浓度对炉内反应状态的影响如图5所示,以CO 浓度分布和 CO 间接还原速率分布为代表。由图5(a)可见,随着C0,浓度的升高炉内还原性气氛逐渐增强,这是由于CO,浓度高时风口回旋区燃烧产生了更多的CO。由图5(b)可见,随着CO,浓度的升高,高炉上部间接还原速率显著增大,一方面是由于炉内还原性气氛增强,另一方面是由于高炉上部温度升高。与此同时,软熔带位

置升高造成间接还原区域显著缩小,尽管高炉下部产生了更多的还原煤气,但是煤气利用率反而下降,3.4 碳素消耗及热平衡

高炉炼铁过程模型还可用于分析碳素消耗及热平衡。在炉缸喷吹煤气条件下,全氧高炉的碳素消耗主要是回旋区鼓风燃烧耗碳、回旋区喷吹煤气燃烧耗碳、化学反应耗碳及铁水渗碳等四个方面。铁水渗碳量是一个固定值,另外三种碳素消耗量与炉缸喷吹煤气 CO,浓度的关系如图6所示。由图6可见,随着 CO,浓度的升高,回旋区鼓风燃烧耗碳量和

喷吹煤气燃烧耗碳量都显著增加,而化学反应耗碳量却缓慢下降,但不明显。因此,回旋区燃烧耗碳量增加是导致燃料比升高的主要原因,其中以鼓风燃烧耗碳量为主。

鼓风与固体碳素燃料在回旋区燃烧既提供还原煤气,又提供热量来源。因此,高炉鼓风耗碳量随喷吹煤气 CO,浓度升高而显著增加的原因,可从热平衡的角度进行分析。在全氧高炉炉缸喷吹煤气的条件下,高炉热输入包括鼓风物理热、焦炭和煤粉燃烧热、喷吹煤气物理热及喷吹煤气燃烧热。高炉热输

从热输出来看,随着 CO,浓度的升高,炉顶散热量和炉壁散热量都显著升高。相反,化学反应耗热量略有下降,但不明显,化学反应耗热量与化学反应耗碳量的变化规律一致。

从热输入与热输出的变化趋势来看,回旋区焦炭/煤粉燃烧热显著升高,一方面是喷吹煤气的综合热输入逐渐降低,另一方面是炉顶和炉壁散热量显著升高,在二者共同作用下,造成了需要燃烧更多的固体碳素来提供更多的热量,尽管喷吹的煤气已经被预热。

3.5 综合分析

根据综合性能指标预测及炉内状态分析,在全氧高炉操作条件下,炉缸喷吹煤气CO,浓度的影响

为:

(1)喷吹煤气C0,浓度增加,会造成风口回旋区理论燃烧温度下降,造成高炉下部“变凉”。矿石熔化后需要更长的加热距离，才能被加热至正常的铁水温度,因此软熔带位置抬升。

(2)软熔带位置的抬升,使得高炉上部“变热”显著增加了炉顶及炉壁散热量,与此同时,喷吹煤气CO,分解耗热量也显著升高,这共同造成燃料比显著上升,以为高炉提供更多的热量。

(3)在风量不变的前提下,燃料比显著升高,造成高炉利用系数显著下降,与此同时,煤气利用率也显著降低。