高炉低碳喷吹条件下回旋区质能平衡分析_任萌萌.pdf
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1、 第5 8卷 第7期 2 0 2 3年7月钢 铁I r o na n dS t e e lV o l.5 8,N o.7,p 3 6-4 5 J u l y2 0 2 3 D O I:1 0.1 3 2 2 8/j.b o y u a n.i s s n 0 4 4 9-7 4 9 x.2 0 2 3 0 0 3 1高炉低碳喷吹条件下回旋区质能平衡分析任萌萌,刘雯雯,赵俊学,裴 悦,邢相栋,施瑞盟(西安建筑科技大学冶金工程学院,陕西 西安7 1 0 0 5 5)摘 要:风口喷吹参数的变化是氧气高炉、富氢气体喷吹等高炉低碳炼铁技术的共性特征。为了深入理解高炉低碳喷吹条件下回旋区的热量供给及炉腹煤
2、气变化,基于C a n t e r a软件构建并验证了考虑热风、喷吹气体、煤粉及焦炭的回旋区质能平衡模型,探究了喷吹气体量、喷吹气体成分、热风氧含量、风口鼓入总气量等参数对回旋区理论燃烧温度和炉腹煤气体积、成分的影响。以维持合理的理论燃烧温度和炉腹煤气量为标准,探究了各喷吹参数之间的调和平衡关系。研究表明,对于喷吹C O+H2双组分气体工况,维持鼓入总气量11 0 0m3/t和鼓入总氧量3 0 0m3/t可基本保证回旋区理论燃烧温度和炉腹煤气量在合理范围,最大可喷吹气体量随热风氧含量增加而增加。喷吹气体中H2含量的增加,会促进回旋区HC N的生成而导致风口焦炭消耗量略有上升、理论燃烧温度略有降
3、低。喷吹C O+H2+CH43组分气体时,CH4含量的增大导致理论燃烧温度显著下降、炉腹煤气体积显著增大。喷吹富氧干馏煤气、焦炉煤气、纯甲烷3种甲烷含量不同的气体时,喷吹量每增大5 0m3/t,需将鼓入总气量分别减少2 2、3 0、8 5m3/t,鼓入气体总氧含量分别提高2.0%、2.5%、8.5%,以维持理论燃烧温度(24 2 31)K、炉腹煤 气量(14 5 01)m3/t。各种常温气体的喷吹均会造成风口消耗的焦炭量增多,但炉腹煤气还原势随喷吹气体体积增大而显著提高,有助于发展间接还原,从而实现碳减排。关键词:高炉炼铁;碳减排;回旋区;理论燃烧温度;炉腹煤气量;富氢气体喷吹文献标志码:A
4、文章编号:0 4 4 9-7 4 9 X(2 0 2 3)0 7-0 0 3 6-1 0A n a l y s i so nm a s sa n de n e r g yb a l a n c eo f r a c e w a ya t l o w-c a r b o ni n j e c t i o nc o n d i t i o n s f o rb l a s t f u r n a c eR E N M e n g m e n g,L I U W e n w e n,Z HAOJ u n x u e,P E IY u e,X I NGX i a n g d o n g,S H IR
5、u i m e n g(S c h o o l o fM e t a l l u r g i c a lE n g i n e e r i n g,X ia nU n i v e r s i t yo fA r c h i t e c t u r ea n dT e c h n o l o g y,X ia n7 1 0 0 5 5,S h a a n x i,C h i n a)基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 2 0 4 3 5 3);陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2 0 2 1 J Q-5 0 5);陕西省重点研发计划资助项目(2 0 2 0 G Y-2 2 9)作者简介
6、:任萌萌(1 9 9 2),女,博士,副教授;E-m a i l:r e n.m e n g.m e n g 1 6 3.c o m;收稿日期:2 0 2 3-0 1-1 8通信作者:赵俊学(1 9 6 2),男,博士,教授;E-m a i l:z h a o j u n x u e 1 9 6 21 2 6.c o mA b s t r a c t:V a r i a t i o no f t u y e r e i n j e c t i o np a r a m e t e r s i sac o mm o n f e a t u r eo f l o w-c a r b o nb l
7、a s t f u r n a c e i r o n m a k i n gt e c h-n o l o g i e ss u c ha so x y g e nb l a s t f u r n a c ea n dh y d r o g e nr i c hg a s i n j e c t i o n.T od e e p l yu n d e r s t a n dt h ec h a n g eo f r a c e w a yh e a t s u p p l ya n db o s hg a sc o m p o s i t i o na t l o w-c a r b o
8、n i n j e c t i o nc o n d i t i o n s,ar a c e w a ym a s sa n de n e r g yb a l a n c em o d e lb a s e do nC a n t e r as o f t w a r e i s e s t a b l i s h e d,w h i c hc o n s i d e r s t h ep a r t i c i p a t i o no f t h eh o tb l a s t,c o-i n j e c t e dg a s,p u l v e r-i z e dc o a l a
9、n dc o k e.E f f e c t so f i n j e c t i o np a r a m e t e r s i n c l u d i n gt h e c o-i n j e c t e dg a s f l o wr a t ea n dc o m p o s i t i o n,h o tb l a s tf l o wr a t ea n d i t so x y g e nc o n c e n t r a t i o no nt h er a c e w a yt h e o r e t i c a l c o m b u s t i o nt e m p e
10、 r a t u r ea n dt h ev o l u m ea n dc o m-p o s i t i o no fb o s hg a sa r ee x p l o r e d.B a s e do nt h es t a n d a r do fm a i n t a i n i n gr e a s o n a b l et h e o r e t i c a l c o m b u s t i o nt e m p e r a-t u r e a n db o s hg a sv o l u m e,t h e c o n d i t i o n a l b a l a n
11、c eo f i n j e c t i o np a r a m e t e r s i se x p l o r e d.T h er e s u l t ss h o wt h a t f o rC O+H2t w o-c o m p o n e n t sg a s i n j e c t i o n,m a i n t a i n i n gt h et o t a lg a sf l o wr a t eo f11 0 0m3/ta n dt h et o t a lo x y g e nf l o wr a t eo f3 0 0m3/t c a nb a s i c a l l
12、 ye n s u r er e a s o n a b l er a c e w a yt h e o r e t i c a l c o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea n db o s hg a sf l o wr a t e.T h em a x i m u mc o-i n j e c t e dg a sv o l u m e i n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s e i no x y g e nc o n c e n t r a t i o no f b l a s t.I n c r
13、e a s eo fH2c o n t e n ti nc o-i n j e c t e dg a sw o u l dp r o m o t e t h e f o r m a t i o no fHC Ni n t h e r a c e w a y,r e s u l t i n g t oa s l i g h t i n c r e a s e i nr a c e w a yc o k ec o n s u m p t i o na n dd e c r e a s e i nt h e t h e o r e t i c a l c o m b u s t i o n t e
14、m p e r a t u r e.Wh e nC O+H2+CH4t h r e e-c o m p o n e n t sg a s i si n j e c t e d,i n c r e a s eo fCH4c o n t e n tw o u l dl e a dt os i g n i f i c a n td e c r e a s ei nt h e o r e t i c a lc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea n di n-c r e a s e i nb o s hg a sv o l u m e.F o r i n j
15、 e c t i o no f o x y g e n-r i c hp y r o l y s i sg a s,c o k eo v e ng a sa n dp u r em e t h a n e,w h i c hh a v ed i f f e r e n tm e t h a n ec o n c e n t r a t i o n s,a n i n c r e a s eo f 5 0m3/t i nt h ec o-i n j e c t e dg a sv o l u m er e q u i r e sd e c r e a s e i nt h e t o t a l
16、第7期任萌萌,等:高炉低碳喷吹条件下回旋区质能平衡分析v o l u m eo f b l a s t a n dc o-i n j e c t e dg a sb y2 2,3 0a n d8 5m3/t,a n d i n c r e a s e i nt h e t o t a l o x y g e nc o n c e n t r a t i o nb y2.0%,2.5%a n d8.5%r e s p e c t i v e l y,t om a i n t a i nt h e t h e o r e t i c a l c o m b u s t i o nt e m p e
17、 r a t u r eo f(24 2 31)Ka n dt h eb o s hg a sv o l u m eo f(14 5 01)m3/t.I n j e c t i o no f c o l dg a s e sw o u l d i n c r e a s e t h ec o k ec o n s u m p t i o na t t h e t u y e r e,b u t t h er e-d u c t i o np o t e n t i a l o fb o s hg a s i n c r e a s e ss i g n i f i c a n t l y,w
18、h i c hc a np r o m o t e t h e i n d i r e c t r e d u c t i o na n dc o n t r i b u t et ot h ed e c r e a s eo f c a r b o ne m i s s i o n.K e yw o r d s:b l a s tf u r n a c ei r o nm a k i n g;c a r b o ne m i s s i o nr e d u c t i o n;r a c e w a y;t h e o r e t i c a lc o m b u s t i o nt e
19、 m p e r a t u r e;b o s hg a sv o l u m e;h y d r o g e n-r i c hg a s i n j e c t i o n 高炉炼铁能耗占钢铁生产总能耗的7 0%,在中国“碳达峰、碳中和”战略目标的指引下,发展低碳高炉技术成为当下的行业热点。炉顶煤气循环-氧气高炉、富氢气体喷吹是两种主要的低碳高炉技术路线。氧气高炉通过高富氧率鼓风,大幅降低炉顶煤气中的氮气含量,以实现成本可控的C O2捕集;同时将脱除C O2后的炉顶煤气从风口进行喷吹,起到调控回旋区理论燃烧温度以及提高炉内还原势的作用1-6。富氢气体喷吹技术则是通过喷吹天然气、焦炉煤气、
20、气化炉重整气等富氢气体,提高炉内煤气中的氢气含量,以氢还原代替部分碳还原,从而降低碳耗及碳排放7-1 0。“上冷下热”是氧气高炉技术发展过程中遇到的主要问题1 1。其中,“上冷”是指炉腹煤气量减少及生产效率提高导致的上部热量不足;“下热”是指全氧鼓风后回旋区理论燃烧温度过高的问题。从风口喷吹炉顶煤气可以起到调节回旋区理论燃烧温度的作用。韩毅华等1 2通过高炉综合数学模型分析表明,风口理论燃烧温度随着喷入循环煤气量的增大而减小,风口循环煤气量每增加1 0m3/t,理论燃烧温度降低1 7.6K。相对地,富氢气体喷吹技术往往需要在下部进行热补偿。T ANGJ等1 3在高炉喷吹氢气研究中表明,喷吹氢气
21、后需要提高富氧率进行热补偿,在富氧率为1 0.3 8%时,可喷吹1 2 0m3/t氢气,将回旋区中氢气体积 分数 提 高 至1 5.2 3%。J AMP AN I M等1 4也指出,下部热量不足是限制天然气喷吹量的一个主要因素,最大冷天然气喷吹量为1 5 0k g/t左右。程相锋等1 5研究表明,高炉喷吹天然气导致炉腹煤气量快速升高,理论燃烧温度快速降低。高建军等1 6研究表明,风口每喷吹1m3/t富氢气体,风口理论燃烧温度降低约1.5,且高炉鼓风量和炉腹煤气量都有所降低。低碳高炉技术中,均涉及喷吹参数变化引起风口理论燃烧温度、炉腹煤气体积和成分改变的问题,各喷吹参数间的调节匹配是维持高炉顺行
22、的前提。热风氧含量和气体喷吹量同时增大,可以起到调节理论燃烧温度的作用,但其定量影响机制随喷吹气体成分不同而变化,目前缺少对比研究。此外,喷吹参数变化对风口焦炭消耗的影响目前尚不明确。本文将在分析几种高炉的喷吹参数及其回旋区质能平衡状态的基础上,以合理的理论燃烧温度和炉腹煤气量为标准,探究热风氧含量和煤气喷吹量间的调和平衡关系,以及喷吹焦炉煤气、天然气、富氧干馏煤气3种不同组分气体对风口焦炭消耗量及炉腹煤气成分的影响。研究结果可为企业选择低碳喷吹技术、确定喷吹参数提供参考。1 回旋区质能平衡模型1.1 传统模型及其发展回旋区质能平衡模型主要包括理论燃烧温度、炉腹煤气成分及炉腹煤气量的计算。其中
23、,理论燃烧温度的传统计算模型见式(1)1 7。Tf=Qc+Qb l a s t+Qw-Qm o-Qd eVg a scp g a s+2 7 3.1 5(1)式中:Tf为理论燃烧温度,K;Qc为燃料中碳素燃烧生成C O放出的热量,k J;Qb l a s t为热风带入的物理热,k J;Qw为焦炭、煤粉等物料带入的物理热,k J;Qm o为煤粉和鼓风中水分分解耗热,k J;Qd e为煤粉分解耗热,k J;Vg a s为燃烧生成的煤气体积,m3;cp g a s为生成煤气的平均比热容,k J/(m3K)。炉腹煤气成分和煤气量的计算,一般认为参与回旋区反应的所有氧元素转化成C O,氢元素转化成H2,
24、氮元素转化成N2,来计算炉腹煤气中的C O、H2和N2体积1 5。近年来,学者们对回旋区质能平衡模型进行了不同程度的修正。对于有富氢气体喷吹的工况,在热量收入项中增加了甲烷不完全燃烧放热1 5-1 6。此外,王广伟等1 8考虑了C O/C O2及H2/H2O的化学反应平衡,对理论燃烧温度和燃烧产生的煤气成分进行了修正。张英伟等1 9将燃料发热量的概念引入计算模型,并考虑比热容随温度的变化影响,对理论燃烧温度计算模型进行了修正。1.2 基于C a n t e r a的回旋区质能平衡模型物料的物理热、比热容、燃料的发热量等参数的73钢 铁第5 8卷选取,以及化学反应平衡的考虑都会对回旋区理论燃烧温
25、度和煤气成分的计算产生影响。本文基于开源化学反应分析软件C a n t e r a,采用G R I 3.0机理(在燃烧学领域广泛用于气相燃烧理论计算)2 0-2 1及依据焦炭、煤粉实际性质构建的固相热物性文件。基于最小G i b b s自由能原理,通过迭代计算给定热风温度、热风流量、富氧率、喷煤量、喷吹气体成分、温度及流量、风口消耗焦炭量条件下的等压等焓热力学平衡状态,从而确定回旋区理论燃烧温度、炉腹煤气量及煤气成分。计算过程如图1所示。图1 基于C a n t e r a的回旋区质能平衡计算方法F i g.1 C a l c u l a t i o nm e t h o do fm a s
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