高炉能质平衡模型与富氧喷煤工艺分析

-1-高炉能质平衡模型与富氧喷煤工艺分析1张海军，姜泽毅，林林，张欣欣北京科技大学机械工程学院，北京(100083)E-mail：[e-mail]摘要：本文在全面分析富氧喷煤高炉能质平衡关系的基础上，开发了富氧喷煤高炉能质平衡模型。为确定冶炼过程的还原参数，应用未反应核模型原理，建立了高炉炉身区一维稳态传热传质模型，采用数值解法求得间接还原度。通过富氧喷煤高炉能质平衡和炉身区传热传质过程的计算分析，探讨了高炉在富氧喷煤条件下主要工艺参数的关联关系，为高炉富氧喷煤的最佳设计和优化操作提供有利参考。关键词：高炉，富氧，喷煤，间接还原度，能质平衡中图分类号：TF51．引言高炉富氧喷煤是现代高炉的重要技术之一，高炉富氧鼓风是指往高炉鼓风中加入工业氧，使鼓风中的氧含量超过大气中的含氧量。高炉使用富氧鼓风可加速碳燃烧，在燃料比不变的情况下使产量增加，富氧喷煤作为当今高炉强化冶炼的主要技术措施，在国内外得到迅速的发展，其主要目的是以煤代焦，解决焦煤短缺，降低生铁成本，减少环境污染。随着鼓风含氧量和喷吹煤粉量的增加，高炉冶炼行程诸如炉料和煤气流分布，炉内温度场以及还原与热交换过程均发生明显变化.因此，必须正确掌握富氧喷煤特征和调节规律及时采取适宜的调节方法以控制炉况稳定顺行，实现最佳生产指标。富氧喷煤后，高炉的操作条件将大幅度改变，大量采用经验数据的传统计算方法将产生重大误差，如假定间接还原度，不考虑不同煤粉分解热的影响[1]，理论燃烧温度的计算和选择等。因此亟需开发一种适合于富氧喷煤的高炉能质平衡模型。本文在全面分析富氧喷煤高炉能质平衡关系的基础上，开发了富氧喷煤高炉能质平衡模型。为确定冶炼过程的还原参数，应用未反应核模型原理，建立了高炉炉身区一维稳态传热传质模型，采用数值解法求得间接还原度。同时探讨了喷煤量对高炉工艺参数的影响。2．高炉能质平衡模型2.1物料平衡高炉物料平衡是指高炉冶炼单位生铁消耗的原燃料和风量等于产出的生铁、炉渣、煤气和炉尘等的总和。通常的物料平衡计算需要假定铁的间接还原度，由于富氧喷煤后，高炉操作条件发生变化，需要计算间接还原度，进而才能准确地求解物料平衡。本文通过炉身区数值传热传质模型求得间接还原度。2.2能量平衡高炉能量平衡是评价高炉热能利用、分析高炉热工特性的有效分析方法，对寻求高炉节能降耗、提高生产效率和提高设备寿命有重大实际意义。通过热平衡测试与分析能够了解高炉内热量消耗状况，分析高炉冶炼过程热消耗的问题，找出进一步改善能量利用，降低燃料1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20060008010）的资助。中国科技论文在线消耗的途径。并且，它还是计算理论焦比及各种因素对焦比之影响的基础。2.3焦比计算炼铁焦比是高炉冶炼最重要的技术经济指标之一。焦比表明高炉冶炼能耗的多少，决定生铁的成本，影响高炉生产率及工厂的效益。炼铁工艺计算中的焦比计算是更为重要的计算。通常的焦比计算，铁的间接还原度都是已知或预先确定的。但是，间接还原度在工艺计算和高炉操作中都是一个十分重要的参数。冶炼过程中直接还原度处于变动中，它影响着碳素消耗和热量消耗，是焦比的决定性因素。因此，将间接还原度作为未知数进行焦比计算，所得到的焦比才更加准确。本文中通过建立炉身区一维传热数学模型来求得间接还原度。本文采用物料（C平衡）和高温区热平衡联立求解焦比的方法[2]，来确定焦比，其计算公式如式（1）。其中高温区是指高炉1000℃以下的区域。)1(][][CKjIBdckCCCCCW（式1）式中CKW—焦比，kg/thm；IC—铁水中碳含量，%；dC—直接还原耗碳，kg/thm；BC—风口前燃烧的碳，kg/thm；CKC—焦炭中碳含量，%；jC—喷吹燃料的碳量；—为焦炭中碳素生成甲烷的比例，通常为0.005~0.01，有喷吹时0.012~0.015。3．炉身区传热传质模型本模型主要用于求解间接还原度，模型的边界条件需要能量平衡模型给出。两者结合起来求解能质平衡模型。3.1基本假设以煤气温度1000℃为界，将高炉分为上下两个部分。上部分为低温区，只进行间接还原，并以此为研究对象，求解间接还原度。炉身区还原模型的基础是单颗粒矿石还原动力学模型。主要采用微元段积分法来处理，即先将炉身分割成许多微元段，再取其中的某个微元段进行考察，利用已知的气-固相传热和传质计算出该微元段的变化，当第i段中的状态值已知时，从该微元段中的变化就可求得第i+1段内的状态值。以此类推，从反应器顶部开始逐段地计算其状态值。为简化分析，对高炉过程作如下假设[3]：1)稳定态过程，即各高度处的所有变量均达稳定值,不随时间变化；2)反应器内结构均匀，无空隙率偏析；3)气流和炉料的运动形态为活塞流，忽略轴向返混现象，忽略径向温度和浓度梯度。3.2控制方程（1）传热方程对于气体：（式2）对于炉料：（式3）（2）传质方程)]([1sgvgggttShCGdzdt]16)([)1(1,nmopsgvssSHdZdRPWttShCwdzdt中国科技论文在线应用未反应核模型[4]原理，忽略扩散作用，得到某一还原步骤的还原度随炉身高度的变化：（式4）则矿石总的还原度是：（式5）（3）质量守恒方程：（式6）（式7）边界条件：气体出口处：Z=0,R=0,AC=0AC，0ggTTTs=Ts0，CB=CB0式中E—活化能J/mol；R—还原度%；H—化学反应热，)/(molKgKJ；vh—体积传热系数，)/(3smJ；tg—固体炉料温度，℃；ts—煤气温度，℃；S—面积，m3；——颗粒形状因子；—炉料孔隙率，%；sw—固体炉料的下降速度，kg/s；sC—炉料比热容；KgKJ/℃；gG—煤气流量，m3/s；gC—煤气比热容，3mKJ/℃；Z—床层高度，m；Pi——铁矿石中i元素含量，%；RH-M,RM-W,RW-F—分别表示Fe2O3—Fe3O4，Fe3O4—FeO，FeO—Fe各阶段还原度；s)-(rk—矿石频率因子；CA—还原性气体浓度，%；CB—氧化性气体浓度，%；0AC—出口处还原性气体浓度，%；CB0—出口处氧化性气体浓度，%；0gT—出口处气体温度，℃；Ts0—固体炉料入炉温度，℃；Tgi—进口处煤气温度，℃；Kp—化学反应平衡常数。4．高炉能质平衡模型的求解应用龙格库塔法求解炉身传热传质模型，模型的边界即高炉出口处的煤气成分、温度由物料平衡和热平衡给出。同时编制了高炉能质平衡仿真软件，其界面如图1所示。求解程序如图2所示。)()/exp()1)(1(6s)-(rs)-(r0s)-(rs)-(r3/2s)-(rpBApsKCCdcwRTEkRdZdRdZdRdZdRdZdRdZdRFWWMMH700.0189.0111.0)16(4.22dZdRPWVdzdCopgAdzdCdzdCAB中国科技论文在线．高炉富氧喷煤工艺分析以京唐钢铁公司高炉喷吹煤粉为例，讨论模型的计算结果。计算采用的原燃料、煤粉和焦炭条件如表1、表2和表3所示。取风温1200℃，鼓风湿度为1.5%。计算的关键是理论输入原料条件:焦炭、煤粉、矿石成分、设定铁水成分假定还原度假定焦比物料平衡，热平衡动力学模型:求还原度0riri0ckckWW输出：1、物料平衡和热平衡表2.炉身动力学模型结果StartEndckckWWriir否ckckWW否irri中国科技论文在线燃烧温度的选择。富氧喷吹时，控制适宜理论燃烧温度是十分必要的。理论燃烧温度过低，煤粉在风口前燃烧不完全，炉料加热不足而炉凉，过高则引起风口回旋区煤气体积急剧膨胀与SiO2气化，造成炉况不顺。通常对应于不同的富氧率应有不同的理论燃烧温度。目前国外一般认为理论燃烧温度不应超过2400℃，国内则倾向于不大于2300℃。基于此模型对理论燃烧温度的选择原则[5]是：煤比＜120kg/thm时，tf=2150℃。120kg/thm≤煤比≤250kg/thm时，tf=（2150+煤比—100）℃。表1矿石及溶剂成分表名称TFeSPFeOCaOSiO2MgO烧结矿58.620.0130.0546.839.024.741.92球团矿65.320.0210.0450.620.373.730.31混合矿59.990.01480.05185.4017.0314.4981.549石灰石52.861.241.54Al2O3MnOCO2Fe2O3P2O5S/2总计烧结矿1.320.23076.1540.12370.0065100.34球团矿2.110.13092.6250.10300.0105100混合矿1.4960.207079.6910.11970.0074100石灰石1.0143.35100表2焦炭成分表固定碳灰分（11.83）挥发份（0.67）有机物（0.69）合计SiO2Al2O3CaOMgOFeOFeSCO2COCH4H2N2H2N2S86.816.933.090.470.171.060.110.230.230.030.030.150.190.180.32100表3煤粉成分表CH2O2H2ON2SSiO2Al2O3CaOMgOFeO合计80.683.653.131.030.820.386.572.310.340.260.83100对于不同煤比的理论燃烧温度设定以后，在一定风温下就可根据理论燃烧温度模型计算出合适的富氧率，然后利用高炉数学模型算出高炉操作的其它工艺参数如：焦比、炉顶煤气量、直接还原度等。计算得到的煤比与理论燃烧温度、焦比、直接还原度、鼓风量、炉顶煤气量、炉顶煤气中CO、CO2、H2以及炉顶煤气利用率的关系如图2～图9。图3显示了煤比和富氧率的关系，富氧使理论燃烧温度升高，喷吹煤粉使理论燃烧温度降低。随着喷吹量的增大，为了维持合理的理论燃烧燃烧温度，富氧率逐渐的增大。在煤比小于120kg/t时，就可维持合理的理论燃烧温度，并不需要富氧。图4显示了煤比和焦比的关系。可以看到在煤比小于160kg/thm时，随着煤比的增加，焦比几乎直线下降；在煤比大于160kg/thm时，焦比的下降有所减缓。这说明，置换比有所降低。中国科技论文在线煤比，kg/thm焦比，kg/thm图3煤比、富氧率和理论燃烧温度之间的关系图4煤比和焦比之间的关系图5为根据本文的数学模型计算出的直接还原度与煤比的关系。高炉富氧喷吹后，炉身还原度是决定高炉燃料消耗的重要因素，本文的还原度是根据高炉炉身区一维传热模型求得的。可以看出，随着喷吹量的增大，直接还原度都在降低。这主要原因是，喷吹量和富氧提高后，还原性气体浓度提高，促进了炉身的还原，有利于间接还原的提高。图6显示煤比和炉顶煤气量的关系，可以看到，随着喷吹量的增大，富氧率增大，则炉顶煤气量逐渐减小，且在喷吹量大于160kg/thm时，减小的幅度变缓。在喷吹量大于240kg/thm时，炉身煤气量不足1680m3/thm。根据经验，要保障高炉顺行，炉身煤气量至少要控制在1680m3/thm，所以京唐钢铁公司高炉喷煤量不宜超过240kg/thm。0.30.350.40.450.5120140160180200220240煤比，kg/thm直接还原度15001600170018001900120140160180200220240煤比，kg/thm炉顶煤气量，m3图5煤比和直接还原度间的关系图6煤比和炉顶煤气量之间的关系图7和图8显示了煤比和炉顶煤气中CO2以及CO的关系，随着煤比的增大，CO和CO2含量都增大。当喷煤量大于160k