高炉低碳喷吹条件下回旋区质能平衡分析_任萌萌.pdf

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 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 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: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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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、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,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,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 s-e n e r g yb a l a n c e i nr a c e w a yb a s e do nC a n t e r a 本文先后采用了2种确定风口消耗焦炭量的方法。第一种方法与传统方法保持一致,计算进入回旋区所有的氧元素转化成C O所需的碳元素质量减去喷吹燃料中的碳元素质量,即为风口消耗的焦炭量。第二种方法考虑到回旋区周围的焦炭是过量的,在计算过程中逐步增大参与反应的焦炭量,直至平衡组分中出现焦炭剩余前一步输入的焦炭量即为风口消耗的焦炭量。1.3 模型对比与验证为了验证本文提出的基于C a n t e r a的回旋区质能平衡计算方法(下文简称C a n t e r a方法),选取了传统高炉和氧气高炉2种典型工况,喷吹参数见表1,分别用传统方法和C a n t e r a方法进行了回旋区质能平衡计算,结果见表2。表2中,C a n t e r a-1和C a n t e r a-2分别表示采用上文所述的第1种或第2种计算风口消耗焦炭量的方法。对比不同模型计算结果,可以看出,C a n t e r a-1和C a n t e r a-2方法计算的理论燃烧温度皆略低于传统方法计算值,C a n t e r a-2方法计算结果低于C a n t e r a-1方法计算结果。对比传统方法和C a n t e r a-1方法计算的炉腹煤气组成,可以看出,C a n t e r a-1方法中有少量的C O2和H2O,这是由于该 方 法 考 虑 了C+C O22 C O和C+H2OC O+H2反应平衡,与王广伟等1 8的研究结果一致。但是,上述2个反应逆向为放热反应,C O2和H2O的存在应该导致理论燃烧温度升高,而C a n t e r a-1方法计算的理论燃烧温度却低于传统方法。这主要是由于C a n t e r a模型还考虑了高温条件下H2裂解为H自由基,以及N2与焦炭、氢反应生成HC N,二者都是吸热反应,导致理论燃烧温度的降低。C a n-t e r a-2方 法 考 虑 到 回 旋 区 周 围 过 量 的 焦 炭,C+C O22 C O和C+H2OC O+H2反应可实现最大限度的正向进行,因此该模型计算的炉腹煤气中C O2与H2O成分为零,并且焦炭的过量进一步促进了HC N的生成,导致理论燃烧温度进一步降低。由于回旋区周围焦炭过量和高温条件下H、HC N的 生 成 都 是 客 观 事 实2 2-2 3,因 此 本 文 认 为C a n t e r a-2方法计算的回旋区质能平衡状态相比于传统方法和C a n t e r a-1方法更加准确,下文将统一采用C a n t e r a-2方法进行不同喷吹参数下的回旋区质能平衡分析。表1 不同高炉喷吹参数T a b l e1 I n j e c t i o np a r a m e t e r so fd i f f e r e n tb l a s t f u r n a c e s高炉类型热风量/(m3t-1)热风温度/K热风氧体积分数/%喷煤量/(k gt-1)喷吹气体量/(m3t-1)喷吹气体温度/K喷吹气体成分(体积分数)/%传统高炉2 59 6 0.515 2 32 5.2 61 9 0-氧气高炉2 62 5 8.02 9 89 0.0 02 0 03 5 011 7 3C O:6 4.3 2;H2:1 4.6 2;N2:1 5.9 4;C O2:4.5;H2O:0.6 283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表2 不同模型计算结果对比T a b l e2 C o m p a r i s o no f r e s u l t s c a l c u l a t e db yd i f f e r e n tm o d e l s高炉类型计算模型风口消耗焦炭量/(k gt-1)理论燃烧温度/K炉腹煤气量/(m3t-1)C OH2N2C O2HHC NH2O总计传统高炉2 4传统模型1 4 2.4 225 7 55 1 7.0 59 5.6 67 3 5.7 2000013 4 8.4 3C a n t e r a-11 4 2.4 225 6 95 1 6.4 99 2.2 97 3 5.5 30.1 85.8 50.3 90.2 113 5 0.9 5C a n t e r a-21 5 4.9 225 1 15 1 7.0 58 1.8 27 2 4.9 604.3 02 1.4 6013 5 0.5 1氧气高炉2 5传统模型1 2 8.8 623 8 07 4 5.8 5 1 5 4.0 38 4.5 900009 8 4.4 7C a n t e r a-11 2 8.8 623 6 87 4 5.3 8 1 5 1.7 88 4.4 40.1 53.7 60.3 20.1 79 8 6.0 0C a n t e r a-21 3 2.8 623 4 37 4 5.8 3 1 4 8.5 88 1.5 703.36.0 409 8 6.0 61.4 计算工况首先选取了文献中1 4种高炉的喷吹参数,计算并分析了其回旋区质能平衡状态。在此基础上,以维持合理的理论燃烧温度和炉腹煤气量为出发点,设计了6组控制变量工况。其中,第1组工况限定鼓入气体总量为11 0 0m3/t,计算喷吹不同体积炉顶煤气工况下,质能平衡状态随热风氧含量的变化。第2组和第3组工况限定鼓入气体总量为11 0 0m3/t、鼓入氧气量为3 0 0m3/t,分别探究喷吹H2+C O双组分气体和H2+C O+CH43组分气体时气体成分变化对回旋区质能平衡状态的影响。第4第6组工况以维持理 论 燃 烧 温 度(24 2 31)K、炉 腹 煤 气 量(14 5 01)m3/t为目标,通过程序试算确定喷吹纯甲烷、焦炉煤气及富氧干馏煤气3种甲烷含量不同的气体时合理地鼓入气体总量和热风氧含量。2 结果与讨论2.1 不同高炉的回旋区质能平衡状态分析1 4种高炉工况的回旋区质能平衡计算结果见表3。其中,15号为传统高炉工况,鼓风氧体积分数不超过3 0%,除热风外不喷吹其他气体,各高炉工况的理论燃烧温度为23 0 026 0 0K,基本随鼓风富氧率的增大而增大。对于1号、2号和5号高炉工况,3者热风氧含量相同,但理论燃烧温度却相差3 05 0K。这主要是由参与风口燃烧的焦炭和煤粉的比值不同导致的,从表3中可以看出,1号、2号、5号高炉工况下风口消耗的焦煤比分别为1.1、0.8 9、1.1 9 3。焦炭的热值高于煤粉,相同热风氧含量条件下,风口消耗焦 煤比越高,理 论燃烧温度越高。表3 不同高炉的喷吹参数及理论燃烧温度T a b l e3 I n j e c t i o np a r a m e t e r sa n dt 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 eo fd i f f e r e n tb l a s t f u r n a c e s高炉工况热风量/(m3t-1)热风温度/K热风氧体积分数/%喷吹气体量/(m3t-1)喷吹气体成分喷吹气体温度/K喷煤量/(k gt-1)风口消耗焦炭量/(k gt-1)理论燃烧温度/K12 711 2 9.0 014 7 32 1.0 0-1 5 0.01 6 5.0 024 2 522 89 6 9.5 014 7 32 1.0 0-1 4 7.01 3 1.0 023 9 532 910 5 7.0 014 0 22 6.9-1 3 0.02 3 3.0 026 1 843 011 6 8.0 014 7 12 3.3 7-1 8 9.51 8 1.0 024 7 053 111 8 3.9 014 7 32 1.0 0-1 5 0.01 7 9.0 024 3 263 19 1 4.9 014 7 33 0.0 02 8 5.1炉顶煤气2 9 81 5 0.02 0 8.5 023 1 973 17 0 6.1 014 7 34 0.0 04 0 1.9炉顶煤气2 9 81 5 0.02 1 7.5 023 1 783 15 7 6.0 014 7 35 0.0 04 7 6.0炉顶煤气2 9 81 5 0.02 2 4.0 023 1 692 42 5 8.0 02 9 89 0.0 03 5 0.0炉顶煤气11 7 32 0 0.01 3 3.0 023 3 51 02 73 6 6.0 02 9 87 0.0 02 8 0.0炉顶煤气11 7 31 5 0.01 9 1.0 024 4 71 11 310 2 0.8 814 2 32 7.1 76 0.0氢气2 9 81 4 5.82 1 7.2 724 9 81 21 39 4 9.0 214 2 33 1.3 81 2 0.0氢气2 9 81 4 5.82 4 2.6 525 2 21 33 09 4 2.5 014 7 12 6.1 32 1 0.1天然气2 9 801 5 2.0 018 9 81 43 08 9 7.6 014 7 12 7.0 09 1.2天然气2 9 89 9.91 5 3.0 022 3 593钢 铁第5 8卷 表3中61 0号工况来源于氧气高炉相关文献,1 11 4号来源于富氢气体喷吹相关文献,均可归为低碳喷吹条件。可以看出,1 3号工况在鼓风氧体积分数为2 6.1 3%、喷吹2 1 0m3/t天然气的情况下,理论燃烧温度仅为18 9 8K,比常规高炉的理论燃烧温度低3 0 0K以上。这是由于喷吹富氢气体后,直接还原度降低,热量需求减少,理论燃烧温度可适当降低2 6。对比68号高炉各氧气高炉工况发现,热风氧含量和喷吹炉顶煤气量之间形成了较好的互补关系,随着热风氧含量的增加,喷吹气体量增大,热风量减小,可维持理论燃烧温度为23 1 623 1 9K。但是,比较8号与9号工况发现,热风氧含量增大后,喷吹煤气量却减小。这是由于喷吹气体总量、煤气预热温度、喷煤量等参数的同时变化,导致热风氧含量与喷吹煤气量两者的内在调和关系体现不明显。2.2 热风氧含量和煤气喷吹量的调和平衡基于上述分析,限定风口鼓入的气体总量为11 0 0m3/t,以喷吹气体量和热风氧含量作为控制变量,探究喷吹不同炉顶煤气喷吹量条件下,回旋区质能平衡状态随热风氧含量的变化,以揭示低碳喷吹条件下煤气喷吹量与热风氧含量间的调和平衡关系。喷吹参数如表4中1号工况所示。其中,炉顶煤气成分来源于某氧气高炉设计工况3 1(表5)。表4 模拟工况喷吹参数T a b l e4 I n j e c t i o np a r a m e t e r so f s i m u l a t e dc o n d i t i o n s编号鼓入气体总量Vt/(m3t-1)喷吹气体量Vg/(m3t-1)热风量Vb/(m3t-1)热风温度/K煤气温度/K热风氧体积分数煤气成分111 0 008 0 011 0 0-Vg14 7 32 9 82 0%1 0 0%炉顶煤气211 0 008 0 011 0 0-Vg14 7 32 9 83 0 0/(11 0 0-Vg)C O/H2双组分(H2)=01 0 0%311 0 008 0 011 0 0-Vg14 7 32 9 83 0 0/(11 0 0-Vg)C O/H2/C H43组分(H2)(C O)=14,(C H4)=01 0 0%注:所有工况喷煤量设置为1 5 0k g/t。表5 不同喷吹气体成分(体积分数)T a b l e5 C o m p o s i t i o no fd i f f e r e n t c o-i n j e c t i o ng a s e s%项目C OH2N2C O2H2OC H4炉顶煤气3 16 5.91 5.31 6.611.10焦炉煤气3 27.9 3 6 4.4 80002 7.5 9富氧干馏煤气2 13 2.2 6 4 9.4 60001 8.2 8 回旋区质能平衡状态随喷吹炉顶煤气量及热风氧含量变化结果如图2所示,在给定喷吹煤气量的条件下,理论燃烧温度随热风氧含量的增加而增加。相同热风氧含量条件下,炉顶煤气喷吹量越大,理论燃烧温度越低。由于设置风口鼓入气体总量为定值(Vt=11 0 0m3/t),回旋区的理论燃烧温度主要取(a)理论燃烧温度;(b)风口消耗焦炭量图2 回旋区质能平衡状态随喷吹炉顶煤气量及热风氧含量变化F i g.2 E f f e c t o f t o pg a s i n j e c t i o nr a t ea n db l a s t o x y g e nv o l u m ep e r c e n t o nr a c e w a ym a s sa n de n e r g yb a l a n c e04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决于实际鼓入的氧气量,鼓入的氧气量越多,参与燃烧的燃料放热越多,理论燃烧温度越高。由图2(b)可知,在喷吹煤气量一定的条件下,随着热风氧含量的增大,鼓入的氧气量增大,风口消耗的焦炭量增多。热风氧含量一定时,风口消耗焦炭量随喷吹煤气量增加而减小。不同热风氧含量条件下最大可喷吹煤气量、鼓入总氧量及风口焦炭消耗量如图3所示。在不同热风氧含量条件下,满足理论燃烧温度不小于22 7 3K的最大喷吹煤气量(图2(a)中阴影区域的下边界),以及相应的鼓入氧气量和焦炭消耗量。最大可喷吹煤气量随热风氧含量增大而增大,并且在热风氧含量较低的区间增幅较大。当热风氧体积分数达到1 0 0%时,喷吹炉顶煤气量达到极大值7 6 6 m3/t。风口鼓入的总氧气量与消耗的焦炭量随喷吹煤气量增大而有所上升,说明维持合理理论燃烧温度所需的燃料放热量增多。造成这一现象的主要原因是喷吹煤气为常温,喷吹煤气量越大,其替代原有热风后造成的热量缺口就越大,需要更多的燃料燃烧来弥补。图3 不同热风氧含量条件下最大可喷吹煤气量、鼓入总氧量及风口焦炭消耗量F i g.3 M a x i m u mg a s i n j e c t i o nr a t e,t o t a l o x y g e n i n j e c t i o nr a t ea n dt u y e r ec o k ec o n s u m p t i o nr a t ea td i f f e r e n tc o n d i t i o n so fb l a s t o x y g e nf r a c t i o n在上述工况条件下炉腹煤气量及煤气组成随热风氧含量的变化如图4所示。可以看出,随着热风氧含量的增大,炉腹煤气中N2量逐渐减小,C O和H2量均随之增大,炉腹煤气总量略有上升。其中,N2减少是由于随热风鼓入的N2量减少。C O和H2量增大,一方面是由于喷吹煤气量增大(图3),另一方面是燃料燃烧生成量增大。从煤气组成来看,随着热风氧含量和喷吹煤气量的增大,炉腹煤气还原势显著提升。由以上分析可知,热风氧含量和喷吹煤气量的联动调节可实现理论燃烧温度维持在合理范围。冷煤气喷入引起的热量缺口会增加风口的燃料消耗,而C O和H2在风口处对于燃烧放热没有贡献,在喷煤量一定的条件下,会增大风口焦炭消耗。但是,喷吹煤气后炉内还原势提高,可提高间接还原度,降低直接还原消耗的焦炭2 6,3 3-3 4,有望降低总焦比。图4 炉腹煤气量及煤气组成随热风氧含量变化F i g.4 B o s hg a sv o l u m ea n dg a s c o m p o s i t i o na f f e c t e db yb l a s t o x y g e nf r a c t i o n2.3 喷吹气体成分对回旋区质能平衡状态的影响气体成分是喷吹气体影响风口回旋区质能平衡状态的一个重要因素。依据分析结果,进一步设定风口鼓入的氧气量为3 0 0m3/t不变,探究喷吹C O+H2双组分气体或C O+H2+CH43组分气体时,回旋区质能平衡状态随煤气成分的变化(表4中第2组和第3组工况)。喷吹C O+H2双组分气体时回旋区质能平衡状态随H2体积分数变化如图5所示。由图5(a)和图5(b)可知,喷吹气体量为2 0 06 0 0m3/t时,理论燃烧温度随H2含量增加略有降低。风口消耗焦碳量随喷吹气体中H2含量的增大而增大。通过分析回旋区平衡状态煤气成分可知,造成上述变化的原因主要是H2含量增大导致炉腹煤气中H自由基和HC N增多(图5(c)和图5(d)。H自由基和HC N的生成都是吸热过程,从而导致理论燃烧温度降低。HC N是热风或煤粉中的N与H2、焦炭反应生成的产物,因此,风口焦炭消耗量的增加是HC N的生成量增大导致的。当喷吹气体量为8 0 0m3/t时,理论燃烧温度随喷吹气体中H2体积分数增加而略有升14钢 铁第5 8卷高。这是由于喷吹气体量为8 0 0m3/t时,热风氧体积分数为1 0 0%(表4中第2组工况设定条件),回旋区的氮来源仅限于喷吹煤粉中的少量氮元素,限制了HC N的生成量(图5(d)。此外,H2的摩尔比热容小于C O,H2体积分数增加会导致炉腹煤气热容减小而温度略有升高。喷吹气体量为8 0 0m3/t时,煤气热容对理论燃烧温度的影响超过HC N生成对理论燃烧温度的影响。(a)理论燃烧温度;(b)风口消耗焦炭量;(c)炉腹煤气中H自由基;(d)炉腹煤气中HC N图5 喷吹C O+H2双组分气体时回旋区质能平衡状态随H2体积分数变化F i g.5 R a c e w a ym a s sa n de n e r g yb a l a n c ea f f e c t e db yv o l u m ep e r c e n t o fH2i nH2+C Oc o-i n j e c t i o ng a s 不同体积C O+H2+CH43组分气体喷吹时,理论燃烧温度、风口焦炭消耗量及产生的炉腹煤气体积随喷吹气体