氧气高炉炉身煤气和循环煤气行为基础研究

【摘要】：高炉炼铁节碳减排是减少钢铁企业能源消耗和CO2及其它污染物排放的重要途径。炉顶煤气循环-氧气鼓风高炉炼铁技术(简称氧气高炉)节碳减排能力已经通过理论计算和高炉试验得到了验证。该工艺采用纯氧鼓风代替传统高炉的预热空气鼓风,高炉炉顶煤气脱除CO2后返回高炉利用,其中,炉顶煤气循环利用是氧气高炉关键特征之一。本文对氧气高炉炉身喷吹循环煤气进行冷态物理模拟研究和模拟计算；在铁矿石还原的热态实验基础上,建立了氧气高炉炉身气-固换热与化学反应耦合数学模型；研究了煤气在炉身上升过程中的界面阻力以及煤气在加热过程中的析碳行为。本研究结果将为氧气高炉工艺的设计和研发提供了理论基础。 利用二维冷态物理模型对炉身喷吹煤气在炉内分布进行了实验研究。结果表明,炉身喷吹煤气量与炉身煤气总量之比对炉身喷吹煤气在炉内分布起决定性作用,而炉身煤气总量对其影响不大。炉身煤气分布主要分为两个不同区域,一个是炉身喷吹煤气主要影响区域,另一个是高炉下部产生的上升煤气主要影响区域。根据冷态物理模型几何结构,建立了二维数学模型,对炉身喷吹煤气在炉内流动进行了模拟计算,结果表明,炉身喷吹气体和高炉下部产生的上升气体之间混合性不强,炉身气体喷吹主要对辅助风口附近的气体流动方向影响较大。 采用程序还原及软熔实验装置,研究了传统高炉与氧气高炉中混合矿的还原及软熔行为。在此基础上,建立了传统高炉与氧气高炉炉身气固换热与化学反应耦合数学模型,通过与高炉解剖及前人建立的物料平衡模型对比验证了模型的可靠性。模拟计算结果表明,与传统高炉相比,氧气高炉热储备区间明显扩大,炉内其他位置温度分布与传统高炉相似,炉身喷吹循环煤气很好地解决了氧气高炉的“上冷”问题,同时CO和H2浓度水平更高。对于不同形状的软熔带而言,固体炉料温度分布区别较小。此外,辅助风口直径和角度对温度和气体浓度分布的影响较小。 氧气高炉中焦比的降低及炉身交替炉料问的阻力变化必然对炉内压差造成较大影响,因此通过三维冷态物理模型研究了焦比和交替炉料间的界面阻力对压差的影响,同时引进孔喉公式用来预测高炉透气性。结果表明,随着气体流速和界面层数的增加,料柱整体压差和界面压差增大。随着焦比的降低,界面压差和料柱整体压差增加,透气性变差。此外,界面阻力和物性参数、气体流速、界面层数之间的推导公式为这个公式与孔喉公式进行结合成为压差修正公式,不同料层厚度的实验值与计算值对比证明了修正公式的适用性。通过计算发现,随着气体流速的提高,界面空隙率产生轻微振荡下降,降幅并不是很强烈。 自行设计了实验装置,并采用该装置在300℃—700℃范围内分别对CO、CO-H2混合气氛以及氧气高炉炉顶循环煤气加热过程中的析碳行为进行研究。结果表明,100%CO条件下析碳速率较缓慢析碳量较少；随着温度的升高,CO-H2混合气体加热过程中的析碳反应速率增大,500℃和600℃时析碳最严重,700℃时析碳反应减弱,提高H2含量会促进析碳反应；在氧气高炉炉顶循环煤气气氛加热过程中,当温度低于500℃时,温度的升高可以加快析碳反应速率,当高于此温度时,温度的升高反而会抑制析碳反应速率,CO分解反应在析碳反应过程中起主导作用。随CO2%(体积分数)的增加,析碳反应速率逐渐降低。 【关键词】：氧气高炉 炉身喷吹煤气 模型 界面阻力 析碳反应
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TF53
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 1 引言14-16
• 2 文献综述16-40
• 2.1 氧气高炉炼铁工艺及其选择16-19
• 2.2 氧气高炉条件下炉身循环煤气的行为研究19-25
• 2.2.1 氧气高炉炉身喷吹循环煤气研究19-20
• 2.2.2 氧气高炉炉身煤气透气性基础研究20-22
• 2.2.3 氧气高炉循环煤气加热以及输送的行为研究22-25
• 2.3 高炉数值模拟研究25-34
• 2.3.1 高炉离散元非连续性数值模拟研究概况26-29
• 2.3.2 高炉多相流连续性数值模拟研究概况29-32
• 2.3.3 高炉离散元非连续与多相流连续性结合数值模拟研究概况32-34
• 2.4 氧气高炉工业试验34-37
• 2.5 本文研究内容与创新点37-40
• 2.5.1 主要研究内容37-39
• 2.5.2 创新点39-40
• 3 氧气高炉炉身循环煤气在炉内分布研究40-64
• 3.1 前言40
• 3.2 实验部分40-44
• 3.2.1 实验原料与装置40-42
• 3.2.2 实验方法42-44
• 3.3 实验结果与讨论44-53
• 3.3.1 炉身喷吹煤气在炉内的分布情况44-46
• 3.3.2 炉身煤气总量对喷吹煤气分布的影响46-47
• 3.3.3 炉身喷吹煤气量与炉身煤气总量之比对炉身喷吹煤气在炉内分布的影响47-50
• 3.3.4 炉身辅助风口的位置对炉身喷吹煤气在炉身分布的影响50-53
• 3.4 数值模拟部分53-59
• 3.4.1 气体流场的基本数学方程53-54
• 3.4.2 标准k-ε模型方程54-56
• 3.4.3 多孔介质模型56-57
• 3.4.4 物质输运方程57-58
• 3.4.5 模型几何结构与边界条件58
• 3.4.6 模型网格划分58-59
• 3.5 数值模拟结果与分析59-62
• 3.5.1 模拟结果与实验验证59-60
• 3.5.2 炉身喷吹煤气时炉内气体流动的变化60-61
• 3.5.3 炉身喷吹煤气时炉内轴向和径向气体流速的变化61-62
• 3.6 本章小结62-64
• 4 氧气高炉炉身气固换热与化学反应耦合数学模型64-103
• 4.1 前言64
• 4.2 实验部分64-73
• 4.2.1 实验原料及微观结构65-67
• 4.2.2 程序还原实验设备与方法67-69
• 4.2.3 程序软熔实验装置及方法69-70
• 4.2.4 实验条件70-72
• 4.2.5 数据处理72-73
• 4.3 实验结果与分析73-78
• 4.3.1 程序还原实验结果与分析73-76
• 4.3.2 程序软熔实验结果与分析76-78
• 4.4 数学模型部分78-85
• 4.4.1 基本数学方程78-79
• 4.4.2 气固相之间的动量交换79-80
• 4.4.3 气固相之间的热量交换80-81
• 4.4.4 气固相之间的化学反应81-83
• 4.4.5 模型边界条件83-84
• 4.4.6 计算条件84-85
• 4.5 数学模型计算结果与分析85-101
• 4.5.1 模型的验证85-86
• 4.5.2 氧气高炉炉身内基本分布特点86-89
• 4.5.3 氧气高炉与传统高炉的对比分析89-95
• 4.5.4 炉身喷吹循环煤气量对炉内温度和气体分布的影响95-97
• 4.5.5 软熔带结构对炉内温度和气体分布的影响97-99
• 4.5.6 炉身辅助风口参数对炉内温度和气体分布的影响99-101
• 4.6 本章小结101-103
• 5 炉身上部交替层之间界面阻力的研究103-121
• 5.1 前言103-104
• 5.2 实验装置与方法104-107
• 5.3 实验结果与分析107-120
• 5.3.1 界面阻力的存在性107-109
• 5.3.2 界面层数和气体流速对整体压降和界面压降的影响109-110
• 5.3.3 料层位置和厚度对压降的影响110-112
• 5.3.4 界面阻力修正公式112-119
• 5.3.5 界面空隙率及其变化119-120
• 5.4 本章小结120-121
• 6 氧气高炉循环煤气加热过程中的析碳行为研究121-135
• 6.1 前言121
• 6.2 析碳反应热力学计算121-123
• 6.3 实验部分123-125
• 6.3.1 实验装置及方法123-125
• 6.3.2 实验方案125
• 6.4 实验结果与分析125-134
• 6.4.1 100%CO加热过程中析碳行为研究125-126
• 6.4.2 H_2和CO混合加热过程中析碳行为研究126-128
• 6.4.3 氧气高炉循环煤气加热过程中析碳行为研究128-134
• 6.5 本章小结134-135
• 7 结论135-137
• 参考文献137-152
• 作者简历及在学研究成果152-155
• 学位论文数据集155

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