2011炉顶煤气循环_氧气鼓风高炉综合数学模型_北科大

Comprehensive mathematical model of top gas recyclingoxygen blast furnaces
HAN Yihua，WANG Jingsong ，LI Yanzhen，SHE Xuefeng，KONG Lingtan，XUE Qingguo
State Key Laboratory for Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083 ，China Corresponding author，Email： wangjingsong@ ustb． edu． cn
焦 V CO直 + cX C1 CO + V CO － V CO间耗 顶 H2
V
缸 N2
=V
煤 N2
+ bX
C2 N2
（ 12 ）
焦 H2
缸 V缸 H2 和 N2 式中： V 缸 CO 、 H2 和 V N2 分别为炉缸区域 CO 、
=V
煤 H2
+ b（ X
顶 N2
C2 H2
+X
C2 H2 O
） + cX
北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室 ，北京 100083 Email： wangjingsong@ ustb． edu． cn 通信作者，
摘
要
为了研究开发炉顶煤气循环 μ 氧气鼓风高炉炼铁新工艺 ， 建立其综合数学模型． 模型由高炉各个区域煤气成分计算
－1
方程、 高炉上部空区热平衡模型 、 热化学平衡模型和炉身效率模型组成 ． 用此模型计算了该炼铁工艺的基本工艺参数 ． 结果 · t 表明： 新工艺的焦比为 200 kg ， · t －1， 煤比为 200 kg 相比传统高炉， 燃料比降低 22. 9% ； 风口循环煤气量对风口理论燃烧温
身 CO2
和V
身 H2 O
分别为刚进入炉身区
H2 、 N2 、 CO2 和 H2 O 气体体积， m3· t － 1 ； c 为炉 域 CO、
C1 m3·t － 1 ； X C1 X C1 X C1 X C1 身循环煤气量， CO 、 H2 、 N2 、 CO2 和 X H2 O 分
H2 、 N2 、 CO2 和 H2 O 气体 别为炉身循环煤气中 CO、 体积分数． （ 1） （ 2） （ 3） V （ 4 ） 炉顶区域． C2 C2 C2 V顶 CO = 2 V O2 + b （ X CO + 2 X CO2 + X H2 O ） +
目前， 以焦炭为主要原料的传统高炉炼铁技术 在生产效率、 能量利用等方面的发展已近乎完美 ， 但 在全球焦煤资源匮乏和环境恶化等压力下 ， 需要开 ． 发以煤为主要能源的新的炼铁工艺 以粉煤和纯氧 -氧气鼓风高炉炼铁技 为主要原料的炉顶煤气循环-氧炼铁新工艺 术是最有可能实现规模化应用的煤-氧气鼓风高炉炼铁技术是用 之一． 炉顶煤气循环纯氧鼓风取代传统的预热空气鼓风操作 ， 并将高炉 煤气脱除 CO2 后返回高炉利用的炼铁工艺， 其具有
-4 ［3 ］
， 但由
于技术保密， 其公开报道的资料很少． 采用数学模 拟的方法是研究新技术的重要手段 ． 秦民生等建立
基金项目： 国家重点基础研究发展计划资助项目 （ 973 计划） （ No． 2012CB720401 ） ； 国家科技支撑计划资助项目（ No． 2011BAC01B02 ）
第 10 期
C2 C2 C2 C1 V身 CO = 2 V O2 + b （ X CO + 2 X CO2 + X H2 O ） + V CO直 + cX CO
腹 N2
1
-氧气鼓风高炉综合数学 炉顶煤气循环模型
-氧气鼓风高炉炼铁工艺流程 炉顶煤气循环设计
1. 1
（ 7）
C2 C2 C1 煤 V身 H2 = V H2 + b （ X H2 + X H2 O ） + cX H2
第 33 卷 第 10 期 2011 年 10 月
北
京
科
技
大
学
学源自文库
报
Vol． 33 No． 10 Oct． 2011
Journal of University of Science and Technology Beijing
-氧气鼓风高炉综合数学模型 炉顶煤气循环 韩毅华 王静松 李燕珍 佘雪峰 孔令坛 薛庆国
-氧气鼓风高炉综合数学模型 韩毅华等： 炉顶煤气循环-
· 1281·
［5 ］ 了高炉炼铁过程综合数学模型 ， 即热化学模型与 ， 动力学模型的联合求解方法 并全面解析了氧气高
炉炼铁新工艺 （ FOBF ） 的操作状态． 高征铠等提出 了 OCF 炼铁工艺， 并运用传统热化学平衡模型对其 进行了理论研究 参数
-09 -28 收稿日期： 2010 -
生产率高、 高喷煤量、 低焦比和煤气热值较高等优越 性
-2 ［1 ］
． 欧 盟 2004 年 制 订 并 实 施 了“超 低 CO2 炼
— —新 计划 （ ULCOS ） ， 高炉炉顶煤气循环技术— 钢” -BF） 是其重点开发的技术 型无氮气高炉技术（ TGR之一， 其目标是减少炼铁碳消耗 25 % ， 目前已完成 8 m3 高炉实验， 达到了预期效果， 并已启动产业化开 发计划， 目标是到 2020 年实现工业生产
1 —高炉； 2 —除尘系统； 3 —加压装置； 4 —CO2 + H2 O 脱除设备； 5 —加热设备 图1 Fig． 1 -氧气鼓风高炉炼铁工艺流程图 炉顶煤气循环-
Ironmaking process flow diagram of a top gas recycling and
oxygen blast furnace
ABSTRACT
A comprehensive mathematical model was established to develop a new ironmaking process for a top gas recycling and
oxygen blast furnace． The model consists of the calculation equations for gas composition of each area in the blast furnace，the thermal equilibrium model on the top skip area of the blast furnace，the thermochemical balance model，and the stack efficiency model． Operating parameters for the new ironmaking process were calculated with the model． The results show that the coke rate and the coal rate of the new ironmaking process are both 200 kg·t － 1 ，and in comparison with a traditional blast furnace，the fuel ratio decreases by 22. 9% ． In addition， the tuyere circulation gas quantity has great influence on the theoretical combustion temperature． When the tuyere circulation gas quantity increases by 10 m3· t － 1 ，the theoretical combustion temperature decreases by 17. 6 K． Furthermore，the model could be applied to calculate the operating parameters when the raw materials and fuel conditions are different，and the change laws of operating parameters under the same raw materials and fuel conditions also could be studied with this model． KEY WORDS oxygen blast furnaces； gas recycling； mathematical models； process parameters
（ 8） （ 9） （ 10 ） （ 11 ）
， 结合已有的氧气高炉工艺流程 提出的炉 -氧气鼓风高炉炼铁工艺流程示意图如 顶煤气循环图 1 所示． 其工艺特点如下： （ 1 ） 炉缸和炉身各设一 排风口； （ 2 ） 炉缸风口吹入常温氧气并大量喷吹煤 粉， 同时送入预热并脱除 CO2 和 H2 O 的炉顶煤气； （ 3 ） 炉身风口吹入预热并脱除 CO2 和 H2 O 的炉顶 煤气； （ 4 ） 外供一部分煤气． 1. 2 高炉各个区域煤气成分计算方程 （ 1 ） 炉缸区域． C2 C2 C2 V缸 CO = 2 V O2 + b （ X CO + 2 X CO2 + X H2 O ）
C1 H2
+V
－ V H2间耗 （ 13 ） （ 14 ） （ 15 ） （ 16 ）
m3 ·t － 1 ； V O2 为 风 口 前 碳 燃 烧 耗 氧 量， 气体体 积， m3· t － 1 ； b 为风口前循环煤气量， m3·t － 1 ； V 煤 V煤 H2 、 N2 分 N2 气体体积， m3·t － 1 ； X C2 别为煤粉挥发分中 H2 、 CO 、
C2 C2 煤 V缸 H2 = V H2 + b （ X H2 + X H2 O ）
-11 ［8 ］
煤 V身 N2 = V N2 + bX
C2 N2
+ cX
C1 N2
V V V 、 V 、 V 式中： V 、
身 CO 身 H2 身 N2
身 CO2
= cX = cX
C1 CO2 C1 H2 O
身 H2 O
［7 ］
． Yamaoka 和 Kamei 运用一维氧 气高炉数学模型计算了 NKK 公司试验高炉的操作 ． 以往的氧气高炉数学模型延用了传统热化 学平衡模型的计算方法， 没有同时综合考虑高炉上
［6 ］
下区域的热平衡和炉身效率的因素， 所计算得到的 结果有一定的局限性． 因此， 本文建立了炉顶煤气 -氧气鼓风高炉综合数学模型， 循环模型由高炉各 高炉上部空区热平衡模 个区域煤气成分计算模型、 热化学平衡模型和炉身效率模型组成并联合求 型、 解． 此模型主要是在保障五个计算原则的前提下进 行模拟计算， 具有一定的可靠性． 本文详细描述了 模型形式、 求解方法、 计算原则及其应用情况， 并求 -氧气鼓风高炉炼铁工艺的基本 解出炉顶煤气循环工艺操作参数， 为研究开发该新炼铁工艺提供理论 依据．
C2 X C2 X C2 X C2 H2 、 N2 、 CO2 和 X H2 O 分 别 为 风 口 循 环 煤 气 中 CO 、
V
=V
煤 N2
+ bX
C2 N2
+ cX
C1 N2
+V
焦 N2
C1 焦 V顶 CO2 = V CO2 间生 + V CO2 + cX CO2
V顶 H2 O = V H2 O间生 + V H2 O料 + cX V 、 V 、 V 式中： V 、
3 －1
t 度影响较大， 风口循环煤气量每增加 10 m · 关键词 分类号
时， 风口理论燃烧温度降低 17. 6 K． 此外， 应用此模型还可以计算任何原料和燃
料等条件下的炼铁工艺参数 ， 研究相同原料和燃料条件下的各个工艺参数的变化规律 ． 氧气高炉； 煤气循环； 数学模型； 工艺参数 TF 538. 5
C2 C2 煤 V腹 H2 = V H2 + b （ X H2 + X H2 O ）
（ 5） （ 6）
V
腹 CO 腹 H2
腹 N2
=V
煤 N2
+ bX
C2 N2
V 和 V 分别为炉腹区域 CO、 H2 和 N2 式中： V 、 m3· t － 1 ； V CO直 为直接还原生成的 CO 气体 气体体积， m3· t －1． 体积， （ 3 ） 刚进入炉身区域．