郁肖兵, 倪文杰, 邹宗树
东北大学 冶金学院, 辽宁 沈阳110819
收稿日期：2017-05-24
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51574064)。
作者简介：郁肖兵(1988-)，男，山东宁阳人，东北大学博士研究生;
邹宗树(1958-)，男，山东章丘人，东北大学教授，博士生导师。

摘要：针对高富氧操作中出现的“上冷下热”问题, 考虑高炉正常冶炼所需的必要条件, 建立了对高温区和低温区分别计算物料和热量平衡的数学模型, 用于研究高炉内热状态随富氧率的变化和相应的对策.本文描述了模型的建立过程, 并通过与生产数据的对比证明了模型的有效性.基准算例条件下的计算结果表明:富氧提高1%, 炉顶煤气温度下降约14 ℃; 对于富氧率为1.7%的高炉操作, 在不采取额外措施时仍能确保高温区和低温区的热量平衡.另外, 计算得到的理论最低直接还原度与实际生产直接还原度的差异表明当前高炉冶炼仍具有继续降低燃料比的可能性.
关键词：高炉富氧数学模型炉顶煤气温度软熔带
Integrated Model of Oxygen-Enriched Blast Furnace
YU Xiao-bing, NI Wen-jie, ZOU Zong-shu
School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: ZOU Zong-shu, E-mail: zouzs@mail.neu.edu.cn
Abstract: Aiming to solve the problem of "hot lower part and cool upper part" in blast furnace with oxygen enrichment blowing, this work has developed a model considering necessary conditions in practice to calculate the heat balances of both the high- and low-temperature zones respectively. The model is expected to study the variation of thermal state of blast furnace and the possible corresponding countermeasures in oxygen enrichment blowing operation. This paper describes the process of model development and validation through comparing with practical production data. The result under conditions of the base case shows that, when oxygen enrichment ratio increases by 1%, the top gas temperature decreases by 14 ℃. For the operation with an oxygen enrichment rate of 1.7%, the heat balances of both high-and low-temperature zones can be ensured with no additional countermeasures. Besides, the difference between the theoretical minimum direct reduction degree calculated by this model and the reduction degree acquired in practice proves that there is still some room to further reduce the fuel rate in blast furnace ironmaking.
Key words: blast furnaceoxygen enrichmentmathematical modeltop gas temperaturecohesive zone
高炉作为目前最复杂的多相流反应器之一, 了解其内部的冶炼规律并指导实际冶炼操作一直是冶金工作者的追求^[1-14].一方面是由于高炉冶炼每年要消耗数量庞大的焦炭作为热源和炼铁还原剂, 而炼焦煤的稀缺决定了焦炭的价格居高不下, 高炉炼铁的成本随之升高; 另一方面伴随着炼铁过程会产生大量含有CO₂的高炉煤气，对全球气候产生了潜在的不良影响.提高冶炼强度的同时降低焦炭的消耗不仅对环境保护具有重要的意义, 而且会促进冶炼成本的下降，增加高炉炼铁的盈利.高炉富氧操作是增产节焦的一条重要途径.
目前, 国内多家炼铁企业都已经采用富氧鼓风外加喷煤操作^[10-13], 但其富氧率一般都在5%以下, 高富氧的操作很少.这主要是由于在不采取其他措施的前提下，随着富氧率的增加, 高炉的“上冷下热”，即热量分布不均匀的情形越来越严重，下部直接还原区热量过剩, 上部间接还原区热量不足.为进一步解析富氧条件下高炉内部的冶炼规律并为高炉的高富氧操作提供解决方案, 本工作通过构建高炉分区域的物料热平衡模型, 计算分析富氧鼓风对高炉状态的影响及相应的对策.
1 高炉富氧模型高炉富氧模型以高炉物料收支平衡和热量收支平衡计算为基础, 核心是解决高炉在高富氧条件下“上冷下热”的问题.为研究高炉上下部分热量收支情况, 把高炉分为上部低温区和下部高温区, 两者划分的界限是1 000 ℃的固态炉料温度, 该温度下炉料一般开始软熔, 软熔带开始形成^[14], 分界线处的煤气温度通过模型计算求得.在满足一定约束条件的前提下, 分别求解高温区和低温区的热量平衡.模型的示意图如图 1所示.
图 1(Fig. 1)

图 1 模型分区示意图Fig.1 Schematic diagram of zoned model

1.1 模型数学方程全炉热平衡:

(1)

其中:Q_i包括鼓风、炉料、喷吹煤气显热, CO间接还原净放热值, 成渣热, CH₄生成热, 碳素燃烧热等; Q_j包括铁水、炉渣、高炉煤气、炉尘显热, 碳直接还原耗热, 碳酸盐分解热, 鼓风水分解热, 元素溶解热净值, 脱硫耗热, 水蒸发吸热, 喷吹物分解热, H₂直接还原、间接还原耗热, 碳素熔损反应耗热, 热损失等.
高温区热平衡:

(2)

其中:Q_i包括鼓风显热, 碳素燃烧热, 成渣热, CH₄生成热, 下行炉料带入显热, 喷吹煤气显热等; Q_j包括铁水、炉渣显热, 碳直接还原耗热, H₂直接还原耗热, 碳素溶损反应耗热, 元素溶解热净值, 喷吹物分解热, 水分解热, 脱硫反应耗热, 上行煤气带走热, 炉墙热损失等.
低温区热平衡:

(3)

其中:Q_i包括上行煤气带入显热, 炉喉加料带入显热, CO间接还原放热净值; Q_j包括水蒸发热, 炉尘带走热, 炉顶煤气带走显热, 下行炉料带走显热, 碳酸盐分解耗热, H₂间接还原吸热, 炉墙热损失等.
1.2 模型求解的基本约束渣平衡方程:

(4)

其中:m_i，渣^input包括配矿、石灰石、白云石、硅石、焦炭、煤粉等造渣量; m_j^output包括铁水、炉渣、炉尘等带走元素折算渣量.
m=ηm^*,
η=w(造渣元素)/(1－w(FeO_slag)),
m^*为相应物质的质量(下同).
铁平衡方程:

(5)

其中:m_{i, Fe}^input包括配矿、石灰石、白云石、硅石、焦炭、煤粉等带入铁元素的质量; m_j^output包括铁水、炉渣、炉尘等带走铁元素的质量.
m=λm^*,
λ=w(Fe)－η×w(FeO_slag)×56/72.
碱度方程:

(6)

其中:m_i^input包括配矿、石灰石、白云石、硅石、焦炭、煤粉等相应碱度折算量; m_j^output包括铁水、炉渣、炉尘等相应碱度折算量.
m=μm^*.
对二元碱度方程
μ=w(CaO)-w(S)56/32－w(SiO₂)×R₂;
对三元碱度方程为
μ=w(CaO)+w(MgO)－w(S)×56/32-w(SiO₂)×R₃;
对四元碱度方程为
μ=w(CaO)+w(MgO)-w(S)×56/32-w(SiO₂)+w(Al₂O₃)×R₄.
容许误差:
1.3 理论最低直接还原度求解当碳量既能满足下部直接还原消耗和总体热量需求, 又能为上部间接还原提供足量的CO, 两者折合的碳量刚好相等时, 该碳量为高炉冶炼所需的最低碳量, 对应的直接还原度为理论最低直接还原度R_dmin.需明确的是不同操作条件下对应不同R_dmin, 该值可以通过理论计算求得.理论最低碳量求解公式为

(7)

其中:m_i, m_k, m_j分别为满足热平衡、直接还原与间接还原所需碳的质量; i, j, k分别为其相应组成的索引.
1.4 直接还原度在本模型中, 考虑到理论最低直接还原度和生产实际中所能达到的直接还原度两者之间的关系(高炉实际生产对应的直接还原度可以通过炉顶煤气利用率和原燃料数据进行反推得到), 在探究不同富氧率及操作条件对冶炼指标的影响时使用式(8)对直接还原度进行放大:

(8)

其中:R_dmin是不同操作条件下(富氧、喷煤、加湿等)对应的理论最低直接还原度; ?为比例系数, 燃料比随该系数的增大而增加.根据企业提供数据求得富氧1.7%条件下?值约为1.22.考虑到企业之间原燃料条件和操作制度的差距, 在探究富氧鼓风对高炉热状态的影响时该值取为1.3.
1.5 模型理论燃烧温度的求解理论燃烧温度主要受鼓风量、鼓风含氧量、焦炭消耗量、煤粉喷吹量, 以及鼓风湿度的影响.其求解公式如下:

(9)

其中:Q_i包括鼓风显热, 焦炭、煤粉燃烧热, 炉缸喷吹煤气显热等; Q_j包括喷吹物分解热, 鼓风水分解热等, 风口前端携带这部分热量的气体(具体跟喷吹物成分有关)包括N₂, CO, H₂等; n_p, c_p分别为其相应物质的量和定压比热容.
1.6 模型求解的预设条件以冶炼1t铁水为标准, 基准模型求解所需的预设条件列于表 1.根据某企业提供的生产数据, 计算了富氧率为1.7%, 喷煤量为150 kg, 鼓风加湿为0.8%等冶炼条件下的炉顶煤气成分, 并与企业实测煤气成分对比, 结果列于表 2.模型求得的吨铁冶炼数据列于表 3(括号内为企业数据).
表 1(Table 1)

表 1 模型求解所需主要参数Table 1 Main parameters in the model 参数 数值 渣中FeO质量分数/% 0.36 二元碱度 1.178 三元碱度 1.45 四元碱度 1.01 鼓风湿度/% 0.8 富氧率/% 1.7 炉顶煤气利用率/% 50 热风炉输出热风温度/℃ 1 200 出铁温度/℃ 1 490 出渣温度/℃ 1 530 吨铁冷却水消耗量/t 31.2 冷却水平均升温/℃ 2 高温区边界炉料温度/℃ 1 000

表 1 模型求解所需主要参数 Table 1 Main parameters in the model

表 2(Table 2)

表 2 煤气成分比较(体积分数)Table 2 Gas composition comparison % 煤气成分 企业数据 模型数据 CO2 21 21.59 CO 21 21.57 CH4 2 1.4 H2 2 1.24 N2 54 54.21 煤气利用率 50 50.02

表 2 煤气成分比较(体积分数) Table 2 Gas composition comparison

表 3(Table 3)

表 3 模型计算结果Table 3 Model calculation results 参数 数值 含铁原料/kg 1 597.6(1 567) 焦比/kg 338.5(330.2) 燃料比/kg 488.5(480.2) 渣比/kg 322(313) 鼓风量/m3 1 114.0(1 140) 炉顶煤气/m3 1 669.3 炉缸煤气/m3 1 428.4 煤气热值/(kJ·m-3) 3 295.3(3 481) 理论燃烧温度/K 2 299.3 Rd 0.428 Rdmin 0.351 分界温度差/℃ 34.9

表 3 模型计算结果 Table 3 Model calculation results

2 模型结果及讨论模型求得在不喷吹炉缸煤气的情形下, 炉顶煤气温度随富氧率的变化规律如图 2所示.从图中可以看出随着富氧率的提高, 高炉炉顶煤气温度是逐渐下降的, 该变化趋势与富氧高炉的实测^[13]相一致.其中, 模型求得富氧率提高1%, 炉顶煤气温度下降约14 ℃.这反映出富氧条件下高炉上部“趋凉”.过低的出口煤气温度对冶炼是不利的:一方面其会改变间接还原的动力学条件, 影响间接还原的发展; 另一方面其会对后续的煤气除尘操作带来诸如结露、糊带等不良影响, 导致布袋除尘等除尘设备无法正常运行.
图 2(Fig. 2)

图 2 炉顶煤气温度随富氧率变化规律Fig.2 Variation of top gas temperature with oxygen enrichment rate

从表 2和表 3中的数据可以看出, 在富氧率1.7%, 鼓风湿度为0.8%(6.43 g/m³), 喷煤量为150 kg/t, 炉顶煤气利用率为50%的冶炼条件下, 模型求得高炉内部铁氧化物的直接还原度为0.428, 风口前端理论燃烧温度约为2 300 K, 燃料比在490 kg左右; 高温区和低温区分别能满足热量平衡, 即此时不需要采取其他措施(如:在炉缸处喷吹还原性气体)高炉就能实现正常运行.从表中还可以看出炉顶煤气的体积约为鼓风量的1.5倍, 而炉缸煤气体积约为鼓风量的1.3倍, 这是由于碳的燃烧反应和铁氧化物还原反应发展的程度不同引起的(炉内煤气详细的变化规律可参考图 3).
图 3(Fig. 3)

图 3 煤气成分变化Fig.3 Gas composition variation

模型求得此种冶炼条件下铁氧化物对应的理论最低直接还原度为0.351, 根据实际生产测得的炉顶煤气数据、原燃料成分、铁水成分等可迭代求出其对应直接还原度, 约为此最低值的1.22倍, 即从理论上讲目前高炉仍有降低燃料比的潜力.
图 4所示是模型计算得到的固态炉料成渣量质量分数和固态炉料走向分布图, 从图中可以看出含铁原料内的脉石是炉渣的主要组成部分, 占炉渣总量的66%;其次是焦炭和煤粉, 各占总渣量的11%和6%;最后是高炉冶炼所需熔剂形成的渣量, 其总计占炉渣总质量的17%.从图 4中还可看出炉喉处加入固体炉料(包括含铁原料、焦炭、熔剂)等的物料走向:这些固态炉料中有44%的物质进入铁水; 与此相仿, 有占固态炉料总质量40%的物质进入气相, 而进入渣相的物质总量约占固态炉料总质量的16%.
图 4(Fig. 4)

图 4 固态炉料质量分数Fig.4 Mass fraction of solid burden (a)—各固态炉料造渣量占高炉总渣量的质量分数；(b)—固态炉料进入各物相的质量分数.

通过分析高温区和低温区热量收支情况可以使高炉内部热量分布更加明晰, 有利于更好地掌握和利用冶炼规律.图 5是高温区与低温区热收支图.从图 5中可以看出, 低温区热收入主要来自上行煤气带入的煤气显热, 其占热总收入的90%左右.相比较而言高温区的热收入主要来自三大块, 按所占比例高低排序:碳素燃烧热、鼓风显热、下行炉料显热分别占其热收入的41.23%, 31.13%和25.97%;而对于热支出, 下行炉料带走显热在低温区中占据主要地位, 其数值大约占低温区热总支出的63.59%, 煤气带走显热占第二位, 其所占比例约为18.4%.对于高温区而言, 其热量主要用于支出上行煤气带走的显热, 出铁、出渣带走的显热以及直接还原消耗的热量, 其数值各自占总热支出的38.32%, 23.02%, 11.44%和18.65%.综上所述, 低温区的热量来源和热量支出主要集中在煤气和炉料的显热上; 而与低温区不同的是化学反应对高温区的热量收支有着明显的影响.
图 5(Fig. 5)

图 5 高温区和低温区热收支Fig.5 Heat balances of high- and low-temperature zones (a)—低温区热收入; (b)—高温区热收入; (c)—低温区热支出; (d)—高温区热支出.

3 结论1) 研究高炉内热状态随富氧率的变化, 模型计算结果与企业生产数据的比较验证了模型的有效性.
2) 在本文基准算例条件下, 富氧提高1%, 炉顶温度下降约14 ℃.
3) 富氧率1.7%时, 高炉冶炼无需采取其他措施即能满足整体和上下部热量平衡.
4) 计算得到的理论最低直接还原度低于实际生产的直接还原度, 说明高炉燃料比仍有继续降低的空间.
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