氧气高炉约束性物质与能量平衡模型

• 作 者: 高建军
• 机 构: 钢铁研究总院
• 出 处: 钢铁研究总院
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 氧气高炉 约束性物质 能量平衡 工艺参数 数学模拟

高炉炼铁是当今世界最主要的炼铁工艺，氧气高炉是基于传统高炉的一种炼铁新工艺。近几年，随着国际社会对全球CO2减排的呼声，减少CO2排放成为钢铁企业义不容辞的社会责任。由于氧气高炉有望降低焦炭消耗，循环利用炉顶煤气，减少CO2排放，所以得到快速发展。以往氧气高炉以传统高炉全炉热平衡或高温区热平衡为基础建立数学模型，虽然计算得到的燃料比很低，但往往与试验结果差别很大，不能指导实际生产。本文通过分析以往氧气高炉数学模拟时区域划分不完全、约束条件不充分和实际生产数据不足的问题，建立了多区域约束性氧气高炉物质与能量平衡模型，理论分析和实验计算了不同氧气高炉流程工艺参数之间的关系，得到以下结论：　　
(1)氧气高炉数学模拟时，将氧气高炉划分的区域越多，模拟结果越精确，根据区域初始条件和边界条件确定的难易程度，将氧气高炉分为高温区、固体炉料区和煤气加热区，这三个区域能够反映氧气高炉的能量利用特征。　　
(2)分析了氧气高炉高温区、固体炉料区和煤气加热区受到的物理约束和化学约束条件，其中化学约束包括热力学约束和动力学约束条件。推导计算了炉顶煤气温度、不同煤气量、固体炉料温度和间接还原反应气相平衡对氧气高炉的约束。　　
(3)比较了氧气高炉约束性数学模型和传统高炉数学模型计算结果，尽管约束性数学模型计算燃料比较高，但可以客观反映氧气高炉实际冶炼过程。　　
(4)建立了不同氧气高炉炼铁流程约束性数学模型，分析了高温区热平衡、固体炉料区热平衡和化学反应气相平衡约束条件下金属化率与燃料比、煤气量之间的关系。模拟结果表明金属化率相同条件下，炉缸喷吹循环煤气流程燃料比最低。　　
(5)氮气循环富集影响循环煤气的含氮率，带入炉内氮气量越大，循环煤气富氮率越高。