高炉回旋区内氧煤燃烧行为数值模拟研究

发布时间：2020-08-27 21:32

【摘要】：目前,高炉炼铁面临着焦煤资源短缺、环境污染等大问题,实现高炉的进一步节能减排迫在眉睫。因此,增加喷煤量实现以煤代焦是高炉炼铁的发展方向。要大量喷吹煤粉,首先要解决的问题是煤粉在回旋内的充分燃烧。实践表明,富氧鼓风是实现煤粉大量喷吹的有效手段之一,高富氧以及氧气高炉是未来高炉发展的趋势。为了进一步揭示高富氧及全氧冶炼对煤粉喷吹的影响,本文采用数值模拟方法,围绕高炉高富氧及全氧鼓风条件下煤粉在回旋区内的燃烧展开了以下研究。传统热风富氧方式,煤粉颗粒周围的氧浓度增加不十分明显,这导致煤粉燃尽率提高较小。将常温氧气加入到风口和直吹管之间的局部富氧方式,可大大提高煤粉颗粒周围的氧浓度,但同时存在对煤粉燃烧不利的影响。因此,选择合理的局部富氧方式及富氧量对煤粉燃尽率的提高至关重要。首先,研究了氧煤枪富氧方式下,煤粉燃烧及流动行为随氧气浓度的变化规律。研究结果表明,从氧煤枪环面流出的常温氧气增加了煤粉颗粒周围的氧浓度,但对煤粉的扩散及挥发分的析出存在不利的影响。当氧煤枪富氧量为2%时,煤粉燃尽率提高最明显,比未富氧时增加了 2.17%,而氧煤枪富氧量为6%时,煤粉燃尽率比未富氧时下降了 5.74%。考察了两根氧煤枪不同排布方式下,煤粉燃尽率随氧气浓度的变化。研究结果表明,当两根氧煤枪交错排布时,煤粉燃尽率增加较明显。当两根氧煤枪之间夹角为40°且富氧量为2%时,煤粉燃尽率提高最明显,增加了 12.51%。然后,研究了氧、煤双枪富氧方式下煤粉燃烧行为。氧、煤双枪结构下,氧气采用单独一根喷枪加入。这种方式避免了常温氧气对煤粉颗粒扩散的束缚,减弱了常温氧气的“冷却作用”。研究结果表明,适当提高煤枪位置和降低氧枪位置,煤粉燃尽率都大幅增加。当煤枪位置沿着Y方向上移15 mm且氧枪富氧量为3%时,煤粉燃尽率提高最明显,比未富氧时增加了 12.79%。将一部分氧气通过局部富氧方式加入,其余氧气采用热风富氧方式加入,煤粉燃尽率进一步提高。当热风富氧量4%,氧枪富氧量2%时,煤粉燃尽率比未富氧时提高了 14.52%。另外,研究了氧气高炉炼铁新工艺下煤粉燃烧特性。氧气高炉采用常温氧气鼓风,另外循环预热的脱除CO2的炉顶煤气。将氧气浓度为90%、循环煤气温度为900℃作为基本工况,研究了其煤粉燃烧行为,研究结果表明,氧气高炉的煤粉燃尽率比传统高炉提高了 16.1%。在此基础上,研究了氧气浓度、氧气温度、循环煤气温度等对煤粉燃烧的影响。结果表明,随着氧气浓度的增加燃尽率增加,氧气浓度增加至100%时,煤粉燃尽率比传统高炉提高了 18.6%;随着循环煤气温度的增加,煤粉燃尽率增加。最后,研究了煤粉在回旋区及焦炭床内的流动和燃烧,以及气相温度和浓度分布。研究结果表明,煤粉颗粒主要沿着水平流股方向流动,随着煤粉粒径的增大,这一现象更明显。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TF538.63
【图文】：

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Ｗ－Ｋ邋Ｌｕ教授通过大量研究，在循环炉顶煤气和不循环炉顶煤气富氧喷煤逡逑高炉理论研究的基础上，于１９８４年提出了邋Ｗ－ＫＬｕ氧气高炉流程，其流程图逡逑如图２－２所示。Ｎ２在高炉中的主要作用是调节回旋区的温度，将炉缸的部分逡逑热量带到炉身去。Ｗ－ＫＬｕ流程的目的是用Ｃ０替代部分１＾２的作用。Ｗ－ＫＬｕ逡逑流程的主要特点是在炉缸位置设置一排风口，风口鼓入纯氧以及脱除ｃｏ２的逡逑炉顶煤气，并喷吹大量煤粉。逡逑炉顶煤气丨￣Ｉ逦外咚逡逑焦炭逦＇－Ｈ逦Ｉ邋＂＂逡逑＾邋Ｉ邋ｆ逡逑Ｕｊ逡逑ｉ邋ｍ．ｎ邋煤粉逡逑铁水逡逑卜尚炉：２－除尘系统：３－加压装置：４－脱除Ｃ０２设备逡逑图２－２邋Ｗ－ＫＬｕl#气高炉流程示意图逡逑（３）逦ＦＯＢＦ邋流程逡逑１９８５年，北京科技大学秦民生教授提出了邋ＦＯＢＦ氧气高炉工艺流程，其逡逑－７－逡逑

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逡逑示意图如图２－３所示。该流程的目的是降低焦比和氧耗，炉顶煤气采用净化逡逑后脱除Ｃ０２并加热后循环回炉内的措施。该流程的主要特点是在炉身和炉缸逡逑部分设置两排风口，炉缸风口喷吹氧气、循环煤气并喷吹煤粉，炉身风口喷逦、逡逑吹循环煤气。逡逑炉顶煤气｜￣７］逦外供ｔ逡逑Ｉ邋，邋预热煤气逡逑１＝＾—ａ逡逑＼逦／邋循环煤气逦逡逑＾＾邋ｔ邋ｒ￣逡逑＆常温氧气煤粉逡逑铁水逡逑１－电－护：２－除尘系统：３－加Ｋ装置：４－？除Ｃ０：设备：５－煤气加热装置逡逑图２－３邋ＦＯＢＦl#气高炉流程逡逑（４）邋ＮＫＫ流程逡逑１９８７年，日本ＮＫＫ公司提出了邋ＮＫＫ氧气高炉流程，并申请了专利。逡逑此流程采用纯氧鼓风来减少炉顶煤气中氮气的含量，同时通过风口喷吹水蒸逡逑气和循环煤气来控制过高的风口理论燃烧温度。此外，通过在炉身风口喷吹逡逑部分热炉顶煤气来预热高炉上部的炉料。其示意图如图２－４所示。ＮＫＫ氧气逡逑高炉的主要特点是炉缸和炉身中部设置两排风口；炉缸风口喷吹常温氧气、逡逑未脱除Ｃ０２的炉顶煤气以及喷吹煤粉；设置燃烧炉加热部分炉顶煤气，将加逡逑热后的炉顶煤气从炉身中部喷入炉内，用来补充炉料加热所需的热量；可实逡逑现喷煤３５０邋ｋｇ／ｔ．ＨＭ

【参考文献】